CN118326409A - 一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电解水制氢技术领域，且公开了启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，包含根据单台电解槽碱液循环方式，设计多台套的碱液混合拓扑方式，确定槽组一的分流阀和汇流阀开度，打开槽组二的分流阀和汇流阀，并控制流量，利用混合器中的热碱液为第二组电解槽加热碱液，直至预设温度，依据工况需求对槽组二进行操作，根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作。该启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，通过优化碱液循环的拓扑设计，并通过阀的控制实现碱液流量控制，实现电解槽机组的快速启动，减少开机累加时长和开机总能耗；减少能耗的同时，减少了累加的启动时间。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法。
背景技术
电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。这个过程需要一定的电能，一般需要4.0～4.5千瓦·时的电能才可获得一标准立方米的氢。但是，如果采用高温电解水蒸气的方法或其他改进方法，如在电极上覆以各种催化剂，那么能耗可以降低至3.0千瓦·时左右。如果利用太阳能作为辅助能源进行高温电解，还可以进一步降低能耗，电解水制氢是将其他各种能源(如太阳能、风能)转化成氢能储存的有效方法。随着电解水制氢项目规模扩大，多台电解槽形成集群实现联合制氢的场景更加普遍。但目前电解制氢设备多为整体模块化控制，单台电解槽有其独立运行的气液分离框架。并且，针对多台电解槽集群的控制策略尚不成熟，因此目前对于多台电解槽集群的控制仍然是对多个单台的独立控制，这导致了运行过程中各台电解槽均为冷启动，启动过程缓慢且耗能较多。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，包括以下步骤：
S1、根据单台电解槽碱液循环方式，设计多台套的碱液混合拓扑方式。
S2、确定槽组一的分流阀和汇流阀开度，关闭其他槽的全部阀，正常启动第一组电解槽至预设状态。
S3、启动槽组一的过程中，判断槽组二是否与槽组一预设状态下的运行压力之差不超过并执行槽组二的接入前操作。
S4、打开槽组二的分流阀和汇流阀，并控制流量，利用混合器中的热碱液为第二组电解槽加热碱液，直至预设温度。
S5、依据工况需求对槽组二进行操作。
S6、重复步骤S3到步骤S5，对后续电解槽实施加热、启动或保温操作。
S7、根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作。
进一步的，步骤S1所述单台电解槽包括：电堆、氢分离器、氧分离器，以及循环的碱液管道、泵、冷却换热器。
进一步的，步骤S1所述碱液混合拓扑方式包括：
若单台电解槽碱液循环方式为分立式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置两套碱液混合系统，分别实现氢侧碱液和氧侧碱液的混合。
若单台电解槽碱液循环方式为混合式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置一套碱液混合系统。
所述碱液混合系统包括：多个分流阀、汇流阀、管道、混合器。所述混合器中充满碱液，混合器容积根据机组接入槽数量和碱液循环量进行设计。
进一步的，步骤S2所述槽组一指机组中第一台启动电解槽或第一组启动的多台电解槽。
所述正常启动第一组电解槽至预设状态中槽组一正常启动的判断标准根据工况需求变化。
进一步的，槽组一正常启动的判断标准包括以下判断标准中的至少一条：电解槽达到最低稳定运行负荷、电解槽气体出口纯度达到进入纯化的标准、电解槽温度达到最低适宜温度、电解槽达到额定产气量、电解槽达到最高额定功率、电解槽温度达到最优温度。
进一步的，步骤S3中的根据实际工程进行优化调整。
进一步的，步骤S3所述槽组二的接入前操作包括：
若槽组二处于保压状态，且与槽组一的压力差不超过则不执行任何操作。
若槽组二未处于保压状态，则主动向槽组二中充入纯氢、纯氧使得槽组二的压力升高至所需范围。或者启动槽组二以及排空出口，待槽组二输出的氧气中的氢气浓度低于安全阈值后，关闭排空出口并接入气液分离器，使得槽组二稳定产生氢气和氧气直至压力上升至所需范围。
进一步的，进行步骤S4的过程中槽组一根据运行工况需求继续升功率或保持功率，但不可因槽组二碱液带走热量导致槽组一温度低于接入前状态。
进一步的，对于槽组二加入导致槽组一的温度变化采用以下方法判断：
假设同一槽组内多个电解槽规格、运行状态均相同，可用单个电解槽的状态反映槽组的整体状态。
对单个电解槽，其电堆温度Tstack的变化通过式(1)进行计算：
式(1)中qstack，gen为电解水反应中除去热中和反应外额外产生的热量，通过式(2)计算得到：
qstack，gen＝(Ustack-Uthe)I (2)
式(2)中Ustack为电堆电压、I为电堆电流，Ustack和I测量得到，Uthe为热中和电压，一般取1.48V。
式(1)中qstack，dissip为电堆散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度Tamb的热阻，通过式(3)得到：
qstack，dissip＝(Tstack-Tamb)/Rstack (3)
式(3)中Tstack为进入分离器的碱液温度，Rstack为电堆热电阻，Tstack测量得到，Rstack由设备信息得到。Tamb测量得到。
式(1)中qlye，heat为循环过电堆的电解液加热所需的热量，通过式(4)得到：
式(4)中为碱液质量流量，由设备信息得到适宜的循环速度区间。Tlye，in为电堆进口碱液的温度。clye为碱液比热容，查询碱液信息得到。
式(1)中Cstack为电堆碱液热容，查询碱液信息得到。
进一步的，式(4)中电堆进口碱液的温度Tlye，in通过式(5)得到：
式(5)中：
进入的混合电解液热量qlye，con通过式(6)得到：
式(5)中的流出的混合电解液热量Qex受循环冷却水的流量、换热器设计参数以及与被冷却介质状态影响，根据工程现场相关参数查表获得。
式(6)中的混合碱液温度Tcon由内循环液体和混合器出口液体混合所得。
进一步的，假设分离器出口碱液到汇流阀段不产生热损失，Tsep作为汇流阀内循环液体温度，则混合碱液温度Tcon通过式(7)得到：
式(7)中是流入混合器的碱液流量，是沿内循环管道的碱液流量，从混合器回流后汇合的碱液流量保持相同，以保证电解槽内的内循环碱液总量不变，因此：
式(8)和式(9)中的k为分流阀的开度：
当碱液循环方式为分立式时候，θ为0到1的数，根据独立运行在氢侧和氧侧的碱液量比例确定。
当为混合式循环方式，θ为1，无氢侧和氧侧的区分。
式(7)中Tmix为混合器中流出碱液的温度，通过式(10)得到：
式(10)中qmix，in为汇入混合器的各槽碱液带进来的热量，通过式(11)得到：
式(10)中qmix，dissip为混合器散热，通过式(12)得到：
qmix，dissip＝(Tmix-Tamb)/Rmix (12)
式(10)中qmix，out为流出混合器的各槽碱液带走的热量，通过式(13)得到：
式(10)中Cmix为混合器中碱液的热容。，Rmix为混合器热阻。Cmix通过查询碱液信息得到，Rmix由设备信息得到。
式(7)中Tsep为分离器出口碱液温度，通过式(14)得到：
式(14)中qsep，in为进入分离器的碱液带入的热量，假设电堆出口至分离器管道不散热，则qsep，in通过式(15)得到。
式(14)中qspe，dissip为分离器散热，包括热传导和热辐射，通过式(16)得到：
qdep，dissip＝(Tsep-Tamb)/Rsep (16)
式(14)中qlye，out为离开分离器的碱液带走的热量，通过式(17)得到：
式(14)中qgas，out为离开分离器的气体带走的热量，通过式(18)得到：
其中，为H2的质量流量，为O2的质量流量。
式(18)中和根据电流和法拉第定律计算得到。
式(14)中qwater，heat为加热补充进来的纯水所需的热量，通过式(19)得到：
式(19)中为补水的质量流量，cwater为补水的比热容，Twater为补水的温度。
式(14)中Csep为汇流阀内循环液体的热容，查询液体信息得到。
式(16)中Rsep为汇流阀热阻，查询设备信息得到。
进一步的，步骤S5所述依据工况需求对槽组二进行操作的方法包括：
若步骤S3已经启动槽组二，则继续提升槽组二的功率至额定功率。
若槽组二未启动，则启动槽组二。控制槽组二启动时的初始电流不高于当前温度限制下的电流，或者先加热槽组二至预设温度后再启动槽组二。
若槽组二无需启动，则加热槽组二至预设温度后调整阀开度对槽组二进行保温。
进一步的，步骤S6所述对后续电解槽实施加热、启动或保温操作的方法包括：通过调整各阀门开度、电解槽功率和碱液循环速度，实现温度的合理变化，为后续槽提前热机。
进一步的，步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法包括：
已启动电解槽根据需求自行调整运行功率，运行期间所施加的电流受温度限制，并通过调整碱液循环速度、冷却水循环速度，保证电堆温度不超过最高工作温度。
进一步的，当已启动电解槽达到最高温度，但后续电解槽还有预测需求时，优先通过加快碱液循环速度、增大分流阀开度，使用混合器内碱液的方式对已启动电解槽进行降温。
若超过调整上限仍超过已启动电解槽的最高工作温度，则启用该电解槽的冷却水循环系统，实现外部冷却。
进一步的，步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法还包括：
对已启动电解槽根据需求实施停机操作，同时根据后续需求控制碱液循环方式：
若需彻底停止，则关闭对应分流阀，断开与混合器的连接。
若需进入热备状态，则调整碱液循环速度、分流阀开度，以最小流量保持电堆温度在预设温度区间。
本发明至少具有以下有益效果之一：
1.发明通过对电解槽集群多台控制，提高电解槽启动速度，降低了电解槽启动能耗，解决了目前对于多台电解槽集群的控制仍然是对多个单台的独立控制的问题，同时解决了现有控制方法导致的电解槽运行过程中各台电解槽均为冷启动，启动过程缓慢且耗能较多的问题。
2.发明通过优化碱液循环的拓扑设计，并通过阀的控制实现碱液流量控制，实现电解槽机组的快速启动，减少开机累加时长和开机总能耗；减少能耗的同时，减少了累加的启动时间。
3.本发明充分利用清晨日出阶段缓慢的光伏功率，为第一台电解槽启动的同时，为后启动的电解槽储备了热量，帮助后续电解槽启动时能跟随光伏功率的快速爬坡。
附图说明
图1为本发明主要步骤示意图；
图2为本发明分立式循环方式下的拓扑设计结构示意图；
图3为本发明混合式循环方式下的拓扑设计结构示意图；
图4为本发明主要观测量示意图；
图5为本发明全天光伏曲线示意图；
图6为本发明早晨光伏曲线示意图；
图7为本发明独立启动下的温度、功率、电压与时间的关系示意图；
图8为本发明电流建议值与温度的对应关系示意图；
图9为本发明电压与温度的对应关系示意图；
图10为本发明独立循环和接入混合器后电堆温度变化的对比示意图；
图11为本发明独立循环和接入混合器后电堆温度变化的对比示意图；
图12为本发明各槽的功率限制边界及实际功率示意图；
图13为本方案与传统方案在启动槽过程的能耗示意图；
图14为本方案与传统方案在启动槽过程的时间示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
请注意，本发明为了描述位置关系所使用的“上方”、“下方”、“左方”、“右方”、“顶端”、“顶部”、“底端”、“底部”等，并不代表各模块/构件/组件/部件/零件之间的相互之间的绝对位置关系，而是各模块/构件/组件/部件/零件之间的相对位置关系。
本发明示例性的提供了一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，包括以下步骤：
S1、根据单台电解槽碱液循环方式，设计多台套的碱液混合拓扑方式。
S2、确定槽组一的分流阀和汇流阀开度，关闭其他槽的全部阀，正常启动第一组电解槽至预设状态。
S3、启动槽组一的过程中，判断槽组二是否与槽组一预设状态下的运行压力之差不超过并执行槽组二的接入前操作。
S4、打开槽组二的分流阀和汇流阀，并控制流量，利用混合器中的热碱液为第二组电解槽加热碱液，直至预设温度。
S5、依据工况需求对槽组二进行操作。
S6、重复步骤S3到步骤S5，对后续电解槽实施加热、启动或保温操作。
S7、根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作。
本发明示例性的提供了一种步骤S1所述单台电解槽，包括：电堆、氢分离器、氧分离器，以及循环的碱液管道、泵、冷却换热器。不包含供电系统，也不包含氢气、氧气的后续处理附件。
本发明示例性的提供了一种步骤S1所述碱液混合拓扑方式，包括：
若单台电解槽碱液循环方式为分立式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置两套碱液混合系统，分别实现氢侧碱液和氧侧碱液的混合。图2示例性的提供了一种分立式循环方式下的碱性电解槽机组拓扑设计。
若单台电解槽碱液循环方式为混合式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置一套碱液混合系统。
所述碱液混合系统包括：多个分流阀、汇流阀、管道、混合器。所述混合器中充满碱液，混合器容积根据机组接入槽数量和碱液循环量进行设计。一般而言容积越大，可用于共享的碱液储备量越多，但也需要更多热量对其进行加热。图3示例性的提供了一种混合式循环方式下的碱性电解槽机组拓扑设计。
本发明示例性的提供了一种步骤S2所述槽组一，具体是指机组中第一台启动电解槽或第一组启动的多台电解槽。具体选择方式可根据启动方式、启动速度、电解槽容量等综合考虑，优先选择小容量、启动迅速且采用恒压模式启动的电解槽，实现快速产热升温的效果。
槽组一的分流阀和汇流阀的打开程度影响了分流到混合器的流量，由于混合器中碱液接入循环会导致升温速度降低，影响槽组一的启动速度，因此需根据槽组一的启动时间限制调整阀开度。
槽组一正常启动的判断标准根据工况需求变化，可选的方式包括：达到最低稳定运行负荷、气体出口纯度达到进入纯化的标准、温度达到最低适宜温度、达到额定产气量、达到最高额定功率、温度达到最优温度。
本发明示例性的提供了正常启动第一组电解槽至预设状态中槽组一正常启动的判断标准，具体为：判断标准根据工况需求变化。
本发明示例性的提供了一种槽组一正常启动的判断标准，包括以下判断标准中的至少一条：电解槽达到最低稳定运行负荷、电解槽气体出口纯度达到进入纯化的标准、电解槽温度达到最低适宜温度、电解槽达到额定产气量、电解槽达到最高额定功率、电解槽温度达到最优温度。
本发明示例性的提供了一种步骤S3中的该参数根据实际工程进行优化调整，以保障后续槽组接入后不对已经稳定运行的槽组造成过大的压力波动，从而避免已经稳定运行的槽组的氢氧侧串气，导致电解槽输出的氧气中的氢气含量高于安全阈值。
本发明示例性的提供了一种步骤S3所述槽组二的接入前操作，包括：
若槽组二处于保压状态，且与槽组一的压力差不超过则不执行任何操作。
若槽组二未处于保压状态，则主动向槽组二中充入纯氢、纯氧使得槽组二的压力升高至所需范围。或者启动槽组二以及排空出口，待槽组二输出的氧气中的氢气浓度低于安全阈值后，关闭排空出口并接入气液分离器，使得槽组二稳定产生氢气和氧气直至压力上升至所需范围。
本发明示例性的提供了一种槽组一控制方法，包括：进行步骤S4的过程中槽组一根据运行工况需求继续升功率或保持功率，但不可因槽组二碱液带走热量导致槽组一温度低于接入前状态。
本发明示例性的提供了一种由于槽组二加入导致槽组一的温度变化的判断方法，主要观测量及关系结构如图4所示，包括：采用以下方法判断：
假设同一槽组内多个电解槽规格、运行状态均相同，可用单个电解槽的状态反映槽组的整体状态。
对单个电解槽，其电堆温度Tstack的变化通过式(1)进行计算：
式(1)中qstack，gen为电解水反应中除去热中和反应外额外产生的热量，通过式(2)计算得到：
qstack，gen＝(Ustack-Uthe)I (2)
式(2)中Ustack为电堆电压、I为电堆电流，Ustack和I测量得到，Uthe为热中和电压，一般取1.48V。
式(1)中qstack，dissip为电堆散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度Tamb的热阻，通过式(3)得到：
qstack，dissip＝(Tstack-Tamb)/Rstack (3)
式(3)中Tstack为进入分离器的碱液温度，Rstack为电堆热电阻，Tstack测量得到，Rstack由设备信息得到，Tamb测量得到。
式(1)中qlye，heat为循环过电堆的电解液加热所需的热量，通过式(4)得到：
式(4)中为碱液质量流量，由设备信息得到适宜的循环速度区间。Tlye，in为电堆进口碱液的温度。clye为碱液比热容，查询碱液信息得到。
式(1)中Cstack为电堆碱液热容，查询碱液信息得到。
式(4)中电堆进口碱液的温度Tlye，in，若忽略管道散热，也可作为冷却器出口的温度，而冷却器入口的碱液包括了原电解槽内循环的碱液，以及混合器分流至该电解槽的碱液，混合碱液的热量被冷却器换热带走，造成混合碱液的温度变化，因此可以通过式(5)得到：
式(5)中：
进入的混合电解液热量qlye，con通过式(6)得到：
式(5)中的流出的混合电解液热量Qex受循环冷却水的流量、换热器设计参数以及与被冷却介质状态影响，根据工程现场相关参数查表获得。在电解槽无法通过混合器带走的热量维持在最高温度以内的情况下，冷却器才会启动。
式(6)中的混合碱液温度Tcon由内循环液体和混合器出口液体混合所得。
假设分离器出口碱液到汇流阀段不产生热损失，Tsep作为汇流阀内循环液体温度，则混合碱液温度Tcon通过式(7)得到：
式(7)中是流入混合器的碱液流量，是沿内循环管道的碱液流量，从混合器回流后汇合的碱液流量保持相同，以保证电解槽内的内循环碱液总量不变，因此：
式(8)和式(9)中的k为分流阀的开度：
当碱液循环方式为分立式时候，θ为0到1的数，根据独立运行在氢侧和氧侧的碱液量比例确定。
当为混合式循环方式，θ为1，无氢侧和氧侧的区分。
式(7)中Tmix为混合器中流出碱液的温度，混合器内碱液的温度通过热量累积变化来计算，具体通过式(10)得到：
式(10)中qmix，in为汇入混合器的各槽碱液带进来的热量，通过式(11)得到：
式(10)中qmix，dissip为混合器散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度的热阻，通过式(12)得到：
qmix，dissip＝(Tmix-Tamb)/Rmix (12)
式(10)中qmix，out为流出混合器的各槽碱液带走的热量，通过式(13)得到：
式(10)中Cmix为混合器中碱液的热容，Rmix为混合器热阻；Cmix通过查询碱液信息得到，Rmix由设备信息得到。
式(7)中Tsep为分离器出口碱液温度，通过热量累积变化来计算，通过式(14)得到：
式(14)中qsep，in为进入分离器的碱液带入的热量，假设电堆出口至分离器管道不散热，则qsep，in通过式(15)得到。
式(14)中qspe，dissip为分离器散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度的热阻，通过式(16)得到：
qdep，dissip＝(Tsep-Tamb)/Rsep (16)
式(14)中qlye，out为离开分离器的碱液带走的热量，通过式(17)得到：
式(14)中qgas，out为离开分离器的气体带走的热量，通过式(18)得到：
其中，为H2的质量流量，为O2的质量流量。
式(18)中和根据电流和法拉第定律计算得到。
式(14)中qwater，heat为加热补充进来的纯水所需的热量，通过式(19)得到：
式(19)中为补水的质量流量，耗水主要包括分解耗水、气体带走水分，可根据工程运行情况对分解耗水量乘以一定系数得到，一般分离器有上下水位限制，当到达下水位时补水，此处为简化计算，假设耗水后立即补水。cwater为补水的比热容，Twater为补水的温度。式(14)中Csep为汇流阀内循环液体的热容，查询液体信息得到。式(16)中Rsep为汇流阀热阻，查询设备信息得到。
根据以上公式，可分别计算电堆、分离器、混合器等主要部件的温度变化，其中电堆的温度决定了当前可施加电流的上限值。
本发明示例性的提供了一种步骤S5所述依据工况需求对槽组二进行操作的方法，包括：
若步骤S3已经启动槽组二，则继续提升槽组二的功率至额定功率。
若槽组二未启动，则启动槽组二。控制槽组二启动时的初始电流不高于当前温度限制下的电流，或者先加热槽组二至预设温度后再启动槽组二。
若槽组二无需启动，则加热槽组二至预设温度后调整阀开度对槽组二进行保温。
本发明示例性的提供了一种步骤S6所述对后续电解槽实施加热、启动或保温操作的方法，包括：通过调整各阀门开度、电解槽功率和碱液循环速度，实现温度的合理变化，为后续槽提前热机。具体来说，判断槽组三和槽组一、二的压力差，采取预操作后接入槽组三，同时提前对槽组四进行状态判断，如此继续，直至对所有电解槽完成操作
本发明示例性的提供了一种步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法，包括：
已启动电解槽根据需求自行调整运行功率，运行期间所施加的电流受温度限制，并通过调整碱液循环速度、冷却水循环速度，保证电堆温度不超过最高工作温度。
本发明示例性的提供了一种电解槽控制方法，具体包括：当已启动电解槽达到最高温度，但后续电解槽还有预测需求时，优先通过加快碱液循环速度、增大分流阀开度，使用混合器内碱液的方式对已启动电解槽进行降温。
若超过调整上限仍超过已启动电解槽的最高工作温度，则启用该电解槽的冷却水循环系统，实现外部冷却。
本发明示例性的提供了一种步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法，包括：
对已启动电解槽根据需求实施停机操作，同时根据后续需求控制碱液循环方式：
若需彻底停止，则关闭对应分流阀，断开与混合器的连接。
若需进入热备状态，则调整碱液循环速度、分流阀开度，以最小流量保持电堆温度在预设温度区间。
发明通过对电解槽集群多台控制，提高电解槽启动速度，降低了电解槽启动能耗，解决了目前对于多台电解槽集群的控制仍然是对多个单台的独立控制的问题，同时解决了现有控制方法导致的电解槽运行过程中各台电解槽均为冷启动，启动过程缓慢且耗能较多的问题。
发明通过优化碱液循环的拓扑设计，并通过阀的控制实现碱液流量控制，实现电解槽机组的快速启动，减少开机累加时长和开机总能耗。减少能耗的同时，减少了累加的启动时间。
以下结合附图，以某制氢厂区采用三台电解槽组成电解槽机组，为简要说明，槽组一包含槽a，槽组二包含槽b，槽组三包含槽c。在启动前进行了氢气保压，以光伏为主要供电，全天光伏曲线图为图5。
因光伏供电功率在清晨逐渐上升，初期功率较小，如图6所示，难以同时对三台电解槽正常启动，传统方案采用随光伏功率升高逐一开机的操作。但独立运行的电解槽升温缓慢，启动时间过长，先启动的电解槽达到适宜温度后，通过冷却水带走了热量，未得到充分利用。
本实施例通过优化碱液循环的拓扑设计，并通过阀的控制实现碱液流量控制，实现电解槽机组的快速启动，减少开机累加时长和开机总能耗。
该电解槽采用恒压启动方式，相关曲线如图7所示：
其中各点分别代表不同的启动后状态
1：达到最低的稳定运行负荷。
2：达到氢气进入纯化的条件。
3：温度到达适宜温度，电流可施加到最大。
4：温度到达最优温度，电压最小。
该槽的可施加电流受到当前电堆温度的限制，若施加电流超过推荐值可能造成局部产热过大，对关键部件造成损坏。当温度大于65℃后，电流为2000A，如图8所示，散点为厂家测试点，通过5次多项式拟合曲线用于查找其他温度点的推荐电流值。
从中可以看出电解槽的阻抗与温度关系密切，因此导致温度和电压有明确的对应关系，如图9所示，散点为厂家测试点，通过3次多项式拟合曲线用于查找其他温度点的电压值，当温度小于65℃之前，电压为510V，通过查找温度下的电压和电流，相乘可得到当前电解槽的功率边界。
该电解槽为分立式循环方式，因此采用两套混合器，即图2所示。
根据实施例一中的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，具体为：如图10为电解槽在启动方式下的温升曲线，作为首台被启动时因需要加热混合器中碱液，温度升高速度减缓，比独立循环时完全启动时间更长。
根据图1的主要步骤，调整各阀门开度、电解槽功率和碱液循环速度，实现温度的合理变化，为后续槽提前热机，以在需要各槽需要出力的时候能快速增加功率，本次启动的温度如图11所示。
各槽的功率如图12所示，对其说明如下：
1、A点之前：槽a冷启动，充分利用光伏，直至分离器出口温度50℃。
2、A点：槽b为氢气保压状态，可直接接入混合器。槽a继续升高功率。
3、B点：槽b温度升高至33.5℃的时候，槽a电堆温度56.3℃，对应的功率为794.3kW，不能完全消纳光伏。于是，此时槽b进入热启动，与槽a共同消纳光伏，共同给混合器加热。槽a超过65℃后电流已经加到最大值，继续升温至75.3℃，混合器加热至63.9℃。
4、C点：槽b为61.9℃的时候，槽c接入混合器，槽b很快也到达电流最大值。
5、D点：槽a和槽b无法追踪光伏，槽c热启动。
6、a点：槽a已经到达最高温度，可快速帮助槽a和槽b升温。
7、E点：三台槽当前累积功率限制到达顶峰，后续以最大功率运行。在此过程中，因温度升高至最优温度，阻抗降低，电压下降，功耗有所降低。
b、c点：槽b和槽c陆续升温至最优温度，关闭阀门，进入单台碱液自循环状态，接入冷却水循环进行温度维持。
对比传统的独立启动方案，机组完全启动(达到90℃适宜温度)的总耗能对比如图13所示，累积启动时间如图14所示。
本方案减少能耗的同时，减少了累加的启动时间，可充分利用清晨日出阶段缓慢的光伏功率，为第一台电解槽启动的同时，为后启动的电解槽储备了热量，帮助后续电解槽启动时能跟随光伏功率的快速爬坡。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (16)
1.一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据单台电解槽碱液循环方式，设计多台套的碱液混合拓扑方式；
S2、确定槽组一的分流阀和汇流阀开度，关闭其他槽的全部阀，正常启动第一组电解槽至预设状态；
S3、启动槽组一的过程中，判断槽组二是否与槽组一预设状态下的运行压力之差不超过并执行槽组二的接入前操作；
S4、打开槽组二的分流阀和汇流阀，并控制流量，利用混合器中的热碱液为第二组电解槽加热碱液，直至预设温度；
S5、依据工况需求对槽组二进行操作；
S6、重复步骤S 3到步骤S5，对后续电解槽实施加热、启动或保温操作；
S7、根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作。
2.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S1所述单台电解槽包括：电堆、氢分离器、氧分离器，以及循环的碱液管道、泵、冷却换热器。
3.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S1所述碱液混合拓扑方式包括：
若单台电解槽碱液循环方式为分立式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置两套碱液混合系统，分别实现氢侧碱液和氧侧碱液的混合；
若单台电解槽碱液循环方式为混合式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置一套碱液混合系统；
所述碱液混合系统包括：多个分流阀、汇流阀、管道、混合器；所述混合器中充满碱液，混合器容积根据机组接入槽数量和碱液循环量进行设计。
4.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S2所述槽组一指机组中第一台启动电解槽或第一组启动的多台电解槽；
所述正常启动第一组电解槽至预设状态中槽组一正常启动的判断标准根据工况需求变化。
5.根据权利要求4所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：槽组一正常启动的判断标准包括以下判断标准中的至少一条：电解槽达到最低稳定运行负荷、电解槽气体出口纯度达到进入纯化的标准、电解槽温度达到最低适宜温度、电解槽达到额定产气量、电解槽达到最高额定功率、电解槽温度达到最优温度。
6.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S3中的根据实际工程进行优化调整。
7.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S3所述槽组二的接入前操作包括：
若槽组二处于保压状态，且与槽组一的压力差不超过则不执行任何操作；
若槽组二未处于保压状态，则主动向槽组二中充入纯氢、纯氧使得槽组二的压力升高至所需范围；或者启动槽组二以及排空出口，待槽组二输出的氧气中的氢气浓度低于安全阈值后，关闭排空出口并接入气液分离器，使得槽组二稳定产生氢气和氧气直至压力上升至所需范围。
8.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：进行步骤S4的过程中槽组一根据运行工况需求继续升功率或保持功率，但不可因槽组二碱液带走热量导致槽组一温度低于接入前状态。
9.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：对于槽组二加入导致槽组一的温度变化采用以下方法判断：
假设同一槽组内多个电解槽规格、运行状态均相同，可用单个电解槽的状态反映槽组的整体状态；
对单个电解槽，其电堆温度Tstack的变化通过式(1)进行计算：
式(1)中qstack,gen为电解水反应中除去热中和反应外额外产生的热量，通过式(2)计算得到：
qstack,gen＝(Ustack-Uthe)I (2)
式(2)中Ustack为电堆电压、I为电堆电流，Ustack和I测量得到，Uthe为热中和电压，一般取1.48V；
式(1)中qstack,dissip为电堆散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度Tamb的热阻，通过式(3)得到：
qstack,dissip＝(Tstack-Tamb)/Rstack (3)
式(3)中Tstack为进入分离器的碱液温度，Rstack为电堆热阻，Tstack测量得到，Rstack由设备信息得到，Tamb测量得到；
式(1)中qlye,heat为循环过电堆的电解液加热所需的热量，通过式(4)得到：
式(4)中为碱液质量流量，由设备信息得到适宜的循环速度区间；Tlye,in为电堆进口碱液的温度；clye为碱液比热容，查询碱液信息得到；
式(1)中Cstack为电堆碱液热容，查询碱液信息得到。
10.根据权利要求9所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：式(4)中电堆进口碱液的温度Tlye,in通过式(5)得到：
式(5)中：
进入的混合电解液热量qlye,con通过式(6)得到：
式(5)中的流出的混合电解液热量qex受循环冷却水的流量、换热器设计参数以及与被冷却介质状态影响，根据工程现场相关参数查表获得；
式(6)中的混合碱液温度Tcon由内循环液体和混合器出口液体混合所得。
11.根据权利要求10所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：假设分离器出口碱液到汇流阀段不产生热损失，Tsep作为汇流阀内循环液体温度，则混合碱液温度Tcon通过式(7)得到：
式(7)中是流入混合器的碱液流量，是沿内循环管道的碱液流量，从混合器回流后汇合的碱液流量保持相同，以保证电解槽内的内循环碱液总量不变，因此：
式(8)和式(9)中的k为分流阀的开度：
当碱液循环方式为分立式时候，θ为0到1的数，根据独立运行在氢侧和氧侧的碱液量比例确定；
当为混合式循环方式，θ为1，无氢侧和氧侧的区分；
式(7)中Tmix为混合器中流出碱液的温度，通过式(10)得到：
式(10)中qmix,in为汇入混合器的各槽碱液带进来的热量，通过式(11)得到：
式(10)中qmix,dissip为混合器散热，通过式(12)得到：
qmix,dissip＝(Tmix-Tamb)/Rmix (12)
式(10)中qmix,out为流出混合器的各槽碱液带走的热量，通过式(13)得到：
式(10)中Cmix为混合器中碱液的热容，Rmix为混合器热阻；Cmix通过查询碱液信息得到，Rmix由设备信息得到；
式(7)中Tsep为分离器出口碱液温度，通过式(14)得到：
式(14)中qsep,in为进入分离器的碱液带入的热量，假设电堆出口至分离器管道不散热，则qsep,in通过式(15)得到；
式(14)中qspe,dissip为分离器散热，包括热传导和热辐射，通过式(16)得到：
qdep,dissip＝(Tsep-Tamb)/Rsep (16)
式(14)中qlye,out为离开分离器的碱液带走的热量，通过式(17)得到：
式(14)中qgas,out为离开分离器的气体带走的热量，通过式(18)得到：
其中，为H2的质量流量,为O2的质量流量；
式(18)中和根据电流和法拉第定律计算得到；
式(14)中qwater,heat为加热补充进来的纯水所需的热量，通过式(19)得到：
式(19)中为补水的质量流量,cwater为补水的比热容，Twater为补水的温度；
式(14)中Csep为汇流阀内循环液体的热容，查询液体信息得到；
式(16)中Rsep为汇流阀热阻，查询设备信息得到。
12.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S5所述依据工况需求对槽组二进行操作的方法包括：
若步骤S3已经启动槽组二，则继续提升槽组二的功率至额定功率；
若槽组二未启动，则启动槽组二；控制槽组二启动时的初始电流不高于当前温度限制下的电流，或者先加热槽组二至预设温度后再启动槽组二；
若槽组二无需启动，则加热槽组二至预设温度后调整阀开度对槽组二进行保温。
13.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S6所述对后续电解槽实施加热、启动或保温操作的方法包括：通过调整各阀门开度、电解槽功率和碱液循环速度，实现温度的合理变化，为后续槽提前热机。
14.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法包括：
已启动电解槽根据需求自行调整运行功率，运行期间所施加的电流受温度限制，并通过调整碱液循环速度、冷却水循环速度，保证电堆温度不超过最高工作温度。
15.根据权利要求14所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：当已启动电解槽达到最高温度，但后续电解槽还有预测需求时，优先通过加快碱液循环速度、增大分流阀开度，使用混合器内碱液的方式对已启动电解槽进行降温；
若超过调整上限仍超过已启动电解槽的最高工作温度，则启用该电解槽的冷却水循环系统，实现外部冷却。
16.根据权利要求1所述的启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，其特征在于：步骤S7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法还包括：
对已启动电解槽根据需求实施停机操作，同时根据后续需求控制碱液循环方式：
若需彻底停止，则关闭对应分流阀，断开与混合器的连接；
若需进入热备状态，则调整碱液循环速度、分流阀开度，以最小流量保持电堆温度在预设温度区间。
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