變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)及其控制方法

本發(fā)明涉及電解海水制氫，具體涉及一種變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)及其控制方法，特別適用于在深遠(yuǎn)海海上風(fēng)光發(fā)電場的制氫設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源危機(jī)的日益嚴(yán)重和環(huán)保意識的提高，海上可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)作為一種清潔、可再生的能源，正受到越來越多的關(guān)注。然而，在海上可再生能源供電的制氫場合中，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)卻面臨著諸多挑戰(zhàn)，限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、首先，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)對電解原料水的要求極高，通常需要使用超純水作為電解原料。然而，將海水處理為超純水的成本高昂，不僅需要大量的化學(xué)藥劑和能源消耗，還需要配備相應(yīng)的水處理設(shè)備和設(shè)施。這不僅增加了制氫成本，而且處理過程中產(chǎn)生的廢棄物還可能對環(huán)境造成污染。此外，處理設(shè)備占地面積大，會占用寶貴的海上平臺土地資源，進(jìn)一步限制了其在海上可再生能源供電的制氫場合的應(yīng)用。

3、其次，海上可再生能源的發(fā)電功率具有較大的波動性。這種波動性要求制氫系統(tǒng)必須具備較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，以便根據(jù)發(fā)電功率的變化及時調(diào)整制氫過程。然而，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)往往通過提高設(shè)備部件的性能來提升對功率波動的適應(yīng)性，這種方法雖然能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但無法從根本上解決系統(tǒng)對功率波動適應(yīng)性差的問題。同時，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)的系統(tǒng)控制邏輯通常只能維持系統(tǒng)穩(wěn)定工況運(yùn)行，而無法根據(jù)載荷工況的波動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，這進(jìn)一步限制了其在海上可再生能源供電的制氫場合的應(yīng)用。

4、此外，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)的控制回路中缺乏運(yùn)算公式的支持。這導(dǎo)致系統(tǒng)對于控制參數(shù)的選擇無法做到精確自動控制，更多地依賴于人工干預(yù)和經(jīng)驗判斷。在海上可再生供電的制氫場合中，由于環(huán)境惡劣、人員稀少等因素的限制，這種依賴人工的控制方式不僅效率低下，而且存在安全隱患，并不不適應(yīng)于海上可再生供電的制氫場合的無人或少人環(huán)境。

5、因此，常規(guī)堿水制氫系統(tǒng)在海上可再生能源供電的制氫場合中存在諸多不足，限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這些問題，需要開發(fā)一種新型的制氫系統(tǒng)及其控制方法，以適應(yīng)海上可再生能源供電的制氫場合的特點和需求。

6、為了解決以上問題，提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過。

2、針對以上問題，本發(fā)明提出了采用的余熱回收裝置作為電解原料水來源的電解海水制氫系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)，提出了針對海上可再生能源發(fā)電功率波動時，系統(tǒng)控制邏輯動態(tài)變化的系統(tǒng)控制方法，并協(xié)調(diào)考慮系統(tǒng)各部件參數(shù)的關(guān)系，在控制方法中加入系統(tǒng)控制參數(shù)運(yùn)算函數(shù)；使得所提出的變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)及其控制方法可以實現(xiàn)低成本、低能耗、占地面積小，適應(yīng)功率波動范圍大，控制參數(shù)計算精確，控制參數(shù)選擇自動化的有益效果。

3、在海上風(fēng)光電波動情況下，本發(fā)明系統(tǒng)能夠很好的適應(yīng)其寬功率變載荷，通過調(diào)節(jié)余熱回收裝置真空度、氣液分離器液位差、系統(tǒng)壓力、冷卻水流量、氣液兩相管道閥門開度、堿液流量，來維持系統(tǒng)在寬功率波動下穩(wěn)定運(yùn)行、穩(wěn)定產(chǎn)品氣的純度、維持系統(tǒng)在寬功率波動下的能耗穩(wěn)定。

4、本發(fā)明主要為了解決在變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行以及系統(tǒng)中氧中氫含量高的問題，在低負(fù)載情況下電流密度下降，產(chǎn)生的氣體量減少，壓力不變的情況下，氣體純度下降。在高負(fù)載情況下電流密度上升，熱功率上升，氣液兩相口溫度上升，高溫會使有機(jī)隔膜在堿性介質(zhì)中的滲出風(fēng)險增加，這會對電解槽的整體壽命產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)余熱回收裝置真空度、液位差、壓力、冷卻水流量、氣液兩相管道閥門開度、堿液流量來維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品氣的純度。

5、本發(fā)明公開一種變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)及其控制方法，主要包括電解槽、分離器、余熱回收裝置、堿液換熱器、差壓變送器、堿液循環(huán)泵、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、流量計、溫度變送器、手動球閥。本發(fā)明在前端向電解槽的供電功率波動的情況下，通過同步調(diào)節(jié)電極電流密度來改變電解槽的工作功率，通過動態(tài)調(diào)節(jié)余熱回收真空度、氫氧分離器液位差、系統(tǒng)工作壓力、冷卻水流量、電解液流量、氫氧小室壓降差，并在控制邏輯中加入運(yùn)算函數(shù)，以此精確的計算出控制參數(shù)的理論值，達(dá)到保證電解槽功率波動時，制氫系統(tǒng)的的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品氣質(zhì)量的有益效果。

6、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方法是：

7、本發(fā)明第一方面提供一種變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)，所述的電解海水制氫系統(tǒng)包括：電解槽1、第一電解液溫度計2、第二電解液溫度計3、氧氣液分離器4、氫氣液分離器5、氧分離器液位計6、氫分離器液位計7、電解液循環(huán)泵8、余熱回收裝置9、余熱回收氣壓表10、余熱回收氣壓調(diào)節(jié)閥11、電解液換熱器12、第三電解液溫度計13、冷卻水調(diào)節(jié)閥14、電解液流量計15、氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17、制氫系統(tǒng)壓力表18、第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19、第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20、氧側(cè)手動球閥21、氫側(cè)手動球閥22；

8、外部電源向電解槽1輸入額定電流和電壓，使得電解槽1在額定電流密度下工作，電解電解液產(chǎn)生氫氣和氧氣，并對電解液進(jìn)行加熱；

9、電解后氧氣跟隨電解液以氣液兩相流的形式進(jìn)入氧氣液分離器4進(jìn)行氣液分離，電解槽1與氧氣液分離器4之間的管路上設(shè)有第一電解液溫度計2，用于檢測氧側(cè)電解槽出口氣液兩相流溫度，設(shè)有氧側(cè)手動球閥21控制氧側(cè)氣液兩相到氧氣液分離器4開度；經(jīng)3氧氣液分離器分離出的氧氣向外排空，氧氣排空管路上設(shè)有氧中氫測量儀16監(jiān)控氧氣純度，設(shè)有制氫系統(tǒng)壓力表18檢測制氫系統(tǒng)運(yùn)行壓力，設(shè)有第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19調(diào)節(jié)氧氣的放空速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)制氫系統(tǒng)壓力；氧氣液分離器4中設(shè)有氧分離器液位計6檢測氧分離器液位計6中的液位高度；

10、電解后氫氣跟隨電解液以氣液兩相流的形式進(jìn)入氫氣液分離器5進(jìn)行氣液分離，電解槽1與氫氣液分離器5之間的管路上設(shè)有第二電解液溫度計3，用于檢測氫側(cè)電解槽出口氣液兩相流溫度，設(shè)有氫側(cè)手動球閥22控制氫側(cè)氣液兩相到氫氣液分離器5開度；經(jīng)氫氣液分離器5分離出的氫氣向外輸送，氫氣出口管路上設(shè)有氫中氧測量儀17監(jiān)控氫氣純度，設(shè)有第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20調(diào)節(jié)氫氣的外排速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)氧氣液分離器4、氫氣液分離器5中的壓力差；氫氣液分離器5中設(shè)有氫分離器液位計7檢測氫氣液分離器5中的液位高度；

11、氧分離器液位計6與氫分離器液位計7中的液位差即反應(yīng)出氧氣液分離器4、氫氣液分離器5中的壓力差；經(jīng)氫氣液分離器5、氧氣液分離器4分離后的電解液經(jīng)過聯(lián)通管混合后由電解液循環(huán)泵8以額定流量泵出，所泵出電解液依次經(jīng)過余熱回收裝置9、電解液換熱器12后回到電解槽1中進(jìn)行電解。

12、優(yōu)選地，電解液換熱器12與電解槽1的聯(lián)通管路上設(shè)有第三電解液溫度計13檢測冷卻后的電解液溫度，設(shè)有電解液流量計15檢測電解液流量。

13、優(yōu)選地，電解液換熱器12設(shè)有冷卻水進(jìn)出管路，對電解液進(jìn)行冷卻，同時冷卻水進(jìn)口管路上設(shè)有冷卻水調(diào)節(jié)閥14調(diào)節(jié)冷卻水流量。

14、本發(fā)明第二方面提供一種本發(fā)明第一方面所述的變載荷工況下電解海水制氫系統(tǒng)的控制方法，經(jīng)過氫氣液分離器5、氧氣液分離器4分離后的熱電解液進(jìn)入余熱回收裝置9，與外部海水進(jìn)行換熱，換熱蒸騰產(chǎn)生熱蒸汽，經(jīng)過外部冷卻水冷凝產(chǎn)生低濃度鹽水進(jìn)入所述電解海水制氫系統(tǒng)原料水箱備用；余熱回收裝置9通過外部真空發(fā)生裝置產(chǎn)生真空，以真空度大小調(diào)節(jié)外部海水在余熱回收裝置9中的蒸騰溫度，進(jìn)而控制余熱回收裝置9與熱電解液之間的換熱功率。

15、優(yōu)選地，當(dāng)外部向電解槽1的供電功率變化的的情況下，電解槽1的發(fā)熱功率隨之變化，通過連鎖控制與外部真空發(fā)生裝置連接的余熱回收氣壓表10、余熱回收氣壓調(diào)節(jié)閥11，控制余熱回收裝置9中的真空度，實現(xiàn)余熱回收裝置9與熱電解液之間的換熱功率隨電解槽1的發(fā)熱功率變化的動態(tài)調(diào)節(jié)，同時，控制外部海水進(jìn)口溫度和流量恒定；

16、其調(diào)節(jié)邏輯如下：

17、s1，供電功率變化；

18、s2，電解槽1發(fā)熱功率變化；

19、s3，計算余熱回收裝置9所需理論海水蒸騰溫度:電解槽發(fā)熱功率-(海水蒸騰溫度-海水進(jìn)口溫度)*海水比熱容*海水流量+電解液換熱器換熱功率12；

20、s4，查表獲取海水蒸騰溫度對應(yīng)的真空度；

21、s5，判定：余熱回收氣壓表10是否等于海水蒸騰溫度對應(yīng)的真空度？如果是，則海水蒸騰對應(yīng)的真空度不變；如果不是，則余熱回收氣壓調(diào)節(jié)閥11開度變化，然后再進(jìn)行此步判定，直至結(jié)果為是，進(jìn)行下一步驟；

22、s6，達(dá)到海水蒸騰溫度目標(biāo)值；

23、s7，余熱回收裝置9換熱功率變化且與電解槽1發(fā)熱功率匹配。

24、優(yōu)選地，由于余熱回收裝置9可能存在的換熱誤差，為保證換熱功率穩(wěn)定，即電解槽1入口堿液控制溫度和系統(tǒng)目標(biāo)控制溫度的穩(wěn)定，在余熱回收裝置9與電解槽1之間設(shè)置電解液換熱器12進(jìn)行二次換熱，電解槽1發(fā)熱功率等于電解液換熱器12換熱功率加余熱回收裝置9的換熱功率；當(dāng)外部向電解槽1的供電功率變化的的情況下，電解槽1的發(fā)熱功率隨之變化，電解槽出口溫度計是示數(shù)的平均溫度作為系統(tǒng)目標(biāo)控制溫度即第一電解液溫度計2、第二電解液溫度計3示數(shù)之和除以二，以電解槽入口溫度計示數(shù)即第三電解液溫度計13的示數(shù)作為電解槽入口堿液溫度，通過電解槽1發(fā)熱功率和系統(tǒng)目標(biāo)控制溫度計算電解槽1入口堿液控制溫度，當(dāng)電解槽入口堿液控制溫度高于電解槽入口溫度計示數(shù)時，冷卻水調(diào)節(jié)閥14開度增加，當(dāng)入口堿液控制溫度低于溫度計的時，冷卻水調(diào)節(jié)閥14開度減小，從而實現(xiàn)電解液換熱器12與熱電解液之間的換熱功率隨電解槽1的發(fā)熱功率變化的動態(tài)調(diào)節(jié)，同時，控制外部冷卻水進(jìn)出口溫度、電解液流量以及余熱回收裝置9換熱量恒定；

25、其調(diào)節(jié)邏輯如下：

26、s1，供電功率變化；

27、s2，電解槽1發(fā)熱功率變化；

28、s3，計算電解槽1入口堿液控制溫度:電解槽發(fā)熱功率＝余熱回收換熱量+(冷卻水進(jìn)出口溫度差*冷卻水比熱容*冷卻水流量＝(系統(tǒng)目標(biāo)控制溫度-電解槽入口堿液溫度)*堿液比熱容*堿|液流量)＝發(fā)熱電壓*額定功率/工作電壓；

29、s4，第一電解液溫度計2、第二電解液溫度計3、第三電解液溫度計13獲取溫度；

30、s5，判定：電解槽入口堿液控制溫度-第三電解液溫度計13溫度是否大于零，如果是則冷卻水調(diào)節(jié)閥14開度增大；如果不是，則冷卻水調(diào)節(jié)閥14開度減?。?/p>

31、s6，電解液換熱器換熱功率12變化且與電解槽1發(fā)熱功率匹配。

32、優(yōu)選地，當(dāng)外部向電解槽1的供電功率下降的的情況下，電解槽1的電流密度隨之下降，此時氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17的數(shù)值都會隨之上升，因氧中氫數(shù)值變化更大所以以氧中氫作為控制點，通過連鎖控制與壓力控制裝置連接的第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19增加開度，進(jìn)而增大氣體排出速度，降低系統(tǒng)壓力，來減少氧中氫上升的趨勢；當(dāng)外部向電解槽1的供電功率上升的的情況下，電解槽1的電流密度隨之上升，此時氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17的數(shù)值都會隨之下降，因氧中氫數(shù)值變化更大所以以氧中氫作為控制點，通過連鎖控制與壓力控制裝置連接的第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19減小開度，進(jìn)而減小氣體排出速度，直至恢復(fù)系統(tǒng)壓力；實現(xiàn)壓力和產(chǎn)品氣純度隨電解槽1的供電功率波動的動態(tài)調(diào)節(jié)；

33、供電功率下降調(diào)節(jié)邏輯如下：

34、s1，供電功率下降

35、s2，電解槽1電流密度下降

36、s3，氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17數(shù)值上升

37、s4，減小第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19開啟壓力

38、s5，判定:氧中氫測量儀16數(shù)值上升趨勢是否下降，如果是，則系統(tǒng)壓力下降且與電解槽1電流密度匹配，產(chǎn)品氣純度穩(wěn)定；如果不是，則返回步驟s4，直至判斷結(jié)果為是；

39、供電功率上升調(diào)節(jié)邏輯如下：

40、s1，供電功率上升；

41、s2，電解槽1電流密度上升；

42、s3，氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17數(shù)值下降；

43、s4，增大第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19開啟壓力；

44、s5，判定:第一氣動薄膜調(diào)節(jié)閥19開啟壓力是否等于額定系統(tǒng)壓力，如果是，則系統(tǒng)壓力上升且與電解槽1電流密度匹配，產(chǎn)品氣純度穩(wěn)定；如果不是，則返回步驟s4，直至判斷結(jié)果為是。

45、優(yōu)選地，當(dāng)外部向電解槽1的供電功率下降的的情況下，電解槽1的電流密度隨之下降，此時氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17的數(shù)值都會隨之上升，因氧中氫數(shù)值變化更大所以以氧中氫作為控制點，通過連鎖控制與液位控制裝置連接的第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20，減小液位差響應(yīng)速度，來減少氧中氫上升的趨勢；當(dāng)外部向電解槽1的供電功率上升的的情況下，電解槽1的電流密度隨之上升，此時氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17的數(shù)值都會隨之下降，因氧中氫數(shù)值變化更大所以以氧中氫作為控制點，通過連鎖控制與液位控制裝置連接的第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20，增大液位差響應(yīng)速度，直至恢復(fù)系統(tǒng)額定響應(yīng)速度；實現(xiàn)液位差和產(chǎn)品氣純度隨電解槽1的供電功率波動的動態(tài)調(diào)節(jié)；

46、供電功率下降調(diào)節(jié)邏輯如下：

47、s1，供電功率下降；

48、s2，電解槽1電流密度下降；

49、s3，氧中氫測量儀16氫中氧測量儀17數(shù)值上升；

50、s4，降低第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20響應(yīng)速度，如果n(n>5)，則系統(tǒng)液位差響應(yīng)速度與電解槽1電流密度無關(guān)；如果n(n＜5)，則進(jìn)行下一步驟；

51、s5，判定:氧中氫測量儀16數(shù)值上升趨勢是否下降，如果是，則系統(tǒng)液位差響應(yīng)速度下降且與電解槽1電流密度匹配，產(chǎn)品氣純度穩(wěn)定；如果不是，則返回步驟s4，直至判斷結(jié)果為是。

52、供電功率上升調(diào)節(jié)邏輯如下：

53、s1，供電功率上升；

54、s2，電解槽1電流密度上升；

55、s3，氧中氫測量儀16氫中氧測量儀17數(shù)值下降；

56、s4，增大第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20響應(yīng)速度，如果n(n>5)，則系統(tǒng)液位差響應(yīng)速度與電解槽1電流密度無關(guān)；如果n(n＜5)，則進(jìn)行下一步驟；

57、s5，判定:(第二氣動薄膜調(diào)節(jié)閥20響應(yīng)速度是否等于額定響應(yīng)速度，如果是，則系統(tǒng)液位差響應(yīng)速度上升且與電解槽1電流密度匹配，產(chǎn)品氣純度穩(wěn)定；如果不是，則返回步驟s4，直至判斷結(jié)果為是。

58、優(yōu)選地，當(dāng)外部向電解槽1的供電功率下降的的情況下，電解槽1的電流密度隨之下降，此時氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17的數(shù)值都會隨之上升，通過調(diào)節(jié)氧側(cè)手動球閥21、氫側(cè)手動球閥22開度，從而調(diào)節(jié)氫氧兩側(cè)壓降差，氧中氫上升變化率大于氫中氧時，增加氧氣管路的壓力降，氧中氫上升趨勢小于氫中氧時，增加氫管路的壓力降；實現(xiàn)氫氧兩側(cè)壓降差和產(chǎn)品氣純度隨電解槽1的供電功率變化的動態(tài)調(diào)節(jié)，其中增大氧氣管路的壓力降會導(dǎo)致更多的氧氣向氫氣滲透，從而增大了氫中氧的變化速度，增大氫氣管路的壓力降同理；

59、其調(diào)節(jié)邏輯如下：

60、s1，供電功率下降；

61、s2，電解槽1電流密度下降；

62、s3，氧中氫測量儀16、氫中氧測量儀17數(shù)值上升；

63、s4，調(diào)節(jié)氧側(cè)手動球閥21、氫側(cè)手動球閥22開度；

64、s5，判定:氧中氫上升變化率是否大于氫中氧，如果是，則增加氧氣管路的壓力降；如果不是，則增加氫氣管路的壓力降；

65、s6，氫氧兩側(cè)壓降差變化且與電解槽1電流密度匹配，產(chǎn)品氣純度穩(wěn)定。

66、優(yōu)選地，當(dāng)外部向電解槽1的供電功率增大的情況下，電解槽1的電流密度隨之增大，電解槽1的能耗也就隨之增大，進(jìn)而第一電解液溫度計2、第二電解液溫度計3數(shù)值隨之增加，通過計算調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)控制流量，來連鎖控制調(diào)節(jié)電解液循環(huán)泵8的流量，以減少電解槽進(jìn)出口堿液溫度差，進(jìn)而減少電解槽能耗上升趨勢；當(dāng)電流密度減少致額定電流密度時，電解槽能耗降低，泵的流量恢復(fù)至額定流量即可；

67、供電功率增大調(diào)節(jié)邏輯如下：

68、s1，供電功率增大；

69、s2，電解槽1電流密度增加；

70、s3，電解槽1能耗增加；

71、s4，計算電解槽1目標(biāo)控制流里:電解槽發(fā)熱功率＝余熱回收換熱量+(冷卻水進(jìn)出口溫度差*冷卻水比熱容*冷卻水流量＝(系統(tǒng)目標(biāo)控制溫度-電解槽入口堿液溫度)*堿液比熱容*堿液流量)；

72、s5，第一電解液溫度計2、第二電解液溫度計3、第三電解液溫度計13獲取溫度；

73、s6，堿液流量小于系統(tǒng)目標(biāo)控制流量；

74、s7，電解液循環(huán)泵8調(diào)節(jié)堿液流重增大；

75、s8，電解槽進(jìn)出口堿夜溫差減小；

76、s9，電解槽能耗上升趨勢減??；

77、供電功率減小調(diào)節(jié)邏輯如下：

78、s1，供電功率減??；

79、s2，電解槽1電流密度減小至額定值；

80、s3，電解槽1能耗減??；

81、s4，電解液循環(huán)泵8調(diào)節(jié)堿液流量恢復(fù)至額定值。

82、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是采用一種控制方法，利用現(xiàn)有設(shè)備，在不增加設(shè)備成本的情況下即保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又能夠保證產(chǎn)品氣的質(zhì)量。

83、本發(fā)明在前端向電解槽的供電功率波動的情況下，通過同步調(diào)節(jié)電極電流密度來改變電解槽的工作功率，通過動態(tài)調(diào)節(jié)余熱回收真空度、氫氧分離器液位差、系統(tǒng)工作壓力、冷卻水流量、電解液流量、氫氧小室壓降差，并在控制邏輯中加入運(yùn)算函數(shù)，以此精確的計算出控制參數(shù)的理論值，達(dá)到保證電解槽功率波動時，制氫系統(tǒng)的的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品氣質(zhì)量的有益效果。