一种耦合电解制氢能效控制系统及能效控制方法 |
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| 申请号 | CN202410050307.6 | 申请日 | 2024-01-12 | 公开(公告)号 | CN117888143A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 航天长征化学工程股份有限公司; | 发明人 | 林东杰; 殷雨田; 韩金昌; 刘金锋; 毛文睿; 甘晓雁; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 提供了一种耦合 电解 制氢能效控制系统及能效控制方法，其中一种耦合电解制氢能效控制系统，应用于多台电解制氢设备，所述电解制氢设备内设置有 电解槽 组，包括：若干设备内电解液循环系统和外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统上安装有换热器组，所述换热器组连接到外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统和外部热交换系统通过换热器组进行热交换。将纯 水 电 解水单元与点阵式 碱 性电解水单元的冷却 循环水 系统进行耦合，从而实现纯水电解槽和碱性电解槽的余热互相利用和相互热备，从而实现整体的 能量 综合利用和快速响应的目的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耦合电解制氢能效控制系统，应用于多台电解制氢设备，所述电解制氢设备内设置有电解槽组(1)，其特征在于，包括：若干设备内电解液循环系统和外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统上安装有换热器组(2)，所述换热器组(2)连接到外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统和外部热交换系统通过换热器组(2)进行热交换。 |
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| 说明书全文 | 一种耦合电解制氢能效控制系统及能效控制方法技术领域[0001] 本发明属于制氢技术领域，尤其涉及一种耦合电解制氢能效控制系统及能效控制方法。 背景技术[0002] 目前工业化制氢方法有多钟，包括天然气蒸汽重整制氢、甲醇重整制氢、水煤气制氢和水电解制氢，其中水电解制氢的原料水取之不尽且经过能源使用后的反应产物又是水，同时电解水的电能可利用风能、太阳能和核能这些环境友好型能源，因此水电解制氢具有良好的社会性和经济性。 [0003] 现有工艺虽然各有优点，但主要是通过对电解制氢系统的连接方式进行优化，从而达到使降低制氢系统运行成本和风险，压差调节阀更为灵敏准确的目的；或通过增加保温措施来减小系统能耗，方便碱性电解槽快速启动的目的。目前，还没有一种对多个纯水电解槽和碱性电解槽进行组合优化，从而实现能量综合利用、快速启动相应、宽操作弹性和低成本的制氢系统。 发明内容[0005] 本发明实施例采用的技术方案是一种耦合电解制氢能效控制系统，应用于多台电解制氢设备，所述电解制氢设备内设置有电解槽组，包括：若干设备内电解液循环系统和外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统上安装有换热器组，所述换热器组连接到外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统和外部热交换系统通过换热器组进行热交换。 [0007] 进一步的，所述换热介质管路并联有冷却装置，所述冷却装置串联有第一冷却阀门，所述第一冷却阀门控制换热介质管路中介质是否流经冷却装置。 [0008] 进一步的，所述换热介质管路上与冷却装置并联的管路上安装有第二冷却阀门，所述第二冷却阀门与第一冷却阀门配合用于控制流向冷却装置的流量。 [0009] 进一步的，所述换热介质管路上设置有调节管路，所述换热介质管路通过调节管路与设备内电解液循环系统的换热器组连接；所述调节管路包括进液管和出液管，所述进液管连接换热介质管路的出输出端和设备内电解液循环系统的换热器组的输入端，所述出液管连接换热介质管路的出输入端和设备内电解液循环系统的换热器组的输出端，所述进液管和/或出液管上安装有第一阀门。 [0010] 进一步的，至少有一个所述设备内电解液循环系统内的换热器组连接的出液管上连接有连通管，所述连通管连接到其他设备内电解液循环系统内换热器组连接的进液管上，所述连通管上安装有第二阀门。 [0011] 进一步的，所述设备内电解液循环系统还包括分离器，电解液流经分离器分离出气体，所述分离器的出气端连接气管，所述气管上并联有多个调节阀。 [0012] 进一步的，所述电解槽组包括多个电解槽，多个电解槽之间并联。 [0013] 进一步的，所述换热器组包括多个换热器，多个换热器之间并联。 [0014] 一种用于纯水电解槽和碱性电解槽联合制氢的能效控制方法，包括如下步骤： [0015] 以纯水电解槽和碱性电解槽分别构建一个设备内电解液循环系统，所述设备内电解液循环系统还包括第一循环泵和换热器组，所述第一循环泵使纯水电解槽/碱性电解槽中的电解液流经所在设备内电解液循环系统中的换热器组； [0016] 构建外部热交换系统，所述外部热交换系统包括换热介质管路，所述换热介质管路串联有第一循环泵，所述设备内电解液循环系统通过换热器组连接到外部热交换系统； [0017] 基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换。 [0018] 进一步的，所述基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换包括； [0019] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽同时开始工作时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组均串联到外部热交换系统； [0020] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽同时工作，且纯水电解槽和碱性电解槽中至少有一个电解液温度未达上限值时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组均并联到外部热交换系统。 [0021] 进一步的所述外部热交换系统中还设有冷却装置； [0022] 所述基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换包括； [0023] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽其中一个工作或同时工作，且工作中电解槽内的电解液温度达上限值时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组均并联/串到外部热交换系统，且所述外部热交换系统中换热介质流经冷却装置。 [0024] 与现有技术相比，本发明将纯水电解水单元与点阵式碱性电解水单元的冷却循环水系统进行耦合，从而实现纯水电解槽和碱性电解槽的余热互相利用和相互热备，从而实现整体的能量综合利用和快速响应的目的。同时可以实现利用一台或几台电解槽的余热对整个系统电解槽的加热和保温，从而使整个系统处在热备状态，实现对前端新能源电力波动的快速响应。 [0025] 应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本发明。 [0027] 在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。 [0028] 图1为本发明实施例的外部热交换系统示意图。 [0029] 图2为本发明实施例的设备内电解液循环系统示意图。 具体实施方式[0030] 为了使得本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0031] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。 [0032] 为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。 [0033] 参阅图1至2，本发明实施例提供了一种耦合电解制氢能效控制系统，应用于多台电解制氢设备，所述电解制氢设备内设置有电解槽组1，包括：若干设备内电解液循环系统和外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统上安装有换热器组2，所述换热器组2连接到外部热交换系统，所述设备内电解液循环系统和外部热交换系统通过换热器组2进行热交换。可将多台设备的冷却循环水系统进行耦合，如可将纯水电解水单元与点阵式碱性电解水单元的冷却循环水系统进行耦合，从而实现纯水电解槽和碱性电解槽的余热互相利用和相互热备，从而实现整体的能量综合利用和快速响应的目的。同时可以实现利用一台或几台设备的电解槽余热对整个系统电解槽的加热和保温，从而使整个系统处在热备状态，实现对前端新能源电力波动的快速响应。 [0034] 具体的外部热交换系统包括换热介质管路，所述换热介质管路与设备内电解液循环系统的换热器组2连接形成循环管路，所述换热介质管路上还串联有第一循环泵3。第一循环泵3泵送介质在循环管路中流动。 [0035] 考虑到实际使用过程中存在散热的需要，在换热介质管路并联有冷却装置4，所述冷却装置4串联有第一冷却阀门5，所述第一冷却阀门5控制换热介质管路中介质是否流经冷却装置4；可根据实际情况开关第一冷却阀门5，控制换热介质管路中介质是否流经冷却装置4。 [0036] 所述换热介质管路上与冷却装置4并联的管路上安装有第二冷却阀门6，所述第二冷却阀门6与第一冷却阀门5配合用于控制流向冷却装置4的流量。在需要换热介质管路中介质流经冷却装置4时，控制第二冷却阀门6即可调整流经冷却装置4的流量，间接的实现控制散热效率。 [0037] 应对于多设备接入外部热交换系统在换热介质管路上设置有调节管路，所述换热介质管路通过调节管路与设备内电解液循环系统的换热器组2连接；所述调节管路包括进液管7和出液管8，所述进液管7连接换热介质管路的出输出端和设备内电解液循环系统的换热器组2的输入端，所述出液管8连接换热介质管路的出输入端和设备内电解液循环系统的换热器组2的输出端，所述进液管7和/或出液管8上安装有第一阀门9。 [0038] 至少有一个所述设备内电解液循环系统内的换热器组2连接的出液管8上连接有连通管10，所述连通管10连接到其他设备内电解液循环系统内换热器组2连接的进液管7上，所述连通管10上安装有第二阀门11。在需要接入的设备换热器件以串联方式接入外部热交换系统时，使连通管10一端连接一个设备内电解液循环系统内的换热器组2的出液管8，连通管10另一端连接一个设备内电解液循环系统内的换热器组2的进液管7以使设备以串联方式接入外部热交换系统。 [0039] 设备内电解液循环系统与外部热交换系统导热介质隔离，通过换热器组2进行换热，其中设备内电解液循环系统还包括电解槽组1和第二循环泵12，所述换热器组2、电解槽组1和第二循环泵12构造为循环管路，所述第二循环泵12抽取电解槽组1中的电解液流经换热器组2并使其回流到电解槽组1内。 [0040] 所述设备内电解液循环系统还包括分离器13，电解液流经分离器13分离出气体，所述分离器13的出气端连接气管，所述气管上并联有多个调节阀14。 [0041] 所述电解槽组1包括多个电解槽，多个电解槽之间并联。 [0042] 所述换热器组2包括多个换热器，多个换热器之间并联。 [0043] 当设备间相互利于余热进行热备时，运行中的设备产生的热量经换热器组2由外部热交换系统传递到其他设备内电解液循环系统。实现利用运行中的设备给带运行设备升温，实现给其他设备的电解槽组进行热备。 [0044] 当满负荷需运行冷却装置4时，在外部热交换系统打开第一冷却阀门5启用冷却装置4(可采用冷却塔),逐步关小第二阀门11，最终外部热交换系统中换热介质满流量流经冷却装置4。 [0045] 反之需关闭冷却装置4时，逐步关小第一冷却阀门5，逐步开大第二阀门11，最终外部热交换系统中换热介质停止流经冷却装置4。 [0046] 本发明实施例还提供了一种用于纯水电解槽和碱性电解槽联合制氢的能效控制方法，其特征在于，包括如下步骤： [0047] 以纯水电解槽和碱性电解槽分别构建一个设备内电解液循环系统，所述设备内电解液循环系统还包括第一循环泵3和换热器组2，所述第一循环泵3使纯水电解槽/碱性电解槽中的电解液流经所在设备内电解液循环系统中的换热器组2； [0048] 构建外部热交换系统，所述外部热交换系统包括换热介质管路，所述换热介质管路串联有第一循环泵3，所述设备内电解液循环系统通过换热器组2连接到外部热交换系统； [0049] 基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换。 [0050] 所述基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换包括； [0051] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽同时开始工作时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组2均串联到外部热交换系统； [0052] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽同时工作，且纯水电解槽和碱性电解槽中至少有一个电解液温度未达上限值时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组2均并联到外部热交换系统。 [0053] 所述外部热交换系统中还设有冷却装置4； [0054] 所述基于制氢设备的运行状态控制各设备内电解液循环系统是否与外部热交换系统进行热交换包括； [0055] 当所述纯水电解槽和碱性电解槽其中一个工作或同时工作，且工作中电解槽内的电解液温度达上限值时，纯水电解槽和碱性电解槽所在的设备内电解液循环系统中的换热器组2均并联/串到外部热交换系统，且所述外部热交换系统中换热介质流经冷却装置4。 [0056] 以如下实施例为例： [0057] 两台100NM3/h的纯水电解槽组和四台500NM3/h的碱性电解槽组耦合，即两台纯水电解槽组的设备内电解液循环系统和四台碱性电解槽组的设备内电解液循环系统接入到外部热交换系统。 [0058] 以一天的光伏发电为例，首先启动工作一台纯水电解槽组，用该台纯水电解槽组的运行中产生的热量经换热器组2由外部热交换系统传递到其他设备内电解液循环系统。实现利用一台纯水电解槽组给整个系统升温，给其他设备的电解槽组进行热备。 [0059] 随后可逐步开启其他设备，逐步的使其他设备进入工作状态。 [0060] 当两台100NM3/h的纯水电解槽组运行满足自身温度维持要求后，优先使纯水电解槽组的设备内电解液循环系统加入到与外部热交换系统热交换，采用设备内电解液循环系统互利用余热，随着发电功率的增大，继续逐步开启碱性电解槽组，在开启电解槽的同时根据产气量的增加逐个打开调节阀14。 [0061] 当各电解槽组热量大于散热并且不需要相互保温和热备时，在外部热交换系统打开第一冷却阀门5启用冷却装置4(可采用冷却塔),逐步关小第二阀门11，最终外部热交换系统中换热介质满流量流经冷却装置4。存在一个电解槽组热量小于散热时，逐步关小第一冷却阀门5，逐步开大第二阀门11，最终外部热交换系统中换热介质停止流经冷却装置4。 [0062] 随着光伏发电功率的逐渐减小，逐台停机电解槽组，在关闭电解槽的同时根据产气量的减小逐个关闭调节阀14，利用运行的电解槽组给其余电解槽组供热保证热备。 [0063] 整个系统采用设备间相互利用余热进行热备。 [0064] 以上描述旨在是说明性的而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。而且上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。 |
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