一种制氢的系统及其控制方法

本发明涉及制备氢能源，尤其涉及一种制氢的系统及其控制方法。

背景技术：

1、

2、氢气作为一种清洁高效的能源，是新型能源技术发展的热门方向之一。氢气和氧气在催化剂作用下发生的电化学反应能够放出大量热，而且反应产物只有水，因此使用氢能源能够从根本上避免了二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害物质的产生及排放，与传统的燃油动力船相比，具有无污染、低噪音等优势。

3、传统的制氢系统存在如下问题：1、传统制氢的原理是利用电能电解液态水得到氢气和氧气，但是在该电能是需要消耗天然气、石油等不可再生资源得到的，不仅加速消耗传统能源资源，而且还会得到二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害副产品，还是存在对环境消极的影响；2、传统的制氢设备无法做到对成本和产出收益进行动态监测和管理，无法根据实时不同的情况调整投入和控制产出量，企业运行情况具有一定的运气成分，这不利于推广制氢产业，就更不利于推广后续的使用氢气的产业了。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种利用生物质和超临界水获得氢氢气、且能够动态计算和控制制氢方案的系统。

2、技术方案：本发明所述的一种制氢的系统，包括用于制备氢气的超临界水制备装置、用于把氢气和碳氧化物分离的碳氢分离装置、用于储存氢气的储氢装置和用于储存碳氧化物的储碳装置，所述超临界水制备装置内的环境呈超临界状态，所述超临界状态为温度t>374.3℃且压强p>22.05mpa，超临界水制备装置设置用于生物质进入的进料口和用于水进入的进水口，生物质在超临界的环境下燃烧产生一氧化碳（co）和二氧化碳（co2），c0+h20→co2+h2；所述碳氢分离装置内氢气呈液态且碳氧化物呈气态，碳氢分离装置的进口与超临界水制备装置的出口相通，碳氢分离装置的两个出口分别与储氢装置及储碳装置相通。所述碳氢分离装置内在标准大气压下的温度为-252.8℃～-191.5℃；或者在室温下的压强为1.313mpa～3.5mpa，在这种低温高压的环境下，氢气呈液态且碳氧化物呈气态，利于碳氢分离装置进行气液分离。

3、进一步地，还包括储热装置，所述碳氢分离装置的放热口与所述储热装置相通，储热装置的出口与超临界水制备装置相通。超临界水制备装置中的环境是高温高压，因此其产出的氢气和碳氧化物的混合物也是高温高压，碳氢分离装置内的环境为低温高压，因此氢气和碳氧化物的混合物在进入碳氢分离装置需要放热，且在碳氢分离装置中碳氧化物液化也会放出大量热，因此碳氢分离装置会放出大量热量。

4、进一步地，所述储热装置包括若干个储热单元，所述储热单元的的放热口与超临界水制备装置相通。

5、进一步地，所述储热装置包括利用收集的热量加热水成蒸汽的余热锅炉，所述余热锅炉的进口与碳氢分离装置的放热口相通，余热锅炉的出口既可以直接与储热单元相通，也可以与其他部件相通。余热锅炉把不利于保存的热量转化成相对容易保存能量的蒸汽。

6、进一步地，还包括利用蒸汽发电的汽轮机和换热器，所述余热锅炉的出口与汽轮机的进口相通，所述汽轮机的出电口与储电单元相通，汽轮机的放热口与换热器的进口相通，所述换热器的出口与储热单元的进口相通。储电单元用于储存电量，储存的电量既可以给本系统使用，也可以把富余的电卖出，比如卖给国网。

7、进一步地，还包括辅助制氢装置，所述辅助制氢装置包括用于发电的光伏发电组、用于发电的风力发电组和用于电解水获得氢气的电解设备，所述电解设备里设置液态水，所述光伏发电组和风力发电组的出电电路中的一路与电解设备中的电极连接，光伏发电组和风力发电组的出电电路中的另一路与储电单元相通。

8、进一步地，还包括氢燃料电池组，所述储氢装置的出口与氢燃料电池组的进口相通，所述氢燃料电池组的放热口与余热锅炉相通，氢燃料电池组的出电口与所述储电单元相通。

9、进一步地，还包括用于制备甲烷的制甲烷装置和储存甲烷的储存甲烷装置，所述储氢装置的出口及储碳装置的出口分别与所述制甲烷装置的进口相通，制甲烷装置的出口与所述储存甲烷装置的进口相通。

10、进一步地，还包括用于监测所有设备产能的监测单元和控制单元，所述超临界水制备装置、碳氢分离装置、储氢装置、储碳装置、储热装置汽轮机、换热器、储电单元、辅助制氢装置、氢燃料电池组、制甲烷装置和储存甲烷装置上各自安装有用于监测各项数据的监测装置和用于控制产量的控制装置，所有所述监测装置与监测单元通过有线或者无线的方式连接，所述控制单元内置控制算法，所有所述控制装置与控制单元通过有线或者无线的方式连接。

11、一种制氢系统的控制方法，按照如下公式对系统建立计算模型并加以控制：（1），其中为第m月的成本，为第m月的收益，计算模型是为了寻找在收益最大的前提下成本最小的情况；

12、（2），其中为第m月的生物质使用成本，为第m月的购电成本，如果第m月系统产的电能不能完全满足本系统的使用，就需要额外向外部（比如国家电网）购电；

13、（3），其中为第m月的卖电量，α为第m月当月卖电的单价，为第m月售卖天然气的量，β为第m月当月售卖天然气的单价，为第m月售卖氢气的量，γ为第m月当月售卖氢气的单价，

14、将公式（2）、公式（3）代入公式（1）后，得到如下公式以对建立计算模型并加以控制：。

15、进一步地，利用蛇优化算法对计算模型进行优化，其步骤如下：

16、步骤1：数据初始化，将所有参数输入计算模型，生成若干条对应的蛇（一条蛇就是一组参数所对应的情况），并设置计算模型中上下限、计算模型维度、最大迭代次数，按如下公式对蛇种群进行初始化：，其中xi为第i个蛇的位置，rand是[0,1]范围内的随机数，和分别是求解问题的上下边界即上下限；

17、步骤2：将蛇种群中随机的50%的蛇分入雌性组，将蛇种群中随机的50%的蛇分入雄性组，按如下分组公式进行分组：，，其中n为蛇种群的总数量，n实际上是个矩阵；nboy为雄性的数量；ngirl为雌性的数量；

18、步骤3：评估每一组，按照公式设定温度和食物数量，寻找出每一组中最优个体，设置为最好的（即收益最大的）雄性和最好的（即收益最大的）雌性以及食物（食物是指蛇种群以外随机的情况）的位置，设定温度的公式为：，其中t为当前的迭代次数；t为最大的迭代次数，设定食物数量的公式为：，其中c1为任意一个常数，通常取0.5；

19、步骤4： 当q<0.25时，进入觅食阶段，蛇通过选择任何随机位置来搜索食物，并更新它们的位置，觅食阶段雄性位置公式如下：，其中为第t+1代迭代雄性的位置；为第t代迭代雄性随机选择的置; rand是[0,1]范围的随机数，为雄性寻找食物的能力，的计算公式如下：，其中为随机选择的雄性的位置的适应度值，为雄性位置的适应度值；c2为任意一个常数，通常取0.05，

20、觅食阶段雌性性位置公式如下：，其中为雌性位置；为随机选择的雌性的位置; rand是[0,1]范围内的随机数，为雌性寻找食物的能力，计算公式如下：，其中为随机选择的雌性位置的适应度值，为雌性位置的适应度值；

21、步骤5：当q>0.25且temp>0.6 时，处于热状态，蛇种群依然处于觅食阶段，蛇位置公式如下：，其中为蛇个体（雄性或雌性）的位置；为食物的最佳位置，rand是[0,1]范围的随机数，c3为任意一个常数，通常取2；

22、在当q>0.25且temp<0.6 时，蛇处于冷状态。蛇将处于战斗模式或交配模式，战斗模式中雄性位置的公式为：，其中为第i个雄性的位置；为雌蛇组中的最佳位置；rand是[0,1]范围的随机数，fboy为雄性战斗能力，

23、战斗模式中雄性位置的公式为：

24、，其中为第i个雌性的位置；为雄蛇组中的最佳位置；rand是[0,1]范围的随机数，fgirl为雄性战斗能力，

25、fboy的公式为：，fgirl的公式为：，其中为雌蛇组中的最佳位置的适应度值；为雄蛇组中的最佳位置的适应度值；fi为蛇个体的适应度值，

26、交配模式的公式为：，其中crossover函数为取平均函数，为雄蛇组中的最佳位置；为雌蛇组中的最佳位置；

27、交配产生的下一代蛇替换上一代中蛇种群中最差的蛇，防止好的蛇集中在雄性组或者雌性组，使雄性组或者雌性组陷入局部最优；

28、步骤6：判断是否满足最大迭代次数，若满足，则输出最优解，否则，返回步骤3重新迭代计算。

29、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、本发明主要依靠制备装置中的超临界水与生物质高温燃烧后得到一氧化碳进行反应，从而得到氢气，反应来源比较清洁，不需要使用到燃烧天然气、石油等不可再生资源得到的电来电解水，对环境更为友好；2、超临界水制备装置内的水呈超临界态，其密度、介电常数、黏度、扩散系数、导热率和溶解性都不同于普通水，超临界态的水与一氧化碳反应更充分，能够得到更多的氢气，且其反应速度快，环境友好，水耗低；3、辅助制氢装置中电解水的电，是来自光伏发电和风力发电，同样不需要使用到燃烧天然气、石油等不可再生资源得到的电，同样对环境更为友好；4、本系统通过动态监测和控制各个设备的产能，能够实时不同的情况调整投入和控制产出量，合理利用电负荷、热负荷、氢气等资源，以帮助企业在获得最大收益的前提下减少成本支出，帮助企业获得良好的运营情况况；5、本系统还能利用氢气和碳氧化物制造甲烷，既吸收了二氧化碳，也能增加企业收益。