一种制氢系统中电解槽的投切方法及投切控制系统装置与流程

1.本发明属于电解制氢技术领域，涉及一种制氢系统中电解槽的投切方法及投切控制系统装置。


背景技术：

2.风电、光伏等波动性可再生能源的随机性和波动性给电网稳定性和安全性带来了巨大的挑战。大规模可再生能源耦合电解制氢不仅可有效提升可再生能源发电系统的能源利用效率，而且还可有效解决绿色氢能产业“氢从哪里来”的难题。
3.现阶段主要有三种水电解制氢技术具备工业化应用前景，分别为碱性水电解(alk)、质子交换膜水电解(pem)和固体氧化物水电解(soe)，固体氧化物水电解(soe)目前尚处于实验验证阶段，alk和pem水电解制氢技术已经实现商业化。考虑到设备成本的问题，设备往大型化、集成化方案发展。
4.电解槽作为一种电气转换设备，是可再生能源电解水制氢技术的关键装备，当其用于平抑可再生能源波动时，需对可再生能源的不稳定性功率输出具有很强的适应性。碱性电解槽是当前唯一满足大规模工程应用的电解水制氢设备，具有技术成熟，成本低等优势，但传统的碱性电解水制氢系统波动工况下存在的动态调节性差、效率低、寿命短等不足。通过技术创新提升碱性电解水制氢系统波动工况下的适用性和已成可再生能源制氢技术关注的焦点和热点。
5.目前国内的alk单槽平均容量在1000nm3/h，pem单槽平均在50nm3/h。制氢系统除了电解槽单元，还需包含气体后处理单元、纯化单元和辅助单元。一般而言，目前的系统具备三种方案：独立气体处理和纯化、集中气体处理和纯化、集中纯化三种方案，三种方案有各自的应用市场。
6.在集中气体处理和纯化方案中，也即是多台电解槽产气之后经过一套后处理和纯化单元，需要考虑多台制氢槽投切的问题。在制氢系统运行时，若产氢量、制氢功率发生变化或制氢电源(连接在电解槽上，未在图上表示)、电解槽发生故障时，需要投入或者切出相应的电解槽(切断电解槽的阀门)。正常情况下，在电解槽切出时，需要关闭相应的阀门，以防止系统运行时对未运行的电解槽造成损害。但是在未运行电解槽启动时，由于未启动电解槽与系统压力存在压力差，若直接打开阀门，依然会对电解槽造成损害，而不打开阀门，原料水的回路不导通(通过氧侧形成回路)，无法进行产氢。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种制氢系统中电解槽的投切方法及投切控制系统装置，本发明提供了一种电解槽的投切策略，通过自适应的压力控制方法平滑切换电解槽的投入和切出，消除电解槽压力变化剧烈时对电解槽本体的损害，解决电解槽投切时存在压力差造成系统损坏的问题。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供了一种制氢系统中电解槽的投切方法，所述投切方法包括投入方法，所述投入方法用于将压力为p
1i
的待投入电解槽加入制氢系统中；
10.所述投入方法包括：将制氢系统的压力值设定为p
1i
，当制氢系统的压力值降低至p
1i
并稳定后，开启待投入电解槽的进口阀门，电解槽投入运行。
11.本发明提供了一种电解槽的投切策略，通过自适应的压力控制方法平滑切换电解槽的投入，消除电解槽压力变化剧烈时对电解槽本体的损害，解决电解槽投切时存在压力差造成系统损坏的问题。
12.作为本发明一种优选的技术方案，所述投入方法具体包括：
13.(1.1)将待投入的i个电解槽按照电解槽的内部压力由大至小进行排序，内部压力由大至小分别为p
11
、p
12
、p
13
、
……
、p
1i
，制氢系统的压力为p，其中，p≥p
11
≥p
12
≥p
13
≥
…
≥p
1i
；
14.(1.2)将制氢系统的压力设定值调整至p
11
，当制氢系统的内部压力由p调整至p
11
并稳定后，将p
11
对应的电解槽的进口阀门打开，投入运行；
15.(1.3)根据步骤(1.2)的操作方式，按照由p
11
到p
1i
的顺序逐级调整制氢系统的压力设定值，每次调整后将相应压力对应的电解槽的进口阀门打开，直至i个电解槽全部投入运行。
16.作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1.3)中，在投入电解槽的过程中，如果有压力相同或相近的待投入电解槽，可以同时投入运行。
17.作为本发明一种优选的技术方案，所述投入方法还包括离线投入方式。
18.作为本发明一种优选的技术方案，所述离线投入方式包括：在电解槽投入过程中，将制氢系统临时关机，全部i个电解槽投入运行后，再将制氢系统重新启动。
19.作为本发明一种优选的技术方案，所述投切方法还包括切出方法，所述切出方法用于将压力为p
2j
的待切出电解槽从制氢系统中移除。
20.所述切出方法包括：关闭待切出电解槽的进口阀门并切断电解槽的电源，待切出电解槽与制氢系统隔离，随着制氢系统的压力下降，将待切出电解槽按照内部压力按由大到小的顺序依次切出。
21.作为本发明一种优选的技术方案，所述切出方法还包括：在制氢系统停止运行时，对切出的电解槽进行泄压。
22.所述泄压过程包括：
23.当制氢系统执行关机命令时，制氢系统内部压力逐渐降低，当制氢系统的压力降低至p
2j
时，开启待切出电解槽的进口阀门进行泄压。
24.作为本发明一种优选的技术方案，所述泄压过程具体包括：
25.(2.1)将切出的j个电解槽按照电解槽的内部压力由大至小进行排序，内部压力由大至小分别为p
21
、p
22
、p
23
、
……
、p
2j
，制氢系统的压力为p，其中，p≥p
21
≥p
22
≥p
23
≥
…
≥p
2j
；
26.(2.2)当制氢系统执行关机命令后，制氢系统内的压力由p逐渐降低，当制氢系统内的压力降低至p
21
时，将p
21
对应的电解槽的进口阀门打开进行泄压；
27.(2.3)根据步骤(2.2)的操作方式，按照由p
21
到p
2j
对应的电解槽的顺序依次泄压，直至全部j个电解槽泄压后，关闭所有电解槽的进口阀门。
28.作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2.3)中，在对切出的电解槽进行泄压的过
程中，如果有压力相同或相近的待泄压电解槽，可以同时打开进口阀门进行泄压。
29.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种实现第一方面所述的制氢系统中电解槽的投切方法的投切控制系统装置，所述投切控制系统装置包括若干电解槽，所述电解槽的进口端通过进液支管接入进液总管，所述进液支管上设置有进口阀门。
30.各所述电解槽的氢气出口并行接入氢气管路，各所述电解槽的氧气出口并行接入氧气管路，所述氢气管路和氧气管路均接入后处理单元，所述后处理单元以及各电解槽上均设置有相互独立的压力传感器，所述后处理单元的压力即为制氢系统压力。
31.需要说明的是，本发明所述的“投入”和“切出”是指在现有制氢系统的电解槽中增加新的电解槽或减少现有的电解槽，可以理解的是，“投入”是指增加电解槽的运行数量，“切出”是指减少电解槽的运行数量。传统工艺中如果要投入或切出电解槽，往往直接将电解槽的进口阀门打开或关闭，此为“硬投切”，这样操作会产生压差从而对电解槽内部结构造成损伤，本技术提供了一种“软投切”的操作方法，减小了投切操作对电解槽的损伤。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
33.本发明提供了一种电解槽的投切策略，通过自适应的压力控制方法平滑切换电解槽的投入和切出，消除电解槽压力变化剧烈时对电解槽本体的损害，解决电解槽投切时存在压力差造成系统损坏的问题。
附图说明
34.图1为本发明一个具体实施方式提供的投切控制系统装置的结构示意图。
35.其中，1-电解槽；2-进口阀门；3-进液总管；4-压力传感器；5-氧气管路；6-氢气管路；7-后处理单元。
具体实施方式
36.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
39.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种如图1所述的投切控制系统装置，所述投切控制系统装置包括若干电解槽1，所述电解槽1的进口端通过进液支管接入进液总管3，
所述进液支管上设置有进口阀门2；
40.各所述电解槽1的氢气出口并行接入氢气管路6，各所述电解槽1的氧气出口并行接入氧气管路5，所述氢气管路6和氧气管路5均接入后处理单元7，所述后处理单元7以及各电解槽1上均设置有相互独立的压力传感器4，所述后处理单元7的压力即为制氢系统压力。
41.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种制氢系统中电解槽1的投切方法，所述投切方法包括投入方法和切出方法；
42.所述投入方法具体包括：
43.(1.1)将待投入的i个电解槽1按照电解槽1的内部压力由大至小进行排序，内部压力由大至小分别为p
11
、p
12
、p
13
、
……
、p
1i
，制氢系统的压力为p，其中，p≥p
11
≥p
12
≥p
13
≥
…
≥p
1i
；
44.(1.2)将制氢系统的压力设定值调整至p
11
，当制氢系统的内部压力由p调整至p
11
并稳定后，将p
11
对应的电解槽1的进口阀门2打开，投入运行；
45.(1.3)根据步骤(1.2)的操作方式，按照由p
11
到p
1i
的顺序逐级调整制氢系统的压力设定值，每次调整后将相应压力对应的电解槽1的进口阀门2打开，直至i个电解槽1全部投入运行；
46.在投入电解槽1的过程中，如果有压力相同或相近的待投入电解槽1，可以同时投入运行。
47.所述投入方法还包括离线投入方式，具体包括：在电解槽1投入过程中，将制氢系统临时关机，全部i个电解槽1投入运行后，再将制氢系统重新启动。
48.所述切出方法具体包括：
49.关闭待切出电解槽1的进口阀门2并切断电解槽1的电源，将待切出电解槽1与制氢系统隔离，完成电解槽1的切出，但此时，切出的电解槽1内仍有压力未释放，需要对切出的电解槽1进行泄压，泄压过程具体包括：
50.(2.1)将切出的j个电解槽1按照电解槽1的内部压力由大至小进行排序，内部压力由大至小分别为p
21
、p
22
、p
23
、
……
、p
2j
，制氢系统的压力为p，其中，p≥p
21
≥p
22
≥p
23
≥
…
≥p
2j
；
51.(2.2)当制氢系统执行关机命令后，制氢系统内的压力由p逐渐降低，当制氢系统内的压力降低至p
21
时，将p
21
对应的电解槽1的进口阀门2打开进行泄压；
52.(2.3)根据步骤(2.2)的操作方式，按照由p
21
到p
2j
对应的电解槽1的顺序依次泄压，直至全部j个电解槽1泄压后，关闭所有电解槽1的进口阀门2；
53.在对切出的电解槽1进行泄压的过程中，如果有压力相同或相近的待泄压电解槽1，可以同时打开进口阀门2进行泄压。
54.本发明提供了一种电解槽1的投切策略，通过自适应的压力控制方法平滑切换电解槽1的投入和切出，消除电解槽1压力变化剧烈时对电解槽1本体的损害，解决电解槽1投切时存在压力差造成系统损坏的问题。
55.需要说明的是，本发明所述的“投入”和“切出”是指在现有制氢系统的电解槽1中增加新的电解槽1或减少现有的电解槽1，可以理解的是，“投入”是指增加电解槽1的运行数量，“切出”是指减少电解槽1的运行数量。传统工艺中如果要投入或切出电解槽1，往往直接将电解槽1的进口阀门打开或关闭，此为“硬投切”，这样操作会产生压差从而对电解槽1内
部结构造成损伤，本技术提供了一种“软投切”的操作方法，减小了投切操作对电解槽1的损伤。
56.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。