PEM电解槽温度控制系统、加热装置和方法与流程

本发明涉及电力技术应用领域，尤其涉及一种pem电解槽温度控制系统、加热装置和方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等新能源的快速发展，由于其随机性、间歇性、波动性特性以及电网可承受波动电源的能力限制，无法上网的风光发电量随之逐步升高。利用氢气的能源属性与原料属性，通过风光弃电进行电解水制氢是推动弃电消纳及下游产业深度脱碳的重要举措之一。其中质子交换膜(proton exchange membrane，简称pem)电解水制氢由于其响应波动电力速度快、负荷调节范围宽，是当前消纳风光发电波动电力的主要途径之一。

2、pem电解槽的运行温度、运行压力、运行电流等是制约制氢系统性能的重要参数。当前对pem电解槽运行温度进行控制的普遍方法是：制氢系统附带配置一套循环冷却水系统，循环水经冷却系统冷却后进入气液换热器吸热，然后再通过液液换热器吸收电解槽循环水热量，通过对电解槽循环水的降温达到控制电解槽温度的目的；特别地，通过调节循环冷却水系统中气动阀的开度来控制循环冷却水流量，进而调节电解槽运行温度。

3、在低温天气条件下运行、需要调节电解槽运行温度时，冷却水进行循环，但是会对电解槽的循环水过度降温；即使将循环冷却水系统中气动阀的开度调至较小状态、降低循环冷却水流量，由于循环冷却水系统中的循环水温度受低温环境影响处于低温状态，冷却水循环时依然会对电解槽的循环水过度降温，导致电解槽运行温度快速下降，从而常引起制氢系统运行指标超标跳机。

4、针对由于现有技术中pem电解槽在低温环境下的运行温度控制，导致制氢系统运行指标超标跳机的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种pem电解槽温度控制系统、加热装置和方法，以至少解决由于现有技术中pem电解槽在低温环境下的运行温度控制，导致制氢系统运行指标超标跳机的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明实施例提供一种加热装置，加热装置的进水口接入循环冷却水系统中的气液换热器管程出口，加热装置的出水口接入循环冷却水系统中的液液换热器壳程进口，包括：排气口、泄压阀、进水口、阀门、箱体、温度计、流量计、出水口、气压计和电加热部件，其中，排气口位于泄压阀上方，泄压阀位于箱体上方，气压计接入箱体，用于当通过气压计检测到的箱体内的气体压力大于设定值，泄压阀打开排气口排出循环冷却水系统内的气体；阀门与进水口连接，用于控制冷却水流入箱体的流量；温度计和流量计接入出水口，用于检测出水口的温度和流量；电加热部件位于箱体内，用于对温度低于阈值的冷却水进行加热。

4、可选的，加热装置还包括：液位计、集水罐、排污口和补水口，其中，液位计接入箱体，用于显示箱体内的液位；当箱体内的液位至低液位限值时，加热装置控制补水口开始补水；当箱体内的液位到达高液位限值时，加热装置控制补水口停止补水；集水罐的一端连接排水阀，集水罐的另一端通过竖管接入箱体，用于收集气压计的管路中气体混入的水分；排污口位于箱体的底部，用于在定期换水时进行排水；补水口位于箱体的截面积变化处，用于当箱体的液位降至低液位限值时，通过补水口补水。

5、本发明实施例提供一种pem电解槽温度控制系统，包括：循环冷却水系统、数据采集模块、自动控制模块和温度展示模块，其中，数据采集模块，分别与循环冷却水系统和自动控制模块连接，用于采集预设定值信息和/或循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息；自动控制模块，分别与循环冷却水系统和温度展示模块连接，用于依据预设定值信息和/或特定器件的实时运行信息，对循环冷却水系统中的特定器件进行对应控制；温度展示模块，用于显示循环冷却水系统中的特定器件的温度，以及温度变化曲线。

6、可选的，循环冷却水系统中特定器件包括：冷却系统、第一气动阀、第二气动阀、气液换热器、电解槽、加热装置、液液换热器中的至少一种或组合。

7、进一步地，可选的，数据采集模块包括：第一数据采集单元和第二数据采集单元，其中，第一数据采集单元，用于获取电解槽的温度上限和下限、不同流量时气液换热器的管程入口温度上限、不同流量时液液换热器的壳程温度上限和下限、加热装置的出口流量上限和下限和加热装置的液位上限和下限，生成预设定值信息；第二数据采集单元，用于采集电解槽的出口温度测量仪表的实时温度、电解槽的进口温度测量仪表的实时温度、第一气动阀的开度、电解槽进口流量测量仪表的实时流量、第二气动阀的开度，以及加热装置中电加热部件的启动数量、电加热部件的温度、加热装置中的液位、加热装置中的箱体顶部气压、加热装置中的出水口温度测量仪表的实时温度、加热装置中的出水口流量测量仪表的实时流量、气液换热器的管程进水口温度测量仪表的实时温度、冷却系统中冷却装置启动数量，生成循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息。

8、可选的，自动控制模块，还用于依据电解槽生成氧气与氢气的纯度要求和气液分离器的性能，结合第二数据采集单元采集到的冷却系统的流量进行计算，得到流量对应的气液换热器的管程入口温度上限；自动控制模块，还用于依据第一数据采集单元获取的电解槽的温度上限和下限，结合第二数据采集单元获取的采集的电解槽的进口流量测量仪表的实时流量、电解槽的进口温度测量仪表的实时温度与电解槽的出口温度测量仪表的实时温度以及加热装置中的出水口流量测量仪表的实时流量进行计算，得到液液换热器的壳程进口温度上限和下限；自动控制模块，还用于通过动态调节冷却装置启动数量和冷却系统流量，控制气液换热器的管程入口实时温度小于气液换热器的管程入口温度上限；自动控制模块，还用于控制液液换热器的壳程入口实时温度处于液液换热器壳程温度上限和下限区间内。

9、可选的，自动控制模块，还用于当控制电解槽的温度升高时，启动加热装置中的电加热部件，提升液液换热器的入口温度，当液液换热器的入口温度接近液液换热器壳程温度上限时，动态减少电加热部件中的启动数量，同时冷却系统在保障气液换热器冷却效果的前提下进行制冷动态调整；当控制电解槽的温度降低时，提高冷却系统中冷却装置的启动数量，提升冷却能力，当液液换热器的入口实时温度接近液液换热器壳程温度下限时，动态减少冷却装置否启动数量，同时加热装置中的电加热部件根据液液换热器的入口实时温度动态调整电加热部件启停。

10、本发明实施例提供一种pem电解槽温度控制方法，应用于pem电解槽温度控制系统，包括：采集预设定值信息和/或循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息；依据预设定值信息和/或特定器件的实时运行信息，对循环冷却水系统中的特定器件进行对应控制；显示循环冷却水系统中的特定器件的温度，以及温度变化曲线。

11、可选的，采集预设定值信息和/或循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息包括：获取电解槽的温度上限和下限、不同流量时气液换热器的管程入口温度上限、不同流量时液液换热器的壳程温度上限和下限、加热装置的出口流量上限和下限和加热装置的液位上限和下限，生成预设定值信息；采集电解槽的出口温度测量仪表的实时温度、电解槽的进口温度测量仪表的实时温度、第一气动阀的开度、电解槽进口流量测量仪表的实时流量、第二气动阀的开度，以及加热装置中电加热部件的启动数量、电加热部件的温度、加热装置中的液位、加热装置中的箱体顶部气压、加热装置中的出水口温度测量仪表的实时温度、加热装置中的出水口流量测量仪表的实时流量、气液换热器的管程进水口温度测量仪表的实时温度、冷却系统中冷却装置启动数量，生成循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息。

12、可选的，依据预设定值信息和/或特定器件的实时运行信息，对循环冷却水系统中的特定器件进行对应控制包括：依据电解槽生成氧气与氢气的纯度要求和气液分离器的性能，结合冷却系统的流量进行计算，得到流量对应的气液换热器的管程入口温度上限；依据电解槽的温度上限和下限，结合电解槽的进口流量测量仪表的实时流量、电解槽的进口温度测量仪表的实时温度与电解槽的出口温度测量仪表的实时温度以及加热装置中的出水口流量测量仪表的实时流量进行计算，得到液液换热器的壳程进口温度上限和下限；通过动态调节冷却装置启动数量和冷却系统流量，控制气液换热器的管程入口实时温度小于气液换热器的管程入口温度上限；控制液液换热器的壳程入口实时温度处于液液换热器壳程温度上限和下限区间内。

13、进一步地，可选的，控制液液换热器的壳程入口实时温度处于液液换热器壳程温度上限和下限区间内包括：当控制电解槽的温度升高时，启动加热装置中的电加热部件，提升液液换热器的入口温度，当液液换热器的入口温度接近液液换热器壳程温度上限时，动态减少电加热部件中的启动数量，同时冷却系统在保障气液换热器冷却效果的前提下进行制冷动态调整；当控制电解槽的温度降低时，提高冷却系统中冷却装置的启动数量，提升冷却能力，当液液换热器的入口实时温度接近液液换热器壳程温度下限时，动态减少冷却装置否启动数量，同时加热装置中的电加热部件根据液液换热器的入口实时温度动态调整电加热部件启停。

14、本发明实施例提供了一种pem电解槽温度控制系统、加热装置和方法，通过采集预设定值信息和/或循环冷却水系统中特定器件的实时运行信息；依据预设定值信息和/或特定器件的实时运行信息，对循环冷却水系统中的特定器件进行对应控制；显示循环冷却水系统中的特定器件的温度，以及温度变化曲线，从而能够提高电解槽升温速率、缩短响应时间，且使电解槽温度保持更加平稳，提升系统性能的技术效果。