1.本發(fā)明屬于可再生能源水電解制氫設備領域，具體涉及一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置及制氫方法。

背景技術：

2.氫能是一種理想的二次能源，與其他能源相比，氫熱值高，且燃燒產物為水，是最環(huán)保的能源，氫能被認為是未來人類社會的終極能源。隨著碳中和目標的提出，清潔氫能源的發(fā)展勢在必行，可再生能源制氫可以很好利用棄風棄光能源，使得低成本電制氫成為可能。

3.電解水過程能耗較高且由于風電、光伏等電源的波動性，因此對電解水制氫系統(tǒng)的耐功率波動范圍和系統(tǒng)控制提出了更高的要求，另外可再生能源制氫目前還存在成本較高、經濟性較差、系統(tǒng)配置困難、能量利用率低以及能源管理等問題，在現有的制氫系統(tǒng)單元中，需要配置大量的電氣元件用于電力轉換以及實體設備配置，從而造成了低能量利用率，因此高效的可再生能源制氫方式是目前急需解決的問題。

技術實現要素：

4.為了解決上述現有技術存在的問題，本技術提出一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，包括：

5.電解槽，所述電解槽內包括多個小室，在各個小室的內部水被電解為氫氣和氧氣；

6.氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與所述電解槽內每個小室連通，用于將所述電解槽產生的氫氣和氧氣進行氣液分離及冷卻，同時通過洗滌系統(tǒng)保證出口氣體品質；

7.堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將所述氣體洗滌器中的液體與所述電解槽連通，實現堿液的循環(huán)利用；

8.出氣端控制系統(tǒng)，所述氣體洗滌器的出氣口經由所述出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現出氣端的智能控制。

9.進一步的，所述氣體洗滌系統(tǒng)包括：

10.氫分離洗滌器和氧分離洗滌器，所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器之間設有液位控制系統(tǒng)，通過對比兩個洗滌器的實際液位進行系統(tǒng)控制調節(jié)。

11.進一步的，所述液位控制系統(tǒng)包括：

12.液位計，用于顯示所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內洗滌液的液位；

13.差壓變送器，用于測量所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內的壓力；

14.液位差控制器，用于根據液位計的顯示結果以及差壓變送器的測量結果，對系統(tǒng)各種工況進行判定，并控制出氣端控制系統(tǒng)作出相應動作，保證系統(tǒng)長期處于安全液位范圍內。

15.進一步的，所述堿液循環(huán)系統(tǒng)包括連接于所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口與所述電解槽之間的循環(huán)管道，所述循環(huán)管道上設有：

16.管道過濾器，用于防止進入電解槽的堿液中含有雜質；

17.堿液循環(huán)泵，選用變頻泵，用于根據系統(tǒng)需求以不同轉速輸出；

18.氣動閥門，連接于堿液循環(huán)泵兩端的循環(huán)管道上，構成所述堿液循環(huán)泵的旁路，配合堿液循環(huán)泵用于滿足系統(tǒng)不同工況下對堿液流量的需求；

19.堿液流量計，用于實時測量循環(huán)管道內堿液的流量。

20.進一步的，所述出氣端控制系統(tǒng)包括：

21.兩個薄膜調節(jié)閥并聯成的第一調節(jié)管路，所述第一調節(jié)管路與所述氣體洗滌系統(tǒng)的出氣口連通；

22.兩個氣動球閥并聯成的第二調節(jié)管路，所述第二調節(jié)管路與大氣連通；

23.所述第一調節(jié)管路與所述第二調節(jié)管路串聯。

24.進一步的，所述氣體洗滌器的出氣口與所述第二調節(jié)管路之間還設有放空旁路，所述放空旁路上設有放空閥門。

25.進一步的，所述電解槽的極板上設置有小室電壓監(jiān)測裝置，所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口和出氣口設有測溫裝置，所述小室電壓監(jiān)測裝置和所述測溫裝置均與所述液位控制系統(tǒng)、所述出氣端控制系統(tǒng)電連接，參與整個裝置的自動控制。

26.進一步的，還包括：

27.補水系統(tǒng)，包括與所述氣體洗滌系統(tǒng)連接的氫側氣動閥門、氧側氣動閥門以及及后級止回閥組成；

28.冷卻水系統(tǒng)，包括與分離器的內部盤管相連接，用于系統(tǒng)的冷卻。

29.一種如上述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置的制氫方法，包括以下步驟：

30.正常運行時，堿液在電解槽的小室內被電解，生成氧氣和氫氣；

31.氫氣處理后輸送給用戶，氧氣處理后排入大氣；

32.運行負荷低于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用單通道形式工作；

33.運行負荷高于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用雙通道形式工作。

34.進一步的，還包括以下步驟：

35.正常停機時，出氣端控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和堿液循環(huán)系統(tǒng)均正常工作，保證電解槽內部的氣體帶出；

36.非正常停機時，根據氫、氧不同的液位差值進行判斷，當氫側液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當氫側液位進一步低于聯鎖值一定液位后，或氧側液位高于上限聯鎖值時，關閉氫氧側后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣。

37.本發(fā)明提出的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，與現有技術相比，其有益效果在于：

38.通過在氫、氧氣出口設計雙調節(jié)閥，實現大容量制氫設備的寬功率調節(jié)變化時的全工況響應，同時原三通閥設計修改為雙直通球閥可以進一步提升系統(tǒng)的安全性；

39.通過采用變頻泵以及旁路自動球閥設計，改變離心泵轉速來改變泵的特性曲線位置，最大化匹配電解槽的不同氣量條件下的堿液需求流量，該方法沒有附加的能量損失，經濟高效，同時可以實現系統(tǒng)的自動調節(jié)，提升了系統(tǒng)的寬功率波動適應性；

40.通過區(qū)分氫氧液位的不同條件，提升系統(tǒng)停機的安全性，同時采用液位分檔的方式，對系統(tǒng)的不同異常工況加以判定，最大化保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全；

41.通過同時監(jiān)測單個小室的電壓可以有效判斷系統(tǒng)流量分布、反應情況，有效輔助系統(tǒng)的安全運行，同時可減少人員的操作進一步提升了安全性能。

附圖說明

42.圖1為本發(fā)明制氫裝置的原理框架圖；

43.圖2為本發(fā)明電解槽槽壓調節(jié)的原理示意圖；

44.圖3為本發(fā)明液位控制系統(tǒng)的原理示意圖；

45.圖4為本發(fā)明冷卻水系統(tǒng)的原理示意圖；

46.圖5為本發(fā)明整流輸出的原理示意圖；

47.圖6為本發(fā)明補水系統(tǒng)的原理示意圖。

48.附圖序號及名稱：1、電解槽，2、氫氣分離洗滌器，3、氧氣分離洗滌器，4、氫側氣水分離器，5、氧側氣水分離器，6、管道過濾器，7、堿液循環(huán)泵，8、堿液流量計，9、小室電壓測試系統(tǒng)，10、電解槽氫側出口壓力變送器，11、電解槽氧側出口壓力變送器，12、電解槽氫側出口鉑電阻，13、電解槽氧側出口鉑電阻，14、氫分離洗滌器第一液位計，15、氫分離洗滌器第一差壓變送器，16、氫分離洗滌器第二差壓變送器，17、氧分離洗滌器液位計，18、氧分離洗滌器第一差壓變送器，19、氧分離洗滌器第二差壓變送器，20、液位差控制器，21、氫分離洗滌器第二液位計，22、氫分離洗滌器第三差壓變送器，23、氧分離洗滌器第二液位計，24、氧分離洗滌器第三差壓變送器，25、氫分離洗滌器第一溫度計/鉑電阻，26、氧分離洗滌器第一溫度計/鉑電阻，27、氫分離洗滌器第二溫度計/鉑電阻，28、氧分離洗滌器第二溫度計/鉑電阻，29、氫純化前壓力變送器，30、氧純化前壓力變送器，31、氫側第一氣動球閥，32、氫側第一薄膜調節(jié)閥，33、氫側第二氣動球閥，34、氫側第二薄膜調節(jié)閥，35、氫側旁路放空閥門，36、氧側第一薄膜調節(jié)閥，37、氧側第一氣動球閥,38、氧側第一薄膜調節(jié)閥，39、氧側第一氣動球閥，40、氧側旁路放空閥，41、系統(tǒng)壓力變送器，42、管道過濾器進口閥門，43、泵進口鉑電阻，44、循環(huán)泵進口閥門，45、循環(huán)泵出口閥門，46、循環(huán)泵出口止回閥，47、堿液流量計后級閥門，48、電解槽進口鉑電阻，49、氫側補水氣動閥門，50、氧側補水氣動閥門，51、冷卻水旁路氣動閥門，52、冷卻水旁路球閥,53、冷卻水主路薄膜調節(jié)閥，54、氣動閥門。

具體實施方式

49.為使本領域技術人員能夠更好的理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。

50.如圖1所示，本技術提出的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其具體包括：

51.氫、氧氣體系統(tǒng)

52.從電解槽出來的氫氣和堿液混合物一起通過極框上陰極側的出氣孔流過氫氣道，匯集后進入氫分離器，在重力作用下進行氣液分離，分離出的氫氣進入氫氣換熱器冷卻，再進入氫氣洗滌器進行冷卻、洗滌，經捕滴網捕滴，進入氫側氣水分離器進行最后一步氣水分離，從而最大限度減少氣體中的含堿量和含水量，最終經氫側薄膜調節(jié)閥排出，進入后級氫氣純化裝置進行處理或放空。

53.氧氣處理過程參照上述氫氣處理過程。

54.堿液循環(huán)系統(tǒng)

55.氫、氧分離器中的電解液經連通管匯集，電解液經堿液換熱器冷卻并流經管道過濾器去除機械雜質進入堿液循環(huán)泵，在堿液循環(huán)泵的作用下，經流量開關打入電解槽，電解后分別流至氫、氧分離器，形成閉環(huán)系統(tǒng)。

56.控制系統(tǒng)

57.制氫設備和氫氣純化設備共同使用一套plc(西門子系列)控制，對裝置的主要參數：壓力、溫度、氫氧液位差可進行自動調節(jié)。對制氫裝置的工作壓力、溫度、氫液位、氧液位、氫氣純度和氧氣純度能集中顯示。若氫閥后壓力、冷卻水壓力、氣源壓力、氫氧液位上下限、氫氧純度產生一定的偏差時能自動聲光報警：

58.當氫側液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當氫側液位進一步低于聯鎖值一定液位后，或氧側液位高于上限聯鎖值時，關閉氫氧側后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣

59.若裝置的主要參數壓力、溫度、氫氧液位、堿液循環(huán)量、氣源壓力偏離正常值太大，又不能及時處理時，該裝置能自動聲光報警停車；為了進一步提高本裝置的安全運行系數，裝置的主要參數壓力，設置了雙重獨立系統(tǒng)，當系統(tǒng)壓力控制失靈，裝置的運行狀態(tài)達到危險值時，該獨立系統(tǒng)可使裝置自動聲光報警并聯鎖停車。

60.保證各設備及系統(tǒng)在啟停、運行及事故情況下的工藝參數顯示，同時也要保證系統(tǒng)各設備的正常啟停、安全運行及事故報警功能，實現系統(tǒng)及各設備自動控制和聯鎖功能，數據共享。

61.氫氣純化設備通過plc控制，實現干燥器的自動切換，氫氣純度和露點的檢測，干燥塔的溫度顯示、控制，純度及露點的超限連鎖等。氫氣純化裝置通過plc控制三臺干燥器的自動切換、再生溫度、再生時間。通過安裝在純化裝置出口的微量氧分析儀、露點儀，在線監(jiān)測氫氣中的氧含量和露點值，當在線數值超過設定值時，plc控制純化裝置出口處的氣動球閥自動切換，把不合格的氫氣放空。

62.對照圖2-圖6，本技術控制系統(tǒng)的工作原理如下：

63.水電解制氫單元部分的自動控制系統(tǒng)主要任務是在裝置運行時，對系統(tǒng)壓力、溫度進行自動調節(jié)及控制，以保持系統(tǒng)壓力及溫度的穩(wěn)定；對氫、氧液位進行調節(jié)，使氫液位、氧液位始終保持平衡；根據制氫裝置的實際運行狀態(tài)自動進行整流輸出的電流給定；裝置運行時根據一定的條件能對裝置的補水進行自動控制；能對水電解后產出的氫氣及氧氣純度進行在線分析，并根據氣體純度自動判斷是否使氫氣進入下一工藝流程；當裝置運行異常時及時發(fā)出報警信號，如果裝置的主要受控參數超出規(guī)定的極限值時，自動發(fā)出連鎖信號切斷整流柜輸出直流電流，使電解槽停止工作。本自動控制系統(tǒng)還設置了槽壓的二次保護功能，即當自動控制系統(tǒng)失靈時，槽壓的超上限信號通過防爆電接點壓力表或壓力開關直接聯鎖整流柜直流電流輸出，從而保障裝置的安全穩(wěn)定運行。

64.綜上，僅為本發(fā)明之較佳實施例，不以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡依本發(fā)明專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆為本發(fā)明專利涵蓋的范圍之內。技術特征：

1.一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，包括：電解槽，所述電解槽內包括多個小室，在各個小室的內部水被電解為氫氣和氧氣；氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與所述電解槽內每個小室連通，用于將所述電解槽產生的氫氣和氧氣進行氣液分離及冷卻，同時通過洗滌系統(tǒng)保證出口氣體品質；堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將所述氣體洗滌器中的液體與所述電解槽連通，實現堿液的循環(huán)利用；出氣端控制系統(tǒng)，所述氣體洗滌器的出氣口經由所述出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現出氣端的智能控制。2.根據權利要求1所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述氣體洗滌系統(tǒng)包括：氫分離洗滌器和氧分離洗滌器，所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器之間設有液位控制系統(tǒng)，通過對比兩個洗滌器的實際液位進行系統(tǒng)控制調節(jié)。3.根據權利要求2所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述液位控制系統(tǒng)包括：液位計，用于顯示所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內洗滌液的液位；差壓變送器，用于測量所述氫分離洗滌器和所述氧分離洗滌器內的壓力；液位差控制器，用于根據液位計的顯示結果以及差壓變送器的測量結果，對系統(tǒng)各種工況進行判定，并控制出氣端控制系統(tǒng)作出相應動作，保證系統(tǒng)長期處于安全液位范圍內。4.根據權利要求3所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述堿液循環(huán)系統(tǒng)包括連接于所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口與所述電解槽之間的循環(huán)管道，所述循環(huán)管道上設有：管道過濾器，用于防止進入電解槽的堿液中含有雜質；堿液循環(huán)泵，選用變頻泵，用于根據系統(tǒng)需求以不同轉速輸出；氣動閥門，連接于堿液循環(huán)泵兩端的循環(huán)管道上，構成所述堿液循環(huán)泵的旁路，配合堿液循環(huán)泵用于滿足系統(tǒng)不同工況下對堿液流量的需求；堿液流量計，用于實時測量循環(huán)管道內堿液的流量。5.根據權利要求4所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，所述出氣端控制系統(tǒng)包括：兩個薄膜調節(jié)閥并聯成的第一調節(jié)管路，所述第一調節(jié)管路與所述氣體洗滌系統(tǒng)的出氣口連通；兩個氣動球閥并聯成的第二調節(jié)管路，所述第二調節(jié)管路與大氣連通；所述第一調節(jié)管路與所述第二調節(jié)管路串聯。6.根據權利要求5所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于：所述氣體洗滌器的出氣口與所述第二調節(jié)管路之間還設有放空旁路，所述放空旁路上設有放空閥門。7.根據權利要求6所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于：所述電解槽的極板上設置有小室電壓監(jiān)測裝置，所述氣體洗滌系統(tǒng)的出液口和出氣口設有測溫裝置，所述小室電壓監(jiān)測裝置和所述測溫裝置均與所述液位控制系統(tǒng)、所述出氣端控制系統(tǒng)電連接，參與整個裝置的自動控制。8.根據權利要求7所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，其特征在于，還包括：

補水系統(tǒng)，包括與所述氣體洗滌系統(tǒng)連接的氫側氣動閥門、氧側氣動閥門以及及后級止回閥組成；冷卻水系統(tǒng)，包括與分離器的內部盤管相連接，用于系統(tǒng)的冷卻。9.一種如權利要求8任意一項所述的大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置的制氫方法，其特征在于，包括以下步驟：正常運行時，堿液在電解槽的小室內被電解，生成氧氣和氫氣；氫氣處理后輸送給用戶，氧氣處理后排入大氣；運行負荷低于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用單通道形式工作；運行負荷高于閾值時，出氣端控制系統(tǒng)采用雙通道形式工作。10.根據權利要求9所述的制氫方法，其特征在于，還包括以下步驟：正常停機時，出氣端控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和堿液循環(huán)系統(tǒng)均正常工作，保證電解槽內部的氣體帶出；非正常停機時，根據氫、氧不同的液位差值進行判斷，當氫側液位低于下限連鎖值時，按照正常停機邏輯執(zhí)行；當氫側液位進一步低于聯鎖值一定液位后，或氧側液位高于上限聯鎖值時，關閉氫氧側后級的氣動閥門，使系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，避免氫氧串氣。

技術總結

本發(fā)明提出了一種大規(guī)模寬功率波動水電解制氫裝置，包括電解槽，電解槽內包括多個小室；氣體洗滌系統(tǒng)，通過管道與電解槽內每個小室連通；堿液循環(huán)系統(tǒng)，用于將氣體洗滌器中的液體與電解槽連通，實現堿液的循環(huán)利用；出氣端控制系統(tǒng)，氣體洗滌器的出氣口經由出氣端控制系統(tǒng)連接大氣或用戶，用于實現出氣端的智能控制。本發(fā)明可以實現系統(tǒng)的自動調節(jié)，提升了系統(tǒng)的寬功率波動適應性；同時采用液位分檔的方式，對系統(tǒng)的不同異常工況加以判定，最大化保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。保證了系統(tǒng)波動工況下的系統(tǒng)安全。

技術研發(fā)人員：焦文強 李闖 譚建鑫 宋時莉 張世淵 井延偉 郝珍 肖寵 孫俊凱

受保護的技術使用者：中國船舶重工集團公司第七一八研究所

技術研發(fā)日：2022.09.27

技術公布日：2023/2/3