一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法与流程

本发明涉及电解水制氢，尤其涉及一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法。

背景技术：

1、电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。这个过程需要一定的电能，一般需要4.0～4.5千瓦·时的电能才可获得一标准立方米的氢。但是，如果采用高温电解水蒸气的方法或其他改进方法，如在电极上覆以各种催化剂，那么能耗可以降低至3.0千瓦·时左右。如果利用太阳能作为辅助能源进行高温电解，还可以进一步降低能耗，电解水制氢是将其他各种能源(如太阳能、风能)转化成氢能储存的有效方法。随着电解水制氢项目规模扩大，多台电解槽形成集群实现联合制氢的场景更加普遍。但目前电解制氢设备多为整体模块化控制，单台电解槽有其独立运行的气液分离框架。并且，针对多台电解槽集群的控制策略尚不成熟，因此目前对于多台电解槽集群的控制仍然是对多个单台的独立控制，这导致了运行过程中各台电解槽均为冷启动，启动过程缓慢且耗能较多。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种启动碱性电解槽机组的拓扑设计和控制方法，包括以下步骤：

2、s1、根据单台电解槽碱液循环方式，设计多台套的碱液混合拓扑方式。

3、s2、确定槽组一的分流阀和汇流阀开度，关闭其他槽的全部阀，正常启动第一组电解槽至预设状态。

4、s3、启动槽组一的过程中，判断槽组二是否与槽组一预设状态下的运行压力之差不超过并执行槽组二的接入前操作。

5、s4、打开槽组二的分流阀和汇流阀，并控制流量，利用混合器中的热碱液为第二组电解槽加热碱液，直至预设温度。

6、s5、依据工况需求对槽组二进行操作。

7、s6、重复步骤s3到步骤s5，对后续电解槽实施加热、启动或保温操作。

8、s7、根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作。

9、进一步的，步骤s1所述单台电解槽包括：电堆、氢分离器、氧分离器，以及循环的碱液管道、泵、冷却换热器。

10、进一步的，步骤s1所述碱液混合拓扑方式包括：

11、若单台电解槽碱液循环方式为分立式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置两套碱液混合系统，分别实现氢侧碱液和氧侧碱液的混合。

12、若单台电解槽碱液循环方式为混合式碱液循环方式，则多台套的拓扑结构设置一套碱液混合系统。

13、所述碱液混合系统包括：多个分流阀、汇流阀、管道、混合器。所述混合器中充满碱液，混合器容积根据机组接入槽数量和碱液循环量进行设计。

14、进一步的，步骤s2所述槽组一指机组中第一台启动电解槽或第一组启动的多台电解槽。

15、所述正常启动第一组电解槽至预设状态中槽组一正常启动的判断标准根据工况需求变化。

16、进一步的，槽组一正常启动的判断标准包括以下判断标准中的至少一条：电解槽达到最低稳定运行负荷、电解槽气体出口纯度达到进入纯化的标准、电解槽温度达到最低适宜温度、电解槽达到额定产气量、电解槽达到最高额定功率、电解槽温度达到最优温度。

17、进一步的，步骤s3中的根据实际工程进行优化调整。

18、进一步的，步骤s3所述槽组二的接入前操作包括：

19、若槽组二处于保压状态，且与槽组一的压力差不超过则不执行任何操作。

20、若槽组二未处于保压状态，则主动向槽组二中充入纯氢、纯氧使得槽组二的压力升高至所需范围。或者启动槽组二以及排空出口，待槽组二输出的氧气中的氢气浓度低于安全阈值后，关闭排空出口并接入气液分离器，使得槽组二稳定产生氢气和氧气直至压力上升至所需范围。

21、进一步的，进行步骤s4的过程中槽组一根据运行工况需求继续升功率或保持功率，但不可因槽组二碱液带走热量导致槽组一温度低于接入前状态。

22、进一步的，对于槽组二加入导致槽组一的温度变化采用以下方法判断：

23、假设同一槽组内多个电解槽规格、运行状态均相同，可用单个电解槽的状态反映槽组的整体状态。

24、对单个电解槽，其电堆温度tstack的变化通过式(1)进行计算：

25、

26、式(1)中qstack，gen为电解水反应中除去热中和反应外额外产生的热量，通过式(2)计算得到：

27、qstack，gen＝(ustack-uthe)i  (2)

28、式(2)中ustack为电堆电压、i为电堆电流，ustack和i测量得到，uthe为热中和电压，一般取1.48v。

29、式(1)中qstack，dissip为电堆散热，包括热传导和热辐射，简化处理为对环境温度tamb的热阻，通过式(3)得到：

30、qstack，dissip＝(tstack-tamb)/rstack    (3)

31、式(3)中tstack为进入分离器的碱液温度，rstack为电堆热电阻，tstack测量得到，rstack由设备信息得到。tamb测量得到。

32、式(1)中qlye，heat为循环过电堆的电解液加热所需的热量，通过式(4)得到：

33、

34、式(4)中为碱液质量流量，由设备信息得到适宜的循环速度区间。tlye，in为电堆进口碱液的温度。clye为碱液比热容，查询碱液信息得到。

35、式(1)中cstack为电堆碱液热容，查询碱液信息得到。

36、进一步的，式(4)中电堆进口碱液的温度tlye，in通过式(5)得到：

37、

38、式(5)中：

39、进入的混合电解液热量qlye，con通过式(6)得到：

40、

41、式(5)中的流出的混合电解液热量qex受循环冷却水的流量、换热器设计参数以及与被冷却介质状态影响，根据工程现场相关参数查表获得。

42、式(6)中的混合碱液温度tcon由内循环液体和混合器出口液体混合所得。

43、进一步的，假设分离器出口碱液到汇流阀段不产生热损失，tsep作为汇流阀内循环液体温度，则混合碱液温度tcon通过式(7)得到：

44、

45、式(7)中是流入混合器的碱液流量，是沿内循环管道的碱液流量，从混合器回流后汇合的碱液流量保持相同，以保证电解槽内的内循环碱液总量不变，因此：

46、

47、

48、式(8)和式(9)中的k为分流阀的开度：

49、当碱液循环方式为分立式时候，θ为0到1的数，根据独立运行在氢侧和氧侧的碱液量比例确定。

50、当为混合式循环方式，θ为1，无氢侧和氧侧的区分。

51、式(7)中tmix为混合器中流出碱液的温度，通过式(10)得到：

52、

53、式(10)中qmix，in为汇入混合器的各槽碱液带进来的热量，通过式(11)得到：

54、

55、式(10)中qmix，dissip为混合器散热，通过式(12)得到：

56、qmix，dissip＝(tmix-tamb)/rmix  (12)

57、式(10)中qmix，out为流出混合器的各槽碱液带走的热量，通过式(13)得到：

58、

59、式(10)中cmix为混合器中碱液的热容。，rmix为混合器热阻。cmix通过查询碱液信息得到，rmix由设备信息得到。

60、式(7)中tsep为分离器出口碱液温度，通过式(14)得到：

61、

62、式(14)中qsep，in为进入分离器的碱液带入的热量，假设电堆出口至分离器管道不散热，则qsep，in通过式(15)得到。

63、

64、式(14)中qspe，dissip为分离器散热，包括热传导和热辐射，通过式(16)得到：

65、qdep，dissip＝(tsep-tamb)/rsep  (16)

66、式(14)中qlye，out为离开分离器的碱液带走的热量，通过式(17)得到：

67、

68、式(14)中qgas，out为离开分离器的气体带走的热量，通过式(18)得到：

69、

70、其中，为h2的质量流量，为o2的质量流量。

71、式(18)中和根据电流和法拉第定律计算得到。

72、式(14)中qwater，heat为加热补充进来的纯水所需的热量，通过式(19)得到：

73、

74、式(19)中为补水的质量流量，cwater为补水的比热容，twater为补水的温度。

75、式(14)中csep为汇流阀内循环液体的热容，查询液体信息得到。

76、式(16)中rsep为汇流阀热阻，查询设备信息得到。

77、进一步的，步骤s5所述依据工况需求对槽组二进行操作的方法包括：

78、若步骤s3已经启动槽组二，则继续提升槽组二的功率至额定功率。

79、若槽组二未启动，则启动槽组二。控制槽组二启动时的初始电流不高于当前温度限制下的电流，或者先加热槽组二至预设温度后再启动槽组二。

80、若槽组二无需启动，则加热槽组二至预设温度后调整阀开度对槽组二进行保温。

81、进一步的，步骤s6所述对后续电解槽实施加热、启动或保温操作的方法包括：通过调整各阀门开度、电解槽功率和碱液循环速度，实现温度的合理变化，为后续槽提前热机。

82、进一步的，步骤s7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法包括：

83、已启动电解槽根据需求自行调整运行功率，运行期间所施加的电流受温度限制，并通过调整碱液循环速度、冷却水循环速度，保证电堆温度不超过最高工作温度。

84、进一步的，当已启动电解槽达到最高温度，但后续电解槽还有预测需求时，优先通过加快碱液循环速度、增大分流阀开度，使用混合器内碱液的方式对已启动电解槽进行降温。

85、若超过调整上限仍超过已启动电解槽的最高工作温度，则启用该电解槽的冷却水循环系统，实现外部冷却。

86、进一步的，步骤s7所述根据需求对已启动电解槽实施功率调整或停机操作的方法还包括：

87、对已启动电解槽根据需求实施停机操作，同时根据后续需求控制碱液循环方式：

88、若需彻底停止，则关闭对应分流阀，断开与混合器的连接。

89、若需进入热备状态，则调整碱液循环速度、分流阀开度，以最小流量保持电堆温度在预设温度区间。

90、本发明至少具有以下有益效果之一：

91、1.发明通过对电解槽集群多台控制，提高电解槽启动速度，降低了电解槽启动能耗，解决了目前对于多台电解槽集群的控制仍然是对多个单台的独立控制的问题，同时解决了现有控制方法导致的电解槽运行过程中各台电解槽均为冷启动，启动过程缓慢且耗能较多的问题。

92、2.发明通过优化碱液循环的拓扑设计，并通过阀的控制实现碱液流量控制，实现电解槽机组的快速启动，减少开机累加时长和开机总能耗；减少能耗的同时，减少了累加的启动时间。

93、3.本发明充分利用清晨日出阶段缓慢的光伏功率，为第一台电解槽启动的同时，为后启动的电解槽储备了热量，帮助后续电解槽启动时能跟随光伏功率的快速爬坡。