攻克关键技术 实现兆瓦级制氢综合利用

整流柜输出电流稳定,辅助系统运行正常,电解槽满功率运行……10月25日,安徽电力科学研究院工作人员正测试六安兆瓦级氢能综合利用站科技示范项目工程设备,并记录有关情况。

六安兆瓦级氢能综合利用站科技示范项目工程是国家电网有限公司科技项目“兆瓦级制氢综合利用关键技术研究与示范”的配套示范工程。工程建有包括纯水电解制氢车间、燃料电池发电车间、配电综合楼等设施,形成了完整的制氢、储氢及氢发电技术链条。国网安徽省电力有限公司从2019年起牵头该工程的研究和实施。9月24日,该工程实现质子交换膜电解槽满功率出氢,制氢效率达每小时220标准立方米。

因地制宜选址

确定最佳配置模式

截至今年9月底,六安电网新能源发电装机容量占总装机容量的56.2%。六安电网新能源电力送出能力已接近上限。新能源大规模接入和分布式电源快速发展,给电网稳定运行带来挑战,电网调峰压力与新能源消纳的矛盾日益突出。

氢能作为一种清洁、高效的可持续能源,是清洁低碳、安全高效能源体系的重要组成部分。2019年,六安开始规划建设46万平方米的氢能产业园区,主要开展氢燃料电池的研发和生产。“在这里建设兆瓦级氢能综合利用站,一方面可以利用可再生能源制氢,另一方面能够在解决区域新能源消纳问题的同时,为就地售氢做好准备。”来自安徽电科院的六安兆瓦级氢能综合利用站科技示范项目工程系统集成及示范课题研究团队带头人滕越说。

确定站址后,研究团队首先要解决的是兆瓦级制氢综合利用系统的最佳配置模式问题。简单地说,就是要根据当地新能源接入、电价、氢价等实际情况,对制氢综合利用系统容量进行合理配置。2019年,在清华大学电机系氢能互联网研究团队的指导下,课题研究团队开始进行对电制氢系统变流器、电解槽、分离器等关键设备的性能特点分析。

“我们要分析不同容量的系统在不同运行方式下的转换效率以及可再生能源发电、电网负荷曲线及调峰需求,并综合考虑六安地区光伏发电、风电及用电情况等边界条件。”安徽电科院电源中心副主任、项目参与人陈国宏说。

研究团队以系统投资收益最大化为目标函数,通过氢能综合利用系统技术经济分析算法,于2019年10月确定了容量配置:光伏发电装机容量500千瓦、电解槽系统容量1000千瓦、燃料电池系统容量1000千瓦、氢气压缩机系统气流量每小时260标准立方米、氢气储罐系统容量180千克。该配置将在未来“售氢+售电”商业模式下获得最大收益。

解决系统集成难题

取得决定性突破

“4台250千瓦质子交换膜电解槽系统满功率出氢运行,能效达到85%,超过国家一级能效要求。”10月22日,合肥工业大学研究院张贤文说。当天,由专业院校研究员、博士生导师、企业氢能研发人员组成的专家组听取了研究团队关于项目主要工作思路和技术路线的汇报,并实地查看验证示范工程试运行情况后,认为相关课题研究已取得决定性突破。

取得这样的成绩,离不开研究团队攻坚克难的决心和坚持不懈的努力。

兆瓦级氢能综合利用站内的保护装置、监控系统、电源管理、氢气纯化等系统该如何集成,就是研究团队面临的一大难题。

攻克关键技术 实现兆瓦级制氢综合利用

“国内的质子交换膜纯水电解制氢主要以小规模、单槽运行为主,没有兆瓦级大规模工程化的设计建设先例。辅机系统的设备选型,监控系统、控制保护系统的设计研制都是首次。”滕越介绍说。

在整个制氢综合利用系统中,电解槽是最关键的设备。电解槽能否高效稳定运行,将决定制氢质量和效率。研究团队首先需完成250千瓦电解槽的研发设计,再解决电解槽串、并联后对制氢综合利用系统的电接入、气路、水路布置的影响问题。

2020年9月,研究团队与全球能源互联网研究院有限公司、中国科学院大连化学物理研究所联合设计制造出250千瓦电解槽,并提出了宽功率波动下电解制氢温压约束下自洽性响应调控方法。该调控方法既可让制氢系统根据产氢量需求或输入功率变化,来调节电解槽的投入数量及功率,又可让制氢系统在电解槽受到温度、压力等条件的约束时,通过自主调节变频水泵等辅助设备,快速平稳进入新的运行点,最终实现电解槽可响应0至120%的宽功率范围内的快速调节。

“也就是说,在发电站功率不到1兆瓦或超过1兆瓦时,电解槽都能正常运行制氢。”滕越解释道。

之后,研究团队逐步优化了设备部件和组合单元,有效集成控制保护、监控系统、电源管理、氢气纯化等功能设备。2020年9月,研究团队完成了高效、高可靠的兆瓦级质子交换膜纯水电解制氢系统开发。

自主研究设计方案

探索示范站安全布局

10月28日,在六安兆瓦级氢能综合利用站主控楼楼顶,4名工作人员正将185块光伏板安装就位。工程的设备安装进入最后阶段。

“完成系统集成技术研究后,我们还要研究如何将这些系统紧凑、安全地布局在一个站内。”陈国宏说,“研究团队没有相关的设计经验可以参考,只能自主研究。”

研究团队翻阅了大量资料,收集整理氢能综合利用站建设所涉及的相关规定,再反复推敲、测试每一组数据。

2020年10月,研究团队开展燃料电池放电试验时,发现电池温度怎么都降不下来。如果温度一直过高,质子交换膜的使用寿命就会缩减。温度越高,膜的使用周期就越短,氢能综合利用站的运行成本就会增加,还可能增加安全风险,非常不利于后期的建设推广。

经过1个月的试验,研究团队得出结论,燃料电池温度过高和循环水的口径大小、流速都有关系。随后,研究团队采取加大管道口径、增加循环水泵的方法解决了这个问题。

最终,六安兆瓦级氢能综合利用站的布局结构符合经济、安全、高效的运维需求。

六安兆瓦级氢能综合利用站将于今年12月建设完成并投入运行。“这将进一步加强电力系统与氢能产业的结合,支撑氢能相关战略新兴产业的发展。”国网安徽电力科技部科技处处长陈庆涛说。

声明:本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传,对此类作品本站仅提供交流平台,转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,不为其版权负责。如果您发现网站上有侵犯您的知识产权的作品,请与我们取得联系,我们会及时修改或删除。

发表评论

登录后才能评论