本發(fā)明涉及儲供氫，具體而言，涉及一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

1、氫能由于在負荷側可以應用于重工業(yè)、重載交通等難電氣化領域的脫碳，在發(fā)電側可以助力大規(guī)模的風光等可再生能源消納，在電網(wǎng)側可以通過“電-氫”的相互轉換，提供調(diào)峰調(diào)頻等電力輔助服務，以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，其發(fā)展受到極大的關注，其中，風光發(fā)電耦合制氫及氫利用大型工程是目前發(fā)電側氫能示范工程發(fā)展的主要形態(tài)，預計也將是未來生產(chǎn)綠氫及氫衍生物的主要方式。

2、在風光發(fā)電耦合制氫及氫利用大型工程中，儲氫罐是必不可少的重要組成部分，是平抑風光發(fā)電波動性，應對風光發(fā)電間歇性、隨機性，為下游提供匹配用氫負荷調(diào)節(jié)能力、相對穩(wěn)定的氫氣供給的關鍵環(huán)節(jié)?？紤]到技術成熟度以及風光發(fā)電耦合制氫及氫利用大型工程常位于地廣人稀的沙戈荒地區(qū)，現(xiàn)有風光發(fā)電耦合制氫及氫利用大型工程常采用氣態(tài)儲氫罐的設計。

3、為充分利用氣態(tài)儲氫罐的容量，氣態(tài)儲氫罐的設計最低壓力需要盡可能低，系統(tǒng)運行中的壓力波動范圍盡可能大。由于下游用氫負荷通常要求穩(wěn)定的供氫壓力，大流量供氫場景中常用的離心式壓縮機組受其工作特性限制，需要維持穩(wěn)定的入口壓力，因此離心式壓縮機組設計的入口壓力需要低于氣態(tài)儲氫罐的最低壓力，導致離心式壓縮機組升壓比高、功耗大。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的包括提供了一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)及其控制方法，其通過設計多個減壓壓力等級和多條可隨著儲氫罐的壓力變化而切換的供氫線路，可以同時實現(xiàn)充分利用儲氫罐的容量和減少壓縮機組的壓縮功耗的效果。

2、本發(fā)明的實施例可以這樣實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括儲氫罐、供氫線路、壓縮子系統(tǒng)和回流線路；

4、多個所述儲氫罐通過所述供氫線路連接到所述壓縮子系統(tǒng)，多個所述壓縮子系統(tǒng)依次串聯(lián)，形成多級壓縮系統(tǒng)，其中，多個所述儲氫罐通過一條所述供氫線路連接到一級所述壓縮子系統(tǒng)上，最后1級的所述壓縮子系統(tǒng)通過所述回流線路向所述儲氫罐回流氫氣。

5、在可選的實施方式中，每個所述供氫線路上包括沿氣體流向依次設置的開關閥、第一調(diào)節(jié)閥和第一單向閥；其中，所述第一調(diào)節(jié)閥上連接有第一壓力監(jiān)測控制報警裝置，所述第一壓力監(jiān)測控制報警裝置以所述壓縮子系統(tǒng)的入口壓力為控制目標，實現(xiàn)在所述儲氫罐的壓力波動及出口氫氣流量波動的情況下，保持所述壓縮子系統(tǒng)的入口壓力的穩(wěn)定。

6、在可選的實施方式中，每個所述壓縮子系統(tǒng)包括依次設置的入口緩沖罐、離心壓縮機、出口緩沖罐、冷卻器、出口單向閥、回流調(diào)節(jié)閥和回流單向閥；在每個所述壓縮子系統(tǒng)中，所述回流調(diào)節(jié)閥上連接有第二壓力監(jiān)測控制報警裝置，最后1級所述壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的所述回流調(diào)節(jié)閥以所述出口緩沖罐的出口壓力為控制目標，其余級所述壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的所述回流調(diào)節(jié)閥以下一級所述壓縮子系統(tǒng)的入口壓力為控制目標，在每一級所述壓縮子系統(tǒng)的入口氫氣流量波動情況下，實現(xiàn)第2級至最后1級所述壓縮子系統(tǒng)的入口壓力的穩(wěn)定以及最后1級所述壓縮子系統(tǒng)的出口壓力的穩(wěn)定。

7、在可選的實施方式中，每一級所述壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的所述離心壓縮機均采用單獨的軸運行，以實現(xiàn)每一級所述壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的所述離心壓縮機可以獨立啟停運行。

8、在可選的實施方式中，所述回流線路上包括沿氣體流向依次設置有第二單向閥、第二調(diào)節(jié)閥和第三單向閥；其中，所述第二調(diào)節(jié)閥與第三壓力監(jiān)測控制報警裝置相連，以系統(tǒng)的出口壓力為控制目標，在系統(tǒng)出口流量波動情況下，實現(xiàn)保持系統(tǒng)的出口壓力穩(wěn)定。

9、第二方面，本發(fā)明提供一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)的控制方法，所述控制方法應用于前述實施方式所述的系統(tǒng)，在儲氫罐的出口壓力高于(pn+a)mpa的情況下，其中，pn為最后1級(第n級)壓縮子系統(tǒng)的額定入口壓力，a為考慮系統(tǒng)壓力下降過程中壓力損耗的設定值，所述方法包括：

10、s1：控制儲氫罐向第1級到第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥均處于關閉狀態(tài)，儲氫罐向第n級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥處于開啟狀態(tài)，第1級到第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機均處于停機熱備狀態(tài)，第n級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機處于運行狀態(tài)；

11、s2：當儲氫罐的出口壓力下降到低于(pn+a)mpa時，打開儲氫罐向第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

12、s3：在s2完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機；

13、s4：在s3完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，關閉儲氫罐向第n級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

14、s5：依此類推，當儲氫罐的出口壓力下降到低于(p2+a)mpa時，打開儲氫罐向第1級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

15、s6：在s5完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動第1級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機；

16、s7：在s6完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，關閉儲氫罐向第2級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥。

17、在可選的實施方式中，在儲氫罐的出口壓力上升到高于(p2+b)mpa的情況下，b為考慮系統(tǒng)壓力上升過程壓力損耗的設定值，b＞a，所述方法包括以下步驟：

18、s8：打開儲氫罐向第2級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

19、s9：在s8完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，關閉儲氫罐向第1級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

20、s10：在s9完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，將第1級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機切換到停機熱備狀態(tài)；

21、s11：依此類推，當儲氫罐的出口壓力上升到高于(pn+b)mpa時，打開儲氫罐向第n級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

22、s12：在s11完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，關閉儲氫罐向第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)的供氫線路上的開關閥；

23、s13：在s12完成且系統(tǒng)穩(wěn)定后，將第(n-1)級壓縮子系統(tǒng)內(nèi)的離心壓縮機切換到停機熱備狀態(tài)。

24、本發(fā)明實施例提供的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)及其控制方法的有益效果包括：

25、1.通過設計多個減壓壓力等級和多條可隨著氣態(tài)儲氫罐區(qū)壓力變化切換的供氫線路，可以實現(xiàn)在儲氫罐處于較高壓力水平時關閉部分壓縮機，從而在保證儲氫罐可以達到盡可能低的最低壓力、最大化利用儲氫罐區(qū)庫容的前提下，盡可能減小減壓和升壓的比例，從而實現(xiàn)在氣態(tài)儲氫罐區(qū)壓力寬范圍波動內(nèi)均可以盡量降低壓縮功耗；

26、2.本發(fā)明實施例提供的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)相比現(xiàn)有設計增加的設備較少，因而可以實現(xiàn)在固定投資增加較少的情況下顯著增加整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

技術特征：

1.一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括儲氫罐(1)、供氫線路(3)、壓縮子系統(tǒng)(4)和回流線路(5)；

2.根據(jù)權利要求1所述的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，其特征在于，每個所述供氫線路(3)上包括沿氣體流向依次設置的開關閥(31)、第一調(diào)節(jié)閥(32)和第一單向閥(33)；其中，所述第一調(diào)節(jié)閥(32)上連接有第一壓力監(jiān)測控制報警裝置(6)，所述第一壓力監(jiān)測控制報警裝置(6)以所述壓縮子系統(tǒng)(4)的入口壓力為控制目標，實現(xiàn)在所述儲氫罐(1)的壓力波動及出口氫氣流量波動的情況下，保持所述壓縮子系統(tǒng)(4)的入口壓力的穩(wěn)定。

3.根據(jù)權利要求2所述的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，其特征在于，每個所述壓縮子系統(tǒng)(4)包括依次設置的入口緩沖罐(41)、離心壓縮機(42)、出口緩沖罐(43)、冷卻器(44)、出口單向閥(45)、回流調(diào)節(jié)閥(46)和回流單向閥(47)；在每個所述壓縮子系統(tǒng)(4)中，所述回流調(diào)節(jié)閥(46)上連接有第二壓力監(jiān)測控制報警裝置(7)，最后1級所述壓縮子系統(tǒng)(4)內(nèi)的所述回流調(diào)節(jié)閥(46)以所述出口緩沖罐(43)的出口壓力為控制目標，其余級所述壓縮子系統(tǒng)(4)內(nèi)的所述回流調(diào)節(jié)閥(46)以下一級所述壓縮子系統(tǒng)(4)的入口壓力為控制目標，在每一級所述壓縮子系統(tǒng)(4)的入口氫氣流量波動情況下，實現(xiàn)第2級至最后1級所述壓縮子系統(tǒng)(4)的入口壓力的穩(wěn)定以及最后1級所述壓縮子系統(tǒng)(4)的出口壓力的穩(wěn)定。

4.根據(jù)權利要求3所述的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，其特征在于，每一級所述壓縮子系統(tǒng)(4)內(nèi)的所述離心壓縮機(42)均采用單獨的軸運行，以實現(xiàn)每一級所述壓縮子系統(tǒng)(4)內(nèi)的所述離心壓縮機(42)可以獨立啟停運行。

5.根據(jù)權利要求3所述的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述回流線路(5)上包括沿氣體流向依次設置有第二單向閥(51)、第二調(diào)節(jié)閥(52)和第三單向閥(53)；其中，所述第二調(diào)節(jié)閥(52)與第三壓力監(jiān)測控制報警裝置(8)相連，以系統(tǒng)的出口壓力為控制目標，在系統(tǒng)出口流量波動情況下，實現(xiàn)保持系統(tǒng)的出口壓力穩(wěn)定。

6.一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制方法應用于權利要求1所述的系統(tǒng)，在儲氫罐(1)的出口壓力高于(pn+a)mpa的情況下，其中，pn為最后1級(第n級)壓縮子系統(tǒng)(4)的額定入口壓力，a為考慮系統(tǒng)壓力下降過程中壓力損耗的設定值，所述方法包括：

7.根據(jù)權利要求6所述的適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，在儲氫罐(1)的出口壓力上升到高于(p2+b)mpa的情況下，b為考慮系統(tǒng)壓力上升過程壓力損耗的設定值，b＞a，所述方法包括以下步驟：

技術總結
本發(fā)明提供了一種適應寬范圍壓力波動的儲供氫系統(tǒng)及其控制方法，涉及儲供氫技術領域。在風光發(fā)電耦合制氫及氫利用工程中，為充分利用儲氫罐的緩沖能力，通常設計儲氫罐的壓力波動范圍寬、設計儲氫壓力下限低，這帶來了儲氫罐的下游壓縮機組設計入口壓力低、壓縮功耗大的問題。本發(fā)明通過設計多個減壓壓力等級和多條可隨著儲氫罐的壓力變化切換的供氫線路，可以同時實現(xiàn)充分利用儲氫罐容量和減少壓縮機組壓縮功耗的效果。

技術研發(fā)人員：林瑞霄,侯嵐,李汶穎,林今,劉旭檳
受保護的技術使用者：清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10