整流柜輸出電流穩(wěn)定，輔助系統(tǒng)運行正常，電解槽滿功率運行……10月25日，安徽電力科學研究院工作人員正測試六安兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項目工程設(shè)備，并記錄有關(guān)情況。
六安兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項目工程是國家電網(wǎng)有限公司科技項目“兆瓦級制氫綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”的配套示范工程。工程建有包括純水電解制氫車間、燃料電池發(fā)電車間、配電綜合樓等設(shè)施，形成了完整的制氫、儲氫及氫發(fā)電技術(shù)鏈條。國網(wǎng)安徽省電力有限公司從2019年起牽頭該工程的研究和實施。9月24日，該工程實現(xiàn)質(zhì)子交換膜電解槽滿功率出氫，制氫效率達每小時220標準立方米。
因地制宜選址
確定最佳配置模式
截至今年9月底，六安電網(wǎng)新能源發(fā)電裝機容量占總裝機容量的56.2%。六安電網(wǎng)新能源電力送出能力已接近上限。新能源大規(guī)模接入和分布式電源快速發(fā)展，給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)，電網(wǎng)調(diào)峰壓力與新能源消納的矛盾日益突出。
氫能作為一種清潔、高效的可持續(xù)能源，是清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。2019年，六安開始規(guī)劃建設(shè)46萬平方米的氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，主要開展氫燃料電池的研發(fā)和生產(chǎn)。“在這里建設(shè)兆瓦級氫能綜合利用站，一方面可以利用可再生能源制氫，另一方面能夠在解決區(qū)域新能源消納問題的同時，為就地售氫做好準備?！眮碜园不针娍圃旱牧舱淄呒墯淠芫C合利用站科技示范項目工程系統(tǒng)集成及示范課題研究團隊帶頭人滕越說。
確定站址后，研究團隊首先要解決的是兆瓦級制氫綜合利用系統(tǒng)的最佳配置模式問題。簡單地說，就是要根據(jù)當?shù)匦履茉唇尤?、電價、氫價等實際情況，對制氫綜合利用系統(tǒng)容量進行合理配置。2019年，在清華大學電機系氫能互聯(lián)網(wǎng)研究團隊的指導(dǎo)下，課題研究團隊開始進行對電制氫系統(tǒng)變流器、電解槽、分離器等關(guān)鍵設(shè)備的性能特點分析。
“我們要分析不同容量的系統(tǒng)在不同運行方式下的轉(zhuǎn)換效率以及可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)負荷曲線及調(diào)峰需求，并綜合考慮六安地區(qū)光伏發(fā)電、風電及用電情況等邊界條件。”安徽電科院電源中心副主任、項目參與人陳國宏說。
研究團隊以系統(tǒng)投資收益最大化為目標函數(shù)，通過氫能綜合利用系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析算法，于2019年10月確定了容量配置：光伏發(fā)電裝機容量500千瓦、電解槽系統(tǒng)容量1000千瓦、燃料電池系統(tǒng)容量1000千瓦、氫氣壓縮機系統(tǒng)氣流量每小時260標準立方米、氫氣儲罐系統(tǒng)容量180千克。該配置將在未來“售氫+售電”商業(yè)模式下獲得最大收益。
解決系統(tǒng)集成難題
取得決定性突破
“4臺250千瓦質(zhì)子交換膜電解槽系統(tǒng)滿功率出氫運行，能效達到85%，超過國家一級能效要求?！?0月22日，合肥工業(yè)大學研究院張賢文說。當天，由專業(yè)院校研究員、博士生導(dǎo)師、企業(yè)氫能研發(fā)人員組成的專家組聽取了研究團隊關(guān)于項目主要工作思路和技術(shù)路線的匯報，并實地查看驗證示范工程試運行情況后，認為相關(guān)課題研究已取得決定性突破。
取得這樣的成績，離不開研究團隊攻堅克難的決心和堅持不懈的努力。
兆瓦級氫能綜合利用站內(nèi)的保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、電源管理、氫氣純化等系統(tǒng)該如何集成，就是研究團隊面臨的一大難題。
“國內(nèi)的質(zhì)子交換膜純水電解制氫主要以小規(guī)模、單槽運行為主，沒有兆瓦級大規(guī)模工程化的設(shè)計建設(shè)先例。輔機系統(tǒng)的設(shè)備選型，監(jiān)控系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)的設(shè)計研制都是首次。”滕越介紹說。
在整個制氫綜合利用系統(tǒng)中，電解槽是最關(guān)鍵的設(shè)備。電解槽能否高效穩(wěn)定運行，將決定制氫質(zhì)量和效率。研究團隊首先需完成250千瓦電解槽的研發(fā)設(shè)計，再解決電解槽串、并聯(lián)后對制氫綜合利用系統(tǒng)的電接入、氣路、水路布置的影響問題。
2020年9月，研究團隊與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、中國科學院大連化學物理研究所聯(lián)合設(shè)計制造出250千瓦電解槽，并提出了寬功率波動下電解制氫溫壓約束下自洽性響應(yīng)調(diào)控方法。該調(diào)控方法既可讓制氫系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)氫量需求或輸入功率變化，來調(diào)節(jié)電解槽的投入數(shù)量及功率，又可讓制氫系統(tǒng)在電解槽受到溫度、壓力等條件的約束時，通過自主調(diào)節(jié)變頻水泵等輔助設(shè)備，快速平穩(wěn)進入新的運行點，最終實現(xiàn)電解槽可響應(yīng)0至120%的寬功率范圍內(nèi)的快速調(diào)節(jié)。
“也就是說，在發(fā)電站功率不到1兆瓦或超過1兆瓦時，電解槽都能正常運行制氫?！彪浇忉尩?。
之后，研究團隊逐步優(yōu)化了設(shè)備部件和組合單元，有效集成控制保護、監(jiān)控系統(tǒng)、電源管理、氫氣純化等功能設(shè)備。2020年9月，研究團隊完成了高效、高可靠的兆瓦級質(zhì)子交換膜純水電解制氫系統(tǒng)開發(fā)。
自主研究設(shè)計方案
探索示范站安全布局
10月28日，在六安兆瓦級氫能綜合利用站主控樓樓頂，4名工作人員正將185塊光伏板安裝就位。工程的設(shè)備安裝進入最后階段。
“完成系統(tǒng)集成技術(shù)研究后，我們還要研究如何將這些系統(tǒng)緊湊、安全地布局在一個站內(nèi)?！标悋暾f，“研究團隊沒有相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗可以參考，只能自主研究?！?/p>
研究團隊翻閱了大量資料，收集整理氫能綜合利用站建設(shè)所涉及的相關(guān)規(guī)定，再反復(fù)推敲、測試每一組數(shù)據(jù)。
2020年10月，研究團隊開展燃料電池放電試驗時，發(fā)現(xiàn)電池溫度怎么都降不下來。如果溫度一直過高，質(zhì)子交換膜的使用壽命就會縮減。溫度越高，膜的使用周期就越短，氫能綜合利用站的運行成本就會增加，還可能增加安全風險，非常不利于后期的建設(shè)推廣。
經(jīng)過1個月的試驗，研究團隊得出結(jié)論，燃料電池溫度過高和循環(huán)水的口徑大小、流速都有關(guān)系。隨后，研究團隊采取加大管道口徑、增加循環(huán)水泵的方法解決了這個問題。
最終，六安兆瓦級氫能綜合利用站的布局結(jié)構(gòu)符合經(jīng)濟、安全、高效的運維需求。
六安兆瓦級氫能綜合利用站將于今年12月建設(shè)完成并投入運行。“這將進一步加強電力系統(tǒng)與氫能產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，支撐氫能相關(guān)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！眹W(wǎng)安徽電力科技部科技處處長陳慶濤說。
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