一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统的制作方法

1.本发明属于海上电解水制氢制氨领域，具体涉及一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统。


背景技术：

2.风电制氢产生的氢气为“绿氢”，且可提高风能的利用率，并缓解弃风问题。而风电制氢需要大量淡水，陆地大规模风电场通常位于西北地区，淡水资源紧张，从而制约了陆上风电制氢的应用拓展。随着我国沿海风电场的不断增长，利用海上风电制氢，不仅可采用海水进行淡化，制氢所需淡水取之不尽用之不竭，可满足电解用水，还可消纳海上风电场的弃风弃电，这使得利用海上风电制氢应用前景更为广阔。
3.然而，由于海上风电具有随机性、不稳定性、波动性较大的特点，功率输出波动范围较大，而水电解制氢设备对电能质量的稳定性要求较高，频繁的电力波动会影响设备的运行寿命，增加设备维护成本，也会影响产品氢气的纯度，氢气中氧气含量会提高，带来安全风险。此外，海上风电制取的氢气需要进行大规模存储，但氢气液化不仅耗电量大，且液氢则需要在零下253摄氏度以下储存,这使得大规模液化存储氢成本过高，且难以实现。而氨作为一种清洁燃料，在零下33.35摄氏度以下即可液化，大规模液氨储运不但技术上容易实现，且储运成本也大大降低。
4.因而，针对海上风电特性和液氢大规模存储难的问题，如何设计一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢合成氨系统，以提高对海上风电宽功率波动的适应能力，并延长电解水制氢有效作业时长，进而提高氢气品质；同时，可将氢合成氨气，以氨作为氢能载体，进行大规模液化储运，不仅可大大降低液氢储运成本，也有利于海上风电制氢产业链的完善及应用推广。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，旨在达到可提高对海上风电宽功率波动的适应能力，并延长电解水制氢有效作业时长，进而提高氢气品质。同时，将制取的氢进一步合成氨气，以氨作为氢能载体，便于大规模液化储运，并可大大降低储运成本的目的，其所采用的技术方案是：
6.一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，有海水淡化系统和电解水制氢系统，海水淡化系统将淡化好的淡水输送给电解水制氢系统，电解水制氢系统分别将制得的氧气输送至氧气储运系统，将制得的氢气输送至氢供给补偿系统，经过氢供给补偿系统处理，将高压氢输送给氨合成及液化系统。
7.氨合成及液化系统还连接有空分系统，氨合成及液化系统将合成的液氨输送至液氨储运系统。
8.上述一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，更近一步地，电解水制氢系统有碱性电解水制氢系统和pem电解水制氢系统，碱性电解水制氢系统带有碱性
电解槽单元和第一干燥器，pem电解水制氢系统带有pem电解槽单元和第二干燥器。
9.海水淡化系统带有海水淡化单元和深度除盐单元处理，海水淡化单元的入口为海水，出口分别与碱性电解槽单元和深度除盐单元入口相连，深度除盐单元出口与pem电解槽相连。
10.氢气经第一干燥器、第二干燥器出来后，分别与氢供给及补偿系统的氢气供给补偿罐、氢气存储用压缩机、氢液化单元连接，氢气存储用压缩机通过管路与氢气高压瓶连接，氢液化单元通过管路依次与小型氢液化存储罐、气化单元连接，氢气供给补偿罐、氢气高压瓶、气化单元汇总后依次连接有流量计和氢气增压机，经由氢气增压机接入至氨合成液化系统中，与氨合成液化系统的氨合成单元连接。
11.氨合成液化系统带有氨合成单元，氨合成单元通过管路依次与冷却单元、氨分离单元和循环气压缩机连接，空分系统带有空分单元、氮气干燥器和氮气压缩机，氮气压缩机与氨合成单元连接。
12.液氨储运系统带有液氨存储罐，氨分离单元与液氨存储罐连接。
13.上述一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，更近一步地，氨合成单元通过管路依次与冷却单元、氨分离单元和循环气压缩机连接后返回至氨合成单元，形成循环网。
14.上述一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，更近一步地，液氨存储罐带有液氨驳运泵。
15.上述一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，更近一步地，氧气储运系统带有氧气干燥器、氧气压缩机和高压氧气瓶，碱性电解槽、pem电解槽的出口与氧气干燥器连接，氧气干燥器通过管路依次与氧气压缩机、高压氧气瓶连接。
16.上述一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，更近一步地，流量计与空分单元信号连接。
17.本发明不仅可提高对海上风电宽功率波动的适应能力，并延长电解水制氢有效作业时长，进而提高氢气品质，同时，将制取的氢进一步合成氨气，以氨作为氢能载体，便于液化储运，可大大降低储运成本，尤其可配置在不同类型的海工搭载平台，具有较强的灵活性和经济性。因此，本发明也为宽功率波动海上风电的电解水制氢合成氨技术提供一种有效的技术方案，且具有较大的应用前景。
附图说明
18.图1是本发明的系统图；
19.其中：1-海水淡化系统、2-电解水制氢系统、3-氧气储运系统、4-氢供给及补偿系统、5-空分系统、6-氨合成及液化系统、7-液氨储运系统、11-海水淡化单元、12-深度除盐单元、21-碱性电解槽单元、22-第一干燥器、23-pem电解槽单元、24-第二干燥器、31-氧气干燥器、32-氧气压缩机、33-高压氧气瓶、41-氢气供给补偿罐、42-氢气存储用压缩机、43-氢气高压瓶、44-氢液化单元、45-小型氢液化存储罐、46-气化单元、47-流量计、48-氢气增压机、51-空分单元、52-氮气干燥器、53-氮气压缩机、61-氨合成单元、62-冷却单元、63-氨分离单元、64-循环气压缩机、71-液氨存储罐和72-液氨驳运泵。
具体实施方式
20.结合附图对本发明做进一步说明。
21.如图1所示的适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，有海水淡化系统、电解水制氢系统、氧气储运系统、氢供给及补偿系统、空分系统、氨合成及液化系统和液氨储运系统组成。海水淡化系统实现为电解水制氢系统供给所需电解用水功能，具体流程为：海水经海水淡化单元处理后的淡水，一部分直接用于碱性电解槽单元进行电解水制氢，另一部分进入深度除盐单元进行纯水制备，用于pem电解槽单元电解水制氢。
22.电解水制氢系统实现电解水制氢功能，由碱性电解水制氢系统和pem电解水制氢系统组成，碱性电解水制氢系统具体流程为：利用海上风电对经海水淡化单元处理后的淡水进行电解水制氢，并经干燥器进行干燥处理后输送至氢供给及补偿系统，副产品氧气输送至氧气储运系统；pem电解水制氢系统具体流程为：利用海上风电对深度除盐单元制备的纯水进行电解水制氢，并经干燥器进行干燥处理后输送至氢供给及补偿系统，副产品氧气输送至氧气储运系统。当海上风电满功率或超功率运行时，碱性电解水制氢系统和pem电解水制氢系统可同时利用海上风电进行制备大量氢气；当海上风电低于额定功率运行时，依据海上风电实时功率和碱性电解槽配置数量，可减少甚至停止碱性电解水制氢系统的运行与实时功率进行匹配，pem电解水制氢系统可在低功率下一直保持运行。
23.氧气储运系统由氧气干燥器、氧气压缩机和高压氧气瓶组成；实现副产品氧气的干燥、压缩、储运功能，具体流程为：电解水制氢系统制备的副产品氧气可经氧气干燥器后，经氧气压缩机压缩，存储于高压氧气瓶，并设置放空管线作为备选；高压氧气瓶可经吊运进行装卸外运。
24.氢供给及补偿系统由氢气供给补偿罐、氢气存储用压缩机、氢气高压瓶、氢液化单元、小型氢液化存储罐、气化单元、流量计和氢气增压机组成，实现将电解水制氢系统制备的氢气供给或补偿至氨合成及液化系统。具体流程为：当海上风电满功率或超功率运行时，电解水制氢系统制备的氢气可直接经氢气供给补偿罐稳流后，进入流量计，然后经氢气增压机进行压缩，供给氨合成单元；同时多余的氢气可经氢气存储用压缩机、氢气高压瓶进行压缩存储，也可经氢液化单元液化后，进入小型氢液化存储罐存储；当海上风电低于额定功率运行时，电解水制氢系统制备的氢气可直接经氢气供给补偿罐稳流后，进入流量计，然后经氢气增压机进行压缩，供给氨合成单元；此外，为补偿氢气供给量，氢气高压瓶可提供氢气，进入流量计，然后经氢气增压机进行压缩，供给氨合成单元，且小型氢液化存储罐也可提供液氢，经气化单元变为气体后，进入流量计，然后经氢气增压机进行压缩，供给氨合成单元。
25.空分系统由空分单元、氮气干燥器、氮气压缩机组成，实现功能为：空分单元利用空气制取氮气，并可依据氢供给及补偿系统配置的流量计的反馈信号，控制制氮量，以实现氮氢自动配比合成氨；具体流程为：由空分单元进行氮气制备，氮气经氮气干燥器进行干燥分离后，经氮气压缩机进行增压后，送至氨合成单元。
26.氨合成及液化系统由氨合成单元、冷却单元、氨分离单元和循环气压缩机组成。实现功能具体流程为：将来自空分系统的氮气和来自氢供给及补偿系统的氢气，在氨合成单元进行催化合成为氨气后，经冷却单元液化处理后，进入氨分离单元进行提纯，然后将液氨存储至液氨存储罐。同时，由于氨合成单元并不能完全把氮气和氢气合成氨，而氮气和氢气
的液化温度远低于氨气，故在氨分离单元分理出的氮气和氢气经循环气压缩机压缩后，进入氨合成单元进行再合成，可大大提高经济性。
27.液氨储运系统由液氨存储罐和液氨驳运泵组成；实现功能具体流程为：可将氨合成及液化系统制备的液氨大规模存储于液氨存储罐，并可通过液氨驳运泵将存储于液氨存储罐的液氨进行外输操作。
28.本发明不仅可提高对海上风电宽功率波动的适应能力，并延长电解水制氢有效作业时长，进而提高氢气品质，同时，将制取的氢进一步合成氨气，以氨作为氢能载体，便于液化储运，可大大降低储运成本，尤其可配置在不同类型的海工搭载平台，具有较强的灵活性和经济性。因此，本发明也为宽功率波动海上风电的电解水制氢合成氨技术提供一种有效的技术方案，且具有较大的应用前景。

技术特征：
1.一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：有海水淡化系统(1)和电解水制氢系统(2)，海水淡化系统将淡化好的淡水输送给电解水制氢系统，电解水制氢系统分别将制得的氧气输送至氧气储运系统(3)，将制得的氢气输送至氢供给补偿系统(4)，经过氢供给补偿系统处理，将高压氢输送给氨合成及液化系统(6)；氨合成及液化系统还连接有空分系统(5)，氨合成及液化系统将合成的液氨输送至液氨储运系统(7)。2.根据权利要求1所述的一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：电解水制氢系统有碱性电解水制氢系统和pem电解水制氢系统，碱性电解水制氢系统带有碱性电解槽单元(21)和第一干燥器(22)，pem电解水制氢系统带有pem电解槽单元(23)和第二干燥器(24)；海水淡化系统带有海水淡化单元(11)和深度除盐单元(12)处理，海水淡化单元的入口为海水，出口分别与碱性电解槽单元和深度除盐单元入口相连，深度除盐单元出口与pem电解槽相连；氢气经第一干燥器、第二干燥器出来后，分别与氢供给及补偿系统的氢气供给补偿罐(41)、氢气存储用压缩机(42)、氢液化单元(44)连接，氢气存储用压缩机通过管路与氢气高压瓶(43)连接，氢液化单元通过管路依次与小型氢液化存储罐(45)、气化单元(46)连接，氢气供给补偿罐、氢气高压瓶、气化单元汇总后依次连接有流量计(47)和氢气增压机(48)，经由氢气增压机接入至氨合成液化系统中，与氨合成液化系统的氨合成单元(61)连接；氨合成液化系统带有氨合成单元，氨合成单元通过管路依次与冷却单元(62)、氨分离单元(63)和循环气压缩机(64)连接，空分系统带有空分单元(51)、氮气干燥器(52)和氮气压缩机(53)，氮气压缩机与氨合成单元连接；液氨储运系统带有液氨存储罐(71)，氨分离单元与液氨存储罐连接。3.根据权利要求2所述的一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：氨合成单元通过管路依次与冷却单元、氨分离单元和循环气压缩机连接后返回至氨合成单元，形成循环网。4.根据权利要求2所述的一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：液氨存储罐带有液氨驳运泵(72)。5.根据权利要求1所述的一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：氧气储运系统带有氧气干燥器、氧气压缩机和高压氧气瓶，碱性电解槽、pem电解槽的出口与氧气干燥器连接，氧气干燥器通过管路依次与氧气压缩机、高压氧气瓶连接。6.根据权利要求1所述的一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，其特征在于：流量计与空分单元信号连接。

技术总结
一种适用于宽功率波动海上风电的电解水制氢制氨系统，有海水淡化系统和电解水制氢系统，海水淡化系统将淡化好的淡水输送给电解水制氢系统，电解水制氢系统分别将制得的氧气输送至氧气储运系统，将制得的氢气输送至氢供给补偿系统，经过氢供给补偿系统处理，将高压氢输送给氨合成及液化系统。氨合成及液化系统还连接有空分系统，氨合成及液化系统将合成的液氨输送至液氨储运系统。本发明不仅可提高对海上风电宽功率波动的适应能力，并延长电解水制氢有效作业时长，进而提高氢气品质，同时，将制取的氢进一步合成氨气，以氨作为氢能载体，便于液化储运，可大大降低储运成本，尤其可配置在不同类型的海工搭载平台，具有较强的灵活性和经济性。和经济性。和经济性。


技术研发人员：齐亮 朱培鑫 于淼 马士林 嵇智勇 郭扬立 孙连科 杨晓玲
受保护的技术使用者：大连船舶重工集团有限公司
技术研发日：2022.10.28
技术公布日：2023/9/3