可再生能源制氫中的氫氣緩存系統(tǒng)工藝方案研究

趙國強(qiáng)

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

電解水制氫是在直流電的作用下，通過電化學(xué)反應(yīng)將水分子解離為氫氣與氧氣的過程。目前技術(shù)成熟的有堿性電解水制氫和質(zhì)子膜電解水制氫兩種技術(shù)[1-2]。堿性電解水制氫是目前工業(yè)化電解水制氫的主流工藝。

電解水制氫的能耗主要為電耗。采用可再生能源為電解水制氫提供電源而產(chǎn)生的氫氣，稱為“綠氫”，相應(yīng)的電源稱為“綠電”。

2 可再生能源制綠氫特點(diǎn)

以風(fēng)電和光電為主的可再生能源發(fā)電具有波動(dòng)性、間歇性和偶然性，受氣象、地理位置等因素影響較大，其波峰和波谷陡峭且不斷變化，導(dǎo)致電解水制氫裝置的負(fù)荷不斷變化，因此產(chǎn)氫量隨電源負(fù)荷的波動(dòng)而波動(dòng)。而下游的氫氣用戶，尤其是大型用戶多為連續(xù)且相對穩(wěn)定操作的化工裝置。氫氣緩存系統(tǒng)是平衡可再生能源制氫波動(dòng)性、滿足氫氣用戶連續(xù)穩(wěn)定用氫的重要措施。

3 氫氣緩存方式

氫氣的緩存方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫與有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等[3]。

1）低溫液態(tài)儲(chǔ)氫：即先將氣態(tài)氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫氣后緩存起來，需要?dú)錃鈺r(shí)再將液態(tài)氫氣氣化變成氣態(tài)氫氣。但氫氣液化費(fèi)用昂貴，耗能較高，工業(yè)化規(guī)模小。

2）固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)：固態(tài)儲(chǔ)氫方式具有儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合對體積要求較嚴(yán)格的場合，但目前仍處于研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

3）有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫：液態(tài)儲(chǔ)氫，即將氣態(tài)的氫氣經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為含氫的液態(tài)有機(jī)化合物，使用氫氣時(shí)再通過脫氫反應(yīng)獲得，這種儲(chǔ)氫和釋放氫的過程的能耗均較大，目前還存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)。

4）高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用、最成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，其儲(chǔ)存方式為采用氫氣壓縮機(jī)將氫氣壓縮到耐高壓容器中。長管氣瓶、長管管束、鋼瓶組和車載儲(chǔ)氫氣瓶適用于小規(guī)模儲(chǔ)氫，大型儲(chǔ)氫系統(tǒng)仍需要考慮固定儲(chǔ)氫罐。

4 氫氣緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

以某項(xiàng)目為例，說明氫氣緩存系統(tǒng)的優(yōu)化及工藝設(shè)計(jì)。

某項(xiàng)目以風(fēng)電和光電為電源，采用電解水制氫工藝，副產(chǎn)的氫氣有3 個(gè)去向：大部分氫氣送氫氣長輸管網(wǎng)，一少部分氫氣采用長管拖車外售，另一小部分氫氣送下游氫氣液化裝置。

4.1 項(xiàng)目基礎(chǔ)信息

1）采用風(fēng)電和光電耦合電源為主要電源，電解水制氫裝置產(chǎn)氫規(guī)模為20 000 Nm3/h，除安全相關(guān)的設(shè)施用電外，工藝設(shè)備的用電均來自風(fēng)電和光電。

2）氫氣長輸管網(wǎng)壓力為4.0 MPa（G），配套的中壓氫氣壓縮機(jī)采用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，單臺(tái)壓縮機(jī)額定氣量10 000 Nm3/h，2 開1 備；長管拖車充氫配套的氫氣充裝柱的額定充氫量為1600Nm3/h，充裝柱配套的高壓壓縮機(jī)單臺(tái)額定氣量800 Nm3/h，壓力22 MPa（G），2 開1 備；氫氣液化連續(xù)消耗氫氣量1 000 Nm3/h，壓力2～4 MPa（G）。

3）本項(xiàng)目電解水制氫可利用風(fēng)電和光電耦合電源提供電量，低于電解水制氫最低允許運(yùn)行負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間（約6 h/d）。

4）電解水制氫裝置的周期性停車僅考慮光電和風(fēng)電供電不足的情況。

4.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

合理設(shè)置氫氣緩存系統(tǒng)，使電解水制氫在光電和風(fēng)電耦合電源周期性波動(dòng)、不足或中斷的工況下，滿足以下條件：（1）氫氣管網(wǎng)供氫的連續(xù)性，防止氫氣反串；（2）氫氣液化裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 氫氣緩存系統(tǒng)需考慮的時(shí)間因素

氫氣緩存時(shí)間需要考慮兩方面的因素：（1）電源的周期性最大間斷周期：本項(xiàng)目制氫電源光電和風(fēng)電互補(bǔ)，電解水制氫周期性停車的時(shí)間＞6 h 概率較低，同時(shí)考慮緩存成本等因素，確定氫氣緩系統(tǒng)的緩存時(shí)間為6 h。（2）壓縮機(jī)檢修時(shí)間：本項(xiàng)目中壓氫氣壓縮機(jī)常規(guī)檢維修周期約為6 000 h，單臺(tái)壓縮機(jī)常規(guī)檢修最大時(shí)間約24 h。通過合理安排檢修周期，使壓縮機(jī)同時(shí)故障的概率降至最低；也可采取合理備用壓縮機(jī)易損件、完善檢修操作規(guī)程等措施縮短檢修時(shí)間。

受項(xiàng)目占地、投資等因素的限制，極端工況下壓縮機(jī)檢修時(shí)長超出儲(chǔ)罐緩存能力時(shí)，上游電解水制氫采用降低運(yùn)行負(fù)荷的方案，氫氣緩存系統(tǒng)以首先滿足電源周期性間斷情況下連續(xù)供氫。

4.4 儲(chǔ)氫緩存方案比選

上游電解水制氫裝置周期性停車后，由氫氣緩存系統(tǒng)供氫的負(fù)荷按正常操作的50%（對應(yīng)單臺(tái)中壓氫氣壓縮機(jī)）考慮，即10 000 Nm3/h。

儲(chǔ)罐儲(chǔ)氫的能力主要取決于儲(chǔ)罐的容積和儲(chǔ)存初期/ 末期氫氣的壓差，壓差越大，儲(chǔ)存的時(shí)間越長。

綜合氫氣緩存時(shí)間，緩存初期/ 末期壓力、占地及相關(guān)規(guī)范等因素，篩選出3 個(gè)可行的緩存方案，進(jìn)行對比分析。

4.4.1 方案一：壓縮前低壓球罐緩存

受限于氫氣介質(zhì)的危險(xiǎn)性、球罐材質(zhì)及加工制作工藝，目前工業(yè)使用的氫氣球罐最大容積為2 000 m3。當(dāng)選用單罐容積為2 000 m3球罐時(shí)，按GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，氫氣球罐操作壓力最高允許為1.4 MPa（G）。為滿足氫氣壓縮機(jī)的選型要求，壓縮機(jī)入口氫氣的最低壓力不宜低于0.2 MPa（G）。

根據(jù)以上限制，分別考慮氫氣緩存時(shí)間為6 h，氫氣球罐末期操作壓力為0.8 MPa（G）、0.4 MPa（G）、0.2 MPa（G）工況下對應(yīng)的緩存容積信息如表1 所示。

表1 不同末態(tài)壓力工況下氫氣球罐總?cè)莘e

由表1 可知：（1）當(dāng)氫氣球罐末壓為0.8 MPa（G）時(shí)，所需氫氣球罐容積均超過10 000 m3，球罐數(shù)量為5 臺(tái)；（2）當(dāng)氫氣球罐末壓為0.2 MPa（G）對應(yīng)的氫氣球罐容積雖然最小，但此壓力對應(yīng)的氫氣壓縮機(jī)的級數(shù)需要由3 級變?yōu)? 級，對壓縮機(jī)的選型最為苛刻，且球罐數(shù)量為3 臺(tái)；（3）當(dāng)氫氣球罐末壓為0.4 MPa（G）時(shí)，所需氫氣球罐容積為7 859 m3/h，對應(yīng)4 臺(tái)2 000 m3氫氣球罐。此容積可滿足下游氫氣液化裝置最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為60 h。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到操作便捷性，球罐配置時(shí)一般多為偶數(shù)臺(tái)數(shù)，綜上推薦選用末態(tài)壓力0.4 MPa（G），4 臺(tái)2 000 m3球罐方案。

工藝流程簡述：電解水制氫生產(chǎn)的氫氣進(jìn)入氫氣球罐緩存，氫氣球罐出口的氫氣一部分經(jīng)中壓氫氣壓縮機(jī)增壓后送氫氣長輸管網(wǎng)和氫氣液化裝置，另一部分經(jīng)高壓氫氣壓縮機(jī)壓縮并經(jīng)氫氣充裝柱充裝至氫氣長管拖車外售。

4.4.2 方案二：壓縮后高壓儲(chǔ)罐緩存

中壓氫氣壓縮機(jī)后設(shè)置高壓儲(chǔ)罐，將氫氣壓縮至6.0MPa（G）后再送入高壓儲(chǔ)罐，高壓氫氣儲(chǔ)罐釋放氫氣的末態(tài)壓力為4.1 MPa（G），滿足6 h 緩存時(shí)間所需的氫氣儲(chǔ)罐總?cè)莘e為3 912 m3。綜合考慮運(yùn)輸限制、設(shè)備材料、占地等因素，單臺(tái)高壓氫氣儲(chǔ)罐規(guī)格為φ4 000 mm×32 000 mm，臺(tái)數(shù)選用10 臺(tái)。

工藝流程簡述：電解水生產(chǎn)的氫氣，一部分經(jīng)高壓氫氣壓縮機(jī)壓縮后送氫氣充裝，另一部分經(jīng)中壓氫氣壓縮機(jī)壓縮后送高壓氫氣儲(chǔ)罐或直接送氫氣長輸管網(wǎng)，高壓氫氣儲(chǔ)罐出口的氫氣一部分送氫氣長輸管網(wǎng)，另一部分去氫氣液化。當(dāng)高壓氫氣儲(chǔ)罐壓力充至5.0 MPa（G）后，再切換為高壓氫氣壓縮機(jī)繼續(xù)向高壓氫氣儲(chǔ)罐充壓至6.0 MPa（G）。采用高壓氫氣壓縮機(jī)充壓時(shí)，中壓氫氣壓縮機(jī)出口氫氣直接送氫氣管網(wǎng)及氫氣液化。

4.4.3 方案三：高壓氫氣瓶組緩存

設(shè)置20 MPa（G）高壓儲(chǔ)氫瓶組，采用氫氣充裝用壓縮機(jī)充氫氣。向下游供氫時(shí)，氫氣從20 MPa（G）減壓至4.5 MPa（G），對應(yīng)氫氣緩存容積為518 m3，需要水容積為28.3 m3的高壓氫氣瓶組約18 組（單根2.36 m3容積，共需220 根）。

工藝流程簡述：電解水生產(chǎn)的氫氣，一部分經(jīng)高壓氫氣壓縮機(jī)壓縮后送高壓氫氣瓶組緩存或送至氫氣充裝，另一部分經(jīng)中壓氫氣壓縮機(jī)壓縮后送氫氣長輸管網(wǎng)或氫氣液化。當(dāng)電解水供氫不足時(shí)，由高壓氫氣瓶組向氫氣管網(wǎng)、氫氣液化減壓供氫。以上3 種方案對應(yīng)的設(shè)備規(guī)格、設(shè)備質(zhì)量、占地、設(shè)備費(fèi)用對比如表2 所示。

表2 3 種氫氣儲(chǔ)存方案對比表

4.4.4 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案一優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備臺(tái)數(shù)少，系統(tǒng)簡單，操作簡便；（2）對中壓氫氣壓縮機(jī)選型要求低；（3）占地和投資均較小。缺點(diǎn)：（1）氫氣壓縮機(jī)無網(wǎng)電接入，且在光電和風(fēng)電無電時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)向氫氣長輸管網(wǎng)、氫氣液化連續(xù)供氫。

方案二優(yōu)點(diǎn)：（1）占地最少；（2）氫氣壓縮機(jī)無網(wǎng)電接入，且在光電和風(fēng)電無電時(shí)，可通過釋放氫氣儲(chǔ)罐的壓力能實(shí)現(xiàn)向氫氣長輸管網(wǎng)、氫氣液化連續(xù)供氫。

方案二缺點(diǎn)：（1）氫氣介質(zhì)且設(shè)計(jì)壓力高，儲(chǔ)罐壁厚大，設(shè)備投資和施工安裝成本均較高；（2）需要將氫氣壓縮至6.0 MPa（G），因此需要提高中壓氫氣壓縮機(jī)出口壓力，或采用中壓氫氣壓縮機(jī)與高壓氫氣壓縮機(jī)接力方式。

方案三優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備投資最低；（2）氫氣壓縮機(jī)無網(wǎng)電接入，且在光電和風(fēng)電無電時(shí)，可通過釋放氫氣儲(chǔ)罐的壓力能實(shí)現(xiàn)向氫氣長輸管網(wǎng)、氫氣液化連續(xù)供氫。

方案三缺點(diǎn)：（1）氫氣需先從1.4MPa（G）升壓至20MPa（G），再由20 MPa（G）降低至4.5 MPa（G），電耗和循環(huán)水等公用工程消耗大；（2）通過氫氣充裝用壓縮機(jī)向高壓氫氣瓶組充壓，所需時(shí)間較長（＞42 h），因此，需要增加高壓氫氣壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)以滿足快速充氫需要；（3）占地大，投資高；（4）壓差大，瓶組數(shù)量多，操作危險(xiǎn)性最高，檢維修工作量大。

經(jīng)以上比較，綜合考慮占地、投資及操作連續(xù)性、靈活性、安全性等因素，最終選定方案二高壓氫氣儲(chǔ)罐緩存氫氣的方案。

5 結(jié)語

以風(fēng)電、光電為代表的可再生綠色能源，是未來實(shí)現(xiàn)綠電、綠氫的主要能源，但這些能源往往具有周期性、波動(dòng)性、間斷性，而氫氣的用戶，尤其是大型用戶一般為連續(xù)且穩(wěn)定耗氫的化工裝置，氫氣緩存系統(tǒng)是連接綠氫波動(dòng)性、間斷性與化工裝置穩(wěn)定性、連續(xù)性的紐帶，因此氫氣緩存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)綠氫安全、連續(xù)使用的重要措施之一，也是未來綠氫大型工業(yè)化利用的重要內(nèi)容。