整流柜輸出電流穩(wěn)定，輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常，電解槽滿功率運(yùn)行……10月25日，安徽電力科學(xué)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(xiàng)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(xiàng)目工程是國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)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(chǔ)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(shí)施。9月24日，該工程實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜電解槽滿功率出氫，制氫效率達(dá)每小時(shí)220標(biāo)準(zhǔn)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(jī)容量占總裝機(jī)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(yùn)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)?！霸谶@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(shí)，為就地售氫做好準(zhǔn)備。”來自安徽電科院的六安兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項(xiàng)目工程系統(tǒng)集成及示范課題研究團(tuán)隊(duì)帶頭人滕越說。
確定站址后，研究團(tuán)隊(duì)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(dāng)?shù)匦履茉唇尤搿㈦妰r(jià)、氫價(jià)等實(shí)際情況，對制氫綜合利用系統(tǒng)容量進(jìn)行合理配置。2019年，在清華大學(xué)電機(jī)系氫能互聯(lián)網(wǎng)研究團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，課題研究團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)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(diǎn)分析。
“我們要分析不同容量的系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)換效率以及可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)負(fù)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(fēng)電及用電情況等邊界條件?！卑不针娍圃弘娫粗行母敝魅巍㈨?xiàng)目參與人陳國宏說。
研究團(tuán)隊(duì)以系統(tǒng)投資收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，通過氫能綜合利用系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析算法，于2019年10月確定了容量配置：光伏發(fā)電裝機(jī)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(jī)系統(tǒng)氣流量每小時(shí)260標(biāo)準(zhǔn)立方米、氫氣儲(chǔ)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(tái)250千瓦質(zhì)子交換膜電解槽系統(tǒng)滿功率出氫運(yùn)行，能效達(dá)到85%，超過國家一級能效要求?！?0月22日，合肥工業(yè)大學(xué)研究院張賢文說。當(dāng)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(tuán)隊(duì)關(guān)于項(xiàng)目主要工作思路和技術(shù)路線的匯報(bào)，并實(shí)地查看驗(yàn)證示范工程試運(yùn)行情況后，認(rèn)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(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難的決心和堅(jiān)持不懈的努力。
兆瓦級氫能綜合利用站內(nèi)的保護(hù)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(tuán)隊(duì)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(yùn)行為主，沒有兆瓦級大規(guī)模工程化的設(shè)計(jì)建設(shè)先例。輔機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備選型，監(jiān)控系統(tǒng)、控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制都是首次?！彪浇榻B說。
在整個(gè)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(yùn)行，將決定制氫質(zhì)量和效率。研究團(tuán)隊(duì)首先需完成250千瓦電解槽的研發(fā)設(shè)計(jì)，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(tuán)隊(duì)與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所聯(lián)合設(shè)計(jì)制造出250千瓦電解槽，并提出了寬功率波動(dòng)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(shí)，通過自主調(diào)節(jié)變頻水泵等輔助設(shè)備，快速平穩(wěn)進(jìn)入新的運(yùn)行點(diǎn)，最終實(shí)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(shí)，電解槽都能正常運(yùn)行制氫。”滕越解釋道。
之后，研究團(tuán)隊(duì)逐步優(yōu)化了設(shè)備部件和組合單元，有效集成控制保護(hù)、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(tuán)隊(duì)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(jì)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(jìn)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(gè)站內(nèi)?！标悋暾f，“研究團(tuán)隊(duì)沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以參考，只能自主研究?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)開展燃料電池放電試驗(yàn)時(shí)，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(huì)縮減。溫度越高，膜的使用周期就越短，氫能綜合利用站的運(yùn)行成本就會(huì)增加，還可能增加安全風(fēng)險(xiǎn)，非常不利于后期的建設(shè)推廣。
經(jīng)過1個(gè)月的試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)采取加大管道口徑、增加循環(huán)水泵的方法解決了這個(gè)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(jì)、安全、高效的運(yùn)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(yùn)行?！斑@將進(jìn)一步加強(qiáng)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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