基于大容量燃料電池的氫綜合利用站現(xiàn)場測試方法及內(nèi)容研究

徐晨 滕越 須琳 王締

摘要：我國正面臨能源結構調(diào)整和生態(tài)環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應用，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)勢在必行，大容量氫燃料電池的開發(fā)與應用可以有效解決新能源消納、用能優(yōu)化、削峰填谷等能源利用問題。目前，大容量燃料電池的現(xiàn)場測試內(nèi)容及方法還沒有相關標準來進行規(guī)范，因此有必要針對大容量燃料電池現(xiàn)場測試內(nèi)容及方法展開深入的研究，本文主要針對電解水制氫及氫燃料電池系統(tǒng)介紹相關測試內(nèi)容及方法。

關鍵詞：大容量燃料電池，氫綜合利用系統(tǒng)，電解水制氫，現(xiàn)場測試，內(nèi)容及方法

近年來，隨著全球應對氣候變化壓力的持續(xù)增加，氫氣作為一種能量載體越來越受到人們的關注。根據(jù)國際氫能委員會預測，到2050年，氫能源預計將占全球能源需求量的18%，有望推動全球每年減少60億CO排放。美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)將發(fā)展氫能和燃料電池技術提升到了國家戰(zhàn)略層面，制定了發(fā)展規(guī)劃和路線圖，開發(fā)關鍵技術，推動示范應用。

我國十分重視氫能與燃料電池技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2016年以來，我國多項政策和規(guī)劃中，明確提出要發(fā)展氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)。《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》和《氫能技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030）》強調(diào)要開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術。利用光伏、風電、水電來制氫儲能，再利用氫能解決電網(wǎng)用能優(yōu)化、削峰填谷等能源利用問題，既可以實現(xiàn)低碳低成本制氫，也可以有效解決國內(nèi)棄風、棄光、棄水現(xiàn)象。

本文依托于六安兆瓦級氫能綜合利用站科技示范項目，開展針對大容量燃料電池現(xiàn)場測試內(nèi)容及方法的研究。該項目設計總輸出功率為1.3MW，額定功率1MW，年運行小時數(shù)在4000左右，具有電網(wǎng)調(diào)峰填谷作用，定位為地區(qū)小型儲能電站，可在用電低谷時電解水制氫，在用電高峰時利用氫燃料發(fā)電。

1 氫綜合利用站

1.1 設備及系統(tǒng)概述

1.1.1 電解水制氫系統(tǒng)

電解水制氫系統(tǒng)主要包括PEM純水電解槽及一套制氫輔助系統(tǒng)。制氫裝置為組裝單元式箱式結構，制氫裝置由下述部件組成：氫分離洗滌器、氣體分離器、循環(huán)水冷卻器、循環(huán)泵、氫氣純化與干燥器、管路、閥門及一次儀表等構成。

1.1.2燃料電池系統(tǒng)

燃料電池電堆模塊采用箱式結構，可快速定位及簡便拆裝。燃料電池發(fā)電電站采用燃料電池模塊組合而成。燃料電池模塊由以下部件組成：燃料電池電堆、氫氣比例閥、空氣比例閥、分水器、單向閥、回流泵、排放閥、各個工藝流體接口、傳感器及燃料電池模塊控制器等。

1.1.3 站用電電源系統(tǒng)

站用電可供電源系統(tǒng)情況如下：

高壓站用電：10kV，單母線，中性點不接地。

低壓站用電：380V/220V，單母線，中性點直接接地。

2 標準與依據(jù)

目前對氫綜合利用站接入電網(wǎng)調(diào)試及檢測暫無技術規(guī)定，為保障工程整體的安全、質量、進度，我們依據(jù)《火力發(fā)電建設工程機組調(diào)試技術規(guī)范》（DL/T 5294-2013）、《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術規(guī)定》（GB/T 36547-2018）、《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》（GB/T 36548-2018）等標準為基礎，開展針對氫綜合利用站測試內(nèi)容及方法的研究。

3 測試原則

（1）氫綜合利用站建設工程的測試工作應由具有相應資質能力的單位承擔。

（2）工程建設單位在確定工程施工單位的同時，應確定承擔測試的單位，工程建設單位宜邀請調(diào)試專家參與初步設計審查、設備招投標等與工程建設有關的前期工作，對系統(tǒng)設計、設備選型、機組啟動調(diào)試設施的合理性提出意見和建議，以確保工程建設和測試工作的順利進行。

（3）多單位參與測試的工程，建設單位應明確一個主體測試單位。主體測試單位應對測試進度進行總體安排和協(xié)調(diào)，并對結合部位的系統(tǒng)完整性、安全可靠性進行檢查。

4 測試的主要任務

（1）機組測試工作，應按照國家和行業(yè)現(xiàn)行的相關標準、規(guī)程、規(guī)范、導則、規(guī)定以及設計和設備技術文件要求進行。

（2）工程安裝施工階段，建設單位應提供給測試單位一套設計及設備制造廠家的圖紙和資料、以及建設單位編制的工程一級網(wǎng)絡計劃、工程建設各種管理制度等相關文件測試單位應依據(jù)這些圖紙、資料和相關文件，完成測試計劃、測試方案等各種文件的編寫、審核、批準工作;做好各種傳動驗收記錄表、系統(tǒng)試運條件檢查確認表、以及測試需用儀器的準備工作。并深入現(xiàn)場，熟悉設備和系統(tǒng)，對發(fā)現(xiàn)的問題以聯(lián)絡單的方式提出建議。

（3）氫綜合利用站分部試運階段，測試單位應參加單機試運條件檢查、單機試運及驗收，完成設備或系統(tǒng)聯(lián)鎖保護邏輯傳動;負責分系統(tǒng)測試措施交底，并做好調(diào)試措施交底記錄，組織分系統(tǒng)試運條件檢查，負責分系統(tǒng)試運技術指導和設備系統(tǒng)試運記錄，填寫分系統(tǒng)測試質量驗收，對試運中出現(xiàn)的問題提出解決方案或建議。

（4）氫綜合利用站整套啟動試運階段，測試單位應出任試運指揮部整套試運組組長，全面主持整套啟動試運指揮工作，主持試運調(diào)度會，組織整套啟動試運條件檢查確認，負責整套啟動和各項試驗前調(diào)試、試驗措施交底，并做好交底記錄，組織完成各項試驗項目，全面檢查試運機組各系統(tǒng)的合理性和完整性，參加試運值班，監(jiān)督和指導運行操作，做好試運記錄，對試運中出現(xiàn)的重大技術問題提出解決方案或建議。

（5）氫綜合利用站移交生產(chǎn)后，測試單位應在規(guī)定的時間內(nèi)完成各項測試報告的編寫、審核、批準及印刷出版，按時移交存檔資料。在生產(chǎn)單位的安排下，繼續(xù)完成合同中未完成的測試項目，進行調(diào)試質量回訪。

5 測試內(nèi)容

測試對象包括制氫系統(tǒng)設備測試及發(fā)電系統(tǒng)設備測試，主要內(nèi)容應包括分系統(tǒng)測試及整套啟動并網(wǎng)測試。

5.1 分系統(tǒng)測試

5.1.1 制氫系統(tǒng)設備測試

（1）制氫輔助系統(tǒng)單體設備測試

a）純水系統(tǒng)測試;

b）外部冷卻循環(huán)水系統(tǒng)測試;

c）制氫內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)測試。

（2）制氫系統(tǒng)測試

a）制氫控制系統(tǒng)測試;

b）制氫整流系統(tǒng)測試;

c）系統(tǒng)氮氣置換測試;

d）制氫系統(tǒng)進行氫氣置換工作測試。

5.1.2 發(fā)電系統(tǒng)設備測試

（1）發(fā)電輔助系統(tǒng)單體設備測試;

a）空氣供給系統(tǒng);

b）外部冷卻水循環(huán)系統(tǒng);

c）內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng);

d）熱量回收系統(tǒng);

e）水回收系統(tǒng)。

（2）發(fā)電系統(tǒng)測試

a）發(fā)電控制系統(tǒng)測試;

b）發(fā)電逆變系統(tǒng)測試;

c）發(fā)電模塊啟動流程測試;

d）發(fā)電模塊運行流程測試;

e）發(fā)電模塊停車流程測試。

5.2 制氫及發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)測試

（1）有功功率測試;

（2）無功功率測試;

（3）過載能力測試;

（4）響應時間測試;

（5）調(diào)節(jié)時間測試;

（6）電能質量測試;

（7）額定制氫能力測試;

（8）制氫效率測試;

（9）額定功率能量轉換效率測試。

6 測試方法及步驟

6.1 制氫及發(fā)電分系統(tǒng)測試

6.1.1 制氫系統(tǒng)設備測試

制氫系統(tǒng)首先調(diào)試輔控系統(tǒng)，其次為制氫系統(tǒng)。當輔控系統(tǒng)調(diào)試完畢后，逐次調(diào)節(jié)制氫系統(tǒng)。

6.1.1.1 制氫輔助系統(tǒng)單體設備調(diào)試

（1）純水系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）廠商檢查各管道連接是否連接正常。

c）設備是否需要打壓測試。

d）做好好設備上電之前的檢查工作，檢查無誤，上電。

e）觀察一級、二級滲透電導率是否正常。

f）觀察EDI模塊是是否正常，流量是否正常。

g）加藥泵調(diào)節(jié)工作時間，記錄相應數(shù)據(jù)。

h）反沖洗裝置是否按預定時間工作。

i）純水水質是否正常，按設計方案達到技術指標要求。

j）測試原料水箱與純水機之間設備連鎖工作，自動停機是否正常。

k）單體開機運行24小時測試設備運轉穩(wěn)定性，若出現(xiàn)設備異常，返回第一步重新檢查執(zhí)行，直至設備調(diào)試合格。

l）做好設備運行數(shù)據(jù)記錄。

（2）外部冷卻循環(huán)水系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）檢查各管道連接是否連接正常。

c）設備管道打壓測試結束。

d）做好好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）系統(tǒng)開機。

f）清理冷卻水池雜物，沖洗干凈。

g）打開自來水工業(yè)水管道，冷卻水池補水，加注合適液位。

h）上位機系統(tǒng)下達開機指令，（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試）。

i）測試冷卻塔風機工作狀況，檢查風機運轉方向，風機工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

j）外部冷卻系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)，45KW冷凍機、120KW冷水機、燃電部分外部冷卻水管路處于開路狀態(tài)。

k）控制系統(tǒng)下達開機指令，外部冷水循環(huán)泵按設定頻率運行。檢查循環(huán)水泵運轉方向、壓力、工作電流是否正常。

l）外部冷去循環(huán)系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

（3）制氫內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）檢查各管道連接是否連接正確。

c）設備管道打壓測試結束，管道吹掃滿足工藝要求。

d）做好好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）將原料水手動補充至冷凍機循環(huán)水箱。

f）開啟外部冷卻水系統(tǒng)，相應閥門處于開路狀態(tài)。

g）制氫系統(tǒng)循環(huán)水路處于開路狀態(tài)。

h）系統(tǒng)開機，上位機系統(tǒng)下達開機指令，（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試）。

i）測試冷冷凍機工作狀況，檢查電機運轉方向，風機工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

j）根據(jù)工藝要求設定冷水機工作參數(shù)，運行設備狀態(tài)。

k）設備連續(xù)運行，記錄保運狀態(tài)。

l）內(nèi)部冷去循環(huán)系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

6.1.1.2制氫系統(tǒng)調(diào)試

（1）控制系統(tǒng)

a）核對各儀表點位，接線是否正常。

b）循環(huán)水泵等接線正確，各儀表等接地無誤。

c）控制系統(tǒng)上電，檢測各點位儀表數(shù)據(jù)讀取狀況。

d）上位系統(tǒng)下達指令，檢查閥門動作情況。

e）檢查各系統(tǒng)通訊狀態(tài)。

f）數(shù)據(jù)讀取異常，經(jīng)處理正常后再繼續(xù)進行調(diào)試工作。

（2）整流系統(tǒng)

a）整流系統(tǒng)動力電纜接到電源的正和負的DC輸出端子上。在制氫設備內(nèi)，連接正DC電纜到正極端壓板上，連接負DC電纜到負極端壓板上。

b）確保DC動力電纜連接到正確的正和負接線頭上，接反極性將會造成非常危險的后果。制氫設備和電源必須接地至提供的接地板上。

c）進行開機測試。

d）檢查信號傳輸是否正常。

e）電流電壓給定有無異常。

（3）系統(tǒng)氮氣置換

a）進行高壓瓶組、中間緩沖罐、壓縮機氮氣置換。

b）高壓瓶組排空瓶內(nèi)保壓氣體，沖入氮氣，使其壓力上升至0.4mpa，壓力升到0.4mpa后放空，保留與余壓至0.1mpa。循環(huán)執(zhí)行3-4次。氫氣中間緩沖罐、氫氣壓縮機系統(tǒng)依次執(zhí)行。

c）從氫氣中間緩沖罐沖入氮氣，維持工作狀態(tài)。開啟氫氣壓縮機，將氮氣通過系統(tǒng)打入高壓瓶組，實施過程中需有壓縮機廠家在場進行配合，另需提供設備打壓方案。

d）高壓瓶組達到工作壓力，停機。關閉相應閥門，進行保壓測試。管道、設備無壓降，實驗結束。實驗結束后將壓力降至0.2mpa。

e）進行制氫系統(tǒng)氮氣置換。

f）制氫系統(tǒng)打入氮氣至設備運行最高壓力，做設備嚴密性試驗（保壓12小時）。嚴密性試驗不合格，不得進行下一步操作，試驗合格將壓力降至0.1mpa。

g）制氫設備補水至設定液位，進行內(nèi)部內(nèi)循環(huán)清洗工作，清洗工作結束，檢查各部位過濾器并清洗。重復第f）條工作，繼續(xù)進行嚴密性實驗。

h）根據(jù)工藝要求設定參數(shù)，各系統(tǒng)再次確認無誤后，準備開機。

i）上位機下達指令，各冷卻系統(tǒng)正常工作。運行制氫設備，設備自動進行3次氮氣置換，氮氣置換結束后，按照預設參數(shù)自動開機。

（4）制氫系統(tǒng)進行氫氣置換工作。

a）制氫機經(jīng)分離、純化系統(tǒng)進入氫氣中間緩沖罐。

b）緩沖罐壓力達到工作要求。開啟氫氣壓縮機，將氫氣壓縮至高壓瓶組。

c）高壓瓶組壓力上升至0.5mpa，制氫機開啟放空系統(tǒng)，氫壓機停機。氫氣中間緩沖罐、高壓瓶組泄壓，將壓力至0.1map。重復執(zhí)行直至高壓瓶組放空、取樣氣體純度達到99.999%。

d）以上工作完成制氫系統(tǒng)正常運行。

6.1.2 發(fā)電系統(tǒng)設備調(diào)試

發(fā)電系統(tǒng)首先調(diào)試輔助系統(tǒng)，其次調(diào)試6套燃料電池發(fā)電模塊。當輔助系統(tǒng)調(diào)試完畢后，逐次調(diào)節(jié)6套燃料電池發(fā)電模塊。

6.1.2.1 輔助系統(tǒng)單體設備調(diào)試

（1）空氣供給系統(tǒng)

a）空壓機房環(huán)境，必須通風良好，防雨防暴曬;

b）空壓機擺放平整，對齊，維修空間足夠;

c）檢查空壓機是否有運輸及安裝中的損傷;

d）檢查空壓機電源接線是否符合要求;

e）檢查空壓機出口連接管路是否規(guī)范;

f）檢查儲氣罐的壓力表，安全閥，排污閥等附件是否齊全;

g）檢查冷卻器管路連接是否負荷要求;

h）空氣供給系統(tǒng)開機，檢查空壓機面板是否正常顯示;

i）空壓機通電后，會自動測試電源相序，若相序錯誤會提醒顯示并保護，按電氣操作規(guī)定斷電更換相序后再次申請送電;

j）在空壓機操作面板中檢查各項參數(shù);

k）按實際使用壓力要求對空壓機進行設定;

l）檢查空壓機系統(tǒng)中各閥門，并關閉儲氣罐后的截止閥;

m）空壓機開機，觀察空壓機氣壓達到設定壓力上限后是否自動卸載;

n）檢測空壓機連接管路是否有泄漏，如有則及時整改;

o）將儲氣罐下端的排污閥打開放氣，觀察壓力降到設定下限后空壓機是否自動啟動加載;

p）做好設備運行數(shù)據(jù)記錄。

（2）外部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）檢查各管道連接是否連接正常。

c）設備管道打壓測試結束。

d）做好好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）系統(tǒng)開機。

f）清理冷卻水池雜物，沖洗干凈。

g）打開自來水工業(yè)水管道，冷卻水池補水，加注合適液位。

h）上位機系統(tǒng)下達開機指令，（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試，）

i）測試冷卻塔風機工作狀況，檢查風機運轉方向，風機工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

j）外部冷卻系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)，45KW冷凍機、120KW冷水機、燃電部分外部冷卻水管路處于開路狀態(tài)。

k）控制系統(tǒng)下達開機指令，外部冷水循環(huán)泵按設定頻率運行。檢查循環(huán)水泵運轉方向、壓力、工作電流是否正常。

l）外部冷去循環(huán)系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

（3）內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）廠商檢查各管道連接是否連接正常。

c）設備管道打壓測試結束。

d）做好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）系統(tǒng)開機，打開補水用管道，上位機系統(tǒng)下達補水指令。

f）測試補水水泵工作狀況，檢查電機運轉方向，工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

g）中間水箱加注至合適液位。

h）上位機系統(tǒng)下達開機指令（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試）。

i）測試冷卻水泵工作狀況，檢查電機運轉方向，工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

j）內(nèi)部冷卻系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)。

k）控制系統(tǒng)下達開機指令，內(nèi)部冷水循環(huán)泵按設定頻率運行。檢查循環(huán)水泵運轉方向、壓力、工作電流是否正常。

l）內(nèi)部冷去循環(huán)系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

（4）熱量回收系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）檢查各管道連接是否連接正確。

c）設備管道打壓測試結束，管道吹掃滿足工藝要求。

d）做好好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）系統(tǒng)開機，打開補水用管道，儲熱水箱補水，加注合適液位。

f）熱量回收系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)。

g）上位機系統(tǒng)下達熱水循環(huán)泵開機指令（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試）。

h）測試熱水循環(huán)泵工作狀況，檢查電機運轉方向，工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

i）供熱系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)。

j）上位機系統(tǒng)下達熱水循環(huán)泵開機指令，（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試，）。

k）測試供熱水泵工作狀況，檢查電機運轉方向，工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

l）熱量回收系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

（5）水回收系統(tǒng)

a）檢查外部給水管道是是否滿足要求，管路連接是否正確。

b）檢查各管道連接是否連接正確。

c）設備管道打壓測試結束，管道吹掃滿足工藝要求。

d）做好好設備上電之前的檢查、校核工作，檢查無誤，上電。

e）系統(tǒng)開機，儲水箱A補水，加注合適液位。

f）水回收系統(tǒng)閥門處于開路狀態(tài)。

g）上位機系統(tǒng)下達排水泵開機指令（測試之前解除負載，當指令下達無誤，合并負載開車測試）。

h）測試排水泵工作狀況，檢查電機運轉方向，工作電流。出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢修。

i）水回收系統(tǒng)開機正常運行后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

6.1.2.2 發(fā)電系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)

a）核對各儀表點位，接線是否正常。

b）循環(huán)水泵等接線正確，各儀表等接地無誤。

c）控制系統(tǒng)上電，檢測各點位儀表數(shù)據(jù)讀取狀況。

d）上位系統(tǒng)下達指令，檢查閥門動作情況。

e）檢查各系統(tǒng)通訊狀態(tài)。

f）數(shù)據(jù)讀取異常，不在進行下一步。

（2）逆變系統(tǒng)

a）發(fā)電模塊正極端子通過動力電纜連接至逆變器組正的DC輸入端子上，發(fā)電模塊負極端子通過動力電纜連接至逆變器組負的DC輸入端子上。

b）確保DC動力電纜連接到正確的正和負接線頭上，接反極性將會造成非常危險的后果。

c）進行開機測試，檢查信號傳輸是否正常。

d）并網(wǎng)功率給定有無異常。

（3）發(fā)電模塊啟動流程

a）檢查各管道連接是否連接正確。

b）檢查氫氣、氮氣及空氣管道氣源壓力是否滿足需求。

c）檢查發(fā)電模塊電路是否連接正確。

d）發(fā)電模塊氣路、水路手動閥門處于開路狀態(tài)。

e）上位機系統(tǒng)下達發(fā)電模塊啟動指令。

f）測試各閥門動作順序是否符合要求，出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

g）發(fā)電模塊啟動后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

（4）發(fā)電模塊運行流程

a）啟動無異常，上位機系統(tǒng)下達發(fā)電模塊運行指令。

b）到達工作溫度后，進行發(fā)電模塊加載，各點穩(wěn)定運行10min。

c）加載到額定功率后持續(xù)穩(wěn)定運行60min。

d）測試各閥門動作順序是否符合要求，出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

e）發(fā)電模塊運行中，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

f）記錄發(fā)電模塊運行中，電壓、電流及壓力測點等數(shù)據(jù)。

（5）發(fā)電模塊停車流程

a）上位機系統(tǒng)下達發(fā)電模塊停車指令。

b）測試各閥門動作順序是否符合要求，出現(xiàn)任何異響及故障及時停機檢查。

c）發(fā)電模塊停車后，檢查各系統(tǒng)壓力管路有誤滴漏跑帽現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時停機檢修。

d）發(fā)電模塊氣路、水路手動閥門處于關閉狀態(tài)。

e）以上工作完成發(fā)電模塊調(diào)試。

6.2 制氫及發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)測試

6.2.1 有功功率測試

6.2.1.1 升功率測試

將氫能綜合利用站接入電網(wǎng)運行，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行有功功率調(diào)節(jié)能力升功率測試PN，各個功率點保持至少30s，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2s有功功率平均值為一點，記錄實測數(shù)據(jù)，步驟如下：

（1）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有功功率為0;

（2）逐級調(diào)節(jié)有功功率至0.25PN、0.5PN、0.75PN、PN，各個功率點保持至少30s，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2s有功功率平均值為一點，記錄實測數(shù)據(jù);

（3）以每次有功功率變化后的第二個15s計算15s有功功率平均值;

計算步驟（4）各點有功功率的控制精度、響應時間和調(diào)節(jié)時間。

6.2.1.2 降功率測試

將氫能綜合利用站接入電網(wǎng)運行，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行有功功率調(diào)節(jié)能力降功率測試，步驟如下：

（1）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有功功率為PN;

（2）逐級調(diào)節(jié)有功功率至PN、0.75PN、0.5PN、0.25PN、0，各個功率點保持至少30s，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2s有功功率平均值為一點，記錄實測數(shù)據(jù);

（3）以每次有功功率變化后的第二個15s計算15s有功功率平均值;

（4）計算步驟（2）各點有功功率的控制精度、響應時間和調(diào)節(jié)時間。

6.2.2 無功功率測試

6.2.2.1 無功功率調(diào)節(jié)能力測試

將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行無功功率調(diào)節(jié)能力放電模式測試，步驟如下：

（1）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)放電有功功率為PN;

（2）調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運行在輸出最大感性無功功率工作模式;

（3）在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序功率，至少記錄30s有功功率和無功功率，以每0.2s功率平均值為一點，計算第二個15s內(nèi)有功功率和無功功率的平均值;

（4）分別調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)放電有功功率為0.9PN、0.8PN、0.7PN、0.6PN、0.5PN、0.4PN、0.3PN、0.2PN、0.1PN、0，重復步驟（2）～（3）;

調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運行在輸出最大容性無功功率工作模式，重復步驟（3）～（4）;

以有功功率為橫坐標，無功功率為縱坐標，繪制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率包絡圖。

6.2.2.2 無功功率控制測試

將氫能綜合利用站接入電網(wǎng)運行，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行無功功率控制測試，步驟如下：

（1）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有功功率為0;

（2）設定QL和QC為此功率下燃料電池發(fā)電系統(tǒng)無功功率輸出跳變限值，調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運行在輸出最大感性無功功率和最大容性無功功率;

按照下圖的設定曲線控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的無功功率，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點測量時序無功功率，以每0.2s無功功率平均值為一點，記錄實測曲線;

（3）計算無功功率調(diào)節(jié)精度和響應時間;

（4）分別調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)放電有功功率為0.5PN、PN，重復步驟（2）～（4）。

6.2.2.3 功率因數(shù)調(diào)節(jié)能力測試

將氫能綜合利用站接入電網(wǎng)運行，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)能力測試，步驟如下：

（1）將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)放電有功功率分別調(diào)至0.25PN、0.5PN、0.75PN、PN四個點;

（2）調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)從超前0.95開始，連續(xù)調(diào)節(jié)至滯后0.95，調(diào)節(jié)幅度不大于0.01，測量并記錄燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實際輸出的功率因數(shù);

6.2.3 過載能力測試

在氫儲能系統(tǒng)制氫和燃料電池發(fā)電兩種狀態(tài)下分別進行過載能力測試。

6.2.3.1 電解水制氫狀態(tài)過載能力測試

（1）設置PEM電解槽工作電流至1.1IN，連續(xù)運行10min，在輸入電源柜處測量工作電流，記錄實測曲線，測試出氫純度、出氫量;

（2）設置PEM電解槽工作電流至1.2IN，連續(xù)運行10min，在輸入電源柜處測量工作電流，記錄實測曲線，測試出氫純度、出氫量。

6.2.3.2 燃料電池發(fā)電狀態(tài)過載能力測試

（1）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有功功率設定值至1.1PN，連續(xù)運行10min，在并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2s有功功率平均值為一點，記錄實測曲線;

（2）設置燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有功功率設定值至1.2PN，連續(xù)運行10min，在并網(wǎng)點測量時序功率，以每0.2s有功功率平均值為一點，記錄實測曲線。

6.2.4 響應時間測試

在氫儲能系統(tǒng)制氫和燃料電池發(fā)電兩種狀態(tài)下分別進行響應時間測試。

6.2.4.1 電解水制氫系統(tǒng)響應時間測試

（1）熱啟動

a）在額定功率制氫條件下，將制氫調(diào)整至熱備用狀態(tài)，測試制氫啟動時間。測試步驟如下：

b）記錄電解水制氫系統(tǒng)熱備用狀態(tài)下收到控制信號的時刻，記為tc1;

c）記錄電解水制氫系統(tǒng)制氫能力首次達到90%額定功率的時刻，記為tc2;

d）按照RTc1=tc2-tc1計算電解水制氫系統(tǒng)熱啟動時間;

e）重復（a）、（b）兩次，電解水制氫系統(tǒng)熱啟動時間取3次測試結果的最大值。

（2）冷啟動

a）在額定功率制氫條件下，將制氫系統(tǒng)設置為冷備用狀態(tài)，測試制氫啟動時間。測試步驟如下：

b）記錄電解水制氫系統(tǒng)冷備用狀態(tài)下收到控制信號的時刻，記為tc3;

c）記錄電解水制氫系統(tǒng)制氫能力首次達到90%額定功率的時刻，記為tc4;

d）按照RTc2=tc4-tc3計算電解水制氫系統(tǒng)冷啟動時間;

e）重復（a）、（b）兩次，電解水制氫系統(tǒng)冷啟動時間取3次測試結果的最大值。

6.2.4.2 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)響應時間測試

（1）熱啟動

在額定功率發(fā)電條件下，將氫燃料電池系統(tǒng)調(diào)整至熱備用狀態(tài)，測試氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)電響應時間。測試步驟如下：

a）記錄氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)熱備用狀態(tài)下收到控制信號的時刻，記為tr1;

b）記錄氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率首次達到90%額定功率的時刻，記為tr2;

c）按照RTr1=tr2-tr1計算氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)響應時間;

d）重復（a）、（b）兩次，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)熱啟動時間取3次測試結果的最大值。

（2）冷啟動

在額定功率發(fā)電條件下，將氫燃料電池系統(tǒng)調(diào)整至冷備用狀態(tài)，測試氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)電響應時間。測試步驟如下：

a）記錄氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)冷備用狀態(tài)下收到控制信號的時刻，記為tr3;

b）記錄氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率首次達到90%額定功率的時刻，記為tr4;

c）按照RTr2=tr4-tr3計算氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)電響應時間;

d）重復（a）、（b）兩次，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)冷啟動時間取3次測試結果的最大值。

6.2.5 調(diào)節(jié)時間測試

在電解水制氫系統(tǒng)制氫和燃料電池發(fā)電兩種狀態(tài)下分別進行調(diào)節(jié)時間測試。

6.2.5.1 電解水制氫系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間測試

在額定功率制氫條件下，將電解水制氫系統(tǒng)調(diào)整至熱備用狀態(tài)，測試電解水制氫系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。測試步驟如下：

a）記錄電解水制氫系統(tǒng)收到控制信號的時刻，記為tn1;

b）記錄電解水制氫系統(tǒng)出氫量的偏差維持在額定出氫量±2%以內(nèi)的起始時刻，記為tn2;

c）按照ΔTn=tn2-tn1計算電解水制氫系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間;

d）重復（a）、（b）兩次，電解水制氫系統(tǒng)制氫調(diào)節(jié)時間取3次測試結果的最大值。

5.2.5.2燃料電池發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間測試

在額定功率發(fā)電條件下，將燃料電池系統(tǒng)調(diào)整至熱備用狀態(tài)，測試燃料電池系統(tǒng)發(fā)電調(diào)節(jié)時間。測試步驟如下：

a）記錄燃料電池系統(tǒng)收到控制信號的時刻，記為tn3;

b）記錄燃料電池系統(tǒng)發(fā)電電功率的偏差維持在額定功率的±2%以內(nèi)的起始時刻，記為tn4;

c）按照ΔTn=tn4-tn3計算燃料電池系統(tǒng)發(fā)電調(diào)節(jié)時間;

d）重復（a）、（b）兩次，燃料電池系統(tǒng)發(fā)電響應時間取3次測試結果的最大值。

6.2.6 電能質量測試

6.2.6.1 諧波、閃邊、不平衡等測試

將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)連接站內(nèi)母線，所有參數(shù)調(diào)至正常工作條件，進行電能質量測試，步驟如下：

將測試儀器連接在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)出口側PT、CT端，實時錄取數(shù)據(jù)，測試儀器每隔3秒自動存儲一次數(shù)據(jù)記錄。儀器在每個記錄存儲的間隔內(nèi)連續(xù)測量，并取連續(xù)測量的平均值作為該存儲間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄。測試參數(shù)包括：

測試時段內(nèi)三相電壓有效值;

測試時段內(nèi)三相電流有效值;

測試時段內(nèi)電壓基波有效值、2-50次電壓諧波分量、電壓波形總畸變率和95%概率統(tǒng)計值;

測試時段內(nèi)電流基波有效值、2-25次電流諧波分量、波形總畸變率和95%概率統(tǒng)計值;

測試時段內(nèi)測點三相電壓不平衡度;

測試時段內(nèi)測點電壓長時間閃變值;

測試時段內(nèi)測點視在功率、有功功率、無功功率和功率因數(shù);

數(shù)據(jù)處理：最終測試結果取測試時段內(nèi)所有數(shù)據(jù)記錄的95%概率大值（電壓閃變值除外），對于三相系統(tǒng)，則取最大相為最終測試結果。

6.2.6.2 直流分量測試

將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)調(diào)為1，輸入電流至額定電流的33%，保持1min;

測量燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸出端各相電壓，電流有效值和電流的直流分量（頻率小于1Hz即為直流），在同樣的速率和時間窗下測試5min;

當各相電壓有效值的平均值與額定電壓的誤差小于5%，且各相電流有效值的平均值與測試電流設定值的偏差小于5%時，采用各測量點的絕對值計算各相電流直流分量幅值的平均值;

調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸入電流分別至額定輸出電流的66%和100%，保持1min，重復步驟（2）～（3）。

6.2.7 額定制氫能力測試

啟動電解水制氫系統(tǒng)，在運行參數(shù)穩(wěn)定后，按下述工況運行：工作電流從0A開始增加至額定工作電流，以150A/3min增幅增大工作電流，同樣方法降低至0A，記錄電解槽產(chǎn)氣量。

6.2.8 制氫效率測試

測試工作在制氫系統(tǒng)的額定工況下進行。制氫系統(tǒng)單位能耗等于單位直流能耗和單位交流能耗之和。

單位直流能耗計算：根據(jù)測得的直流電壓值，電解槽的小室數(shù)，依據(jù)標準《水電解制氫系統(tǒng)能效限定值及能效等級》（GB 32311-2015），計算出電解槽平均小室電壓及單位直流能耗。單位直流能耗測試次數(shù)不宜少于6次，間隔10min，取平均值。

單位交流能耗計算：根據(jù)測得堿液泵、補水泵及控制用電功率及制氫系統(tǒng)的單位交流能耗，單位直流能耗與單位交流能耗相加得到制氫系統(tǒng)單位能耗，計算得到制氫效率。

6.2.9 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)額定功率能量轉換效率測試

在氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)額定功率發(fā)電條件下，測試整站的額定功率能量轉換效率。測試步驟如下：

（1）以額定功率發(fā)電至發(fā)電終止條件時停止發(fā)電;

（2）以額定功率制氫至制氫終止條件時停止制氫，記錄本次制氫過程中制氫系統(tǒng)消耗的能量EC和輔助能耗WC;

（3）以額定功率發(fā)電至發(fā)電終止條件時停止發(fā)電，記錄本次發(fā)電過程中氫儲能系統(tǒng)發(fā)電的能量En和輔助能耗Wn;

重復（2）、（3）步驟兩次，記錄每次制氫/發(fā)電能量EC、En和輔助能耗WC、Wn;按照計算能量轉換效率。

7結論

本文從測試標準與依據(jù)、測試原則、測試的主要任務、測試內(nèi)容、測試方法及步驟等方面細致介紹了基于大容量燃料電池的氫能綜合利用站現(xiàn)場測試內(nèi)容，通過進行以上檢測項目，可詳細分析出制氫系統(tǒng)及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的工作特性和電氣參數(shù)，對于深入研究及開發(fā)燃料電池的大容量并網(wǎng)控制策略及氫能綜合利用站接入電網(wǎng)有較強的指導意義。

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作者簡介：徐晨（1990-），女，陜西華縣人，工程師，本科，工作方向：發(fā)電機組及變電站調(diào)試。