浮式風(fēng)電制氫裝置設(shè)計(jì)研究

劉富斌，桂 薇，劉國軍，田利君，蘭建華

（1. 惠生（南通）重工有限公司，江蘇 南通 226009；2. 上?；萆Ｑ蠊こ逃邢薰荆虾?201210）

根據(jù)中國氣象局海上風(fēng)能資源普查成果，中國沿海5～25 m水深，海上風(fēng)電開發(fā)潛力約為200 GW，50、70 m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約為500 GW，另外，有部分地區(qū)深海風(fēng)能資源也較為豐富。我國海上風(fēng)電雖然起步晚，但發(fā)展快。目前，海上風(fēng)電還無法做到平價(jià)上網(wǎng)，仍需政府提供適當(dāng)?shù)闹С?，從而保持一定的開發(fā)規(guī)模，形成市場拉動(dòng)，確保技術(shù)進(jìn)步持續(xù)下去，助推海上風(fēng)電順利過渡到平價(jià)上網(wǎng)。盡管如此，由于深遠(yuǎn)海風(fēng)資源的優(yōu)質(zhì)性且海上風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)電的安裝已經(jīng)開始進(jìn)軍深遠(yuǎn)海。

本研究基于未來風(fēng)電的發(fā)展需求，提出了進(jìn)行獨(dú)立浮式風(fēng)電制氫裝置工程化研究的設(shè)想，其出發(fā)點(diǎn)在于：① 符合國家關(guān)于碳中和的方針政策。② 可充分利用深遠(yuǎn)海優(yōu)質(zhì)的風(fēng)資源。由于深遠(yuǎn)海地勢開闊，風(fēng)的能量密度大，因此風(fēng)資源比沿海和內(nèi)陸更優(yōu)質(zhì)。③ 可為風(fēng)電的高效利用提供一種可行的途徑。風(fēng)電場的不連續(xù)性和用電在時(shí)間上存在矛盾，而將風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫能，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)存儲(chǔ)，從而非常巧妙地化解這一難題。④ 可為解決長距離輸電提供可能的方法。浮式風(fēng)電場一般距離岸線較遠(yuǎn)，這增加了電力輸送的價(jià)格。風(fēng)電制氫則可以不需要長距離且昂貴的海底電纜，并且隨著將來市場和供應(yīng)鏈的成熟，特別是氫氣儲(chǔ)存費(fèi)用的下降，必將有實(shí)際的工程項(xiàng)目落地。⑤ 為將來海上商船采用氫氣作為燃料提供可能性。隨著氫能的廣泛利用，未來海上風(fēng)電制氫可能會(huì)解決風(fēng)電消納的問題，然后制得的氫氣作為來往商船的氫氣燃料供給，從而省去了到港口加注步驟，提高了安全性和航行的經(jīng)濟(jì)性。

1 制氫平臺(tái)研究路線

所研究的工作分為關(guān)鍵共性和3 MW特性問題，通過分析主要找出3個(gè)關(guān)鍵共性問題，分別為風(fēng)電制氫的模式研究、電解水制氫方案的設(shè)計(jì)以及對風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的要求。在此基礎(chǔ)上， 選取3 MW風(fēng)電制氫的路線進(jìn)行深入設(shè)計(jì)。浮式風(fēng)電制氫研究的基本路線如圖1所示。

圖1 浮式風(fēng)電制氫研究的基本路線Fig. 1 Research scheme of hydrogen production by floating wind power

圖2為風(fēng)電制氫的基本技術(shù)路線。風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能后，成為電解水制氫平臺(tái)的能源，制得的氫氣儲(chǔ)存至高壓儲(chǔ)罐中，每個(gè)周期中由吊機(jī)放置在風(fēng)場運(yùn)維船上，再運(yùn)送至岸邊，供給當(dāng)?shù)赜脩艋蛟龠M(jìn)行陸地運(yùn)輸至下游用戶，且不排除為便于運(yùn)輸將氫氣就地再處理變更為其他儲(chǔ)氫方式的可能性，若未來存在建造海上加氫站的方案，則可將氫氣運(yùn)輸至海洋平臺(tái)作為可選項(xiàng)。

圖2 風(fēng)電制氫的基本技術(shù)路線Fig. 2 Roadmap of hydrogen production by wind power

2 制氫平臺(tái)技術(shù)路線

2.1 電解水制氫技術(shù)

市場上成熟的電解水制氫技術(shù)有堿性水溶液電解（alkaline water electrolysis，AWE）和質(zhì)子交換膜電解（proton exchanger membrane，PEM）。根據(jù)目前的市場化需求，同時(shí)基于裝置體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、啟停速度快等特性，PEM技術(shù)比較適合于匹配風(fēng)電這種間斷性能源，對于海上浮體的晃蕩也能有性能保證。其缺點(diǎn)是成本高，對電解水的水質(zhì)要求高，壽命短。AWE技術(shù)雖然較成熟，運(yùn)行壽命可達(dá) 15 a，且投資、運(yùn)行成本低，但對于無人值守的海洋浮式平臺(tái)而言，要解決堿液補(bǔ)充及操作問題就必然需要增加裝置安全性的設(shè)計(jì)成本及人工成本，堿液的回收處理也相較于陸地有更多不便之處。因此，本文中選用PEM技術(shù)。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模工程化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)的成本也會(huì)有效地降低。PEM電解單元原理和PEM電解水系統(tǒng)分別如圖3、4所示。

圖3 PEM電解單元原理Fig. 3 Principle of PEM electrolysis unit

去離子水來自于海水的淡化及純化。海水淡化采用是二級反滲透。經(jīng)處理后的淡水離子濃度可降低至較低水平，其部分作為冷卻水補(bǔ)充和消防用水，部分經(jīng)過電滲析裝置進(jìn)行下一步處理，得到去離子水。去離子水水質(zhì)滿足GB/T 37562—2019 壓力型水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)條件，即：25C時(shí)電導(dǎo)率不大于1 mS·m，鐵離子質(zhì)量濃度小于1.0 mg·L，氯離子質(zhì)量濃度小于2.0 mg·L，懸浮物質(zhì)量濃度小于1.0 mg·L。實(shí)際上水中礦物質(zhì)離子越少，PEM電解槽的運(yùn)行電壓增加越小，壽命越長。圖5為海水預(yù)處理流程。該流程能夠保證在原水水質(zhì)較差的情況下，經(jīng)處理后的水質(zhì)仍符合標(biāo)準(zhǔn)，從而保障PEM系統(tǒng)的壽命。

圖4 PEM電解水系統(tǒng)Fig. 4 Water electrolysis system by PEM

圖5 海水預(yù)處理流程Fig. 5 Seawater pre-treatment process

整套制氫裝置在生產(chǎn)過程中使用的原料僅為海水，動(dòng)力來源為可再生能源-風(fēng)能，生產(chǎn)過程中基本上無三廢排放，海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度差小于5 ℃，因而對當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較小。

2.2 電力設(shè)計(jì)方案

圖6為風(fēng)電電解水制氫的獨(dú)立式制氫供電模式。常規(guī)的風(fēng)電是通過升壓站進(jìn)入電網(wǎng)，而獨(dú)立式制氫模式則是將此電能轉(zhuǎn)換為氫能，這樣可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，另外，電解水制氫還可以利用不能上網(wǎng)的低品質(zhì)電達(dá)到提高風(fēng)能利用率的效果。同時(shí)，制氫設(shè)施還需要先消耗部分能量用于控制系統(tǒng)、公用工程等。

圖6 獨(dú)立式制氫供電模式Fig. 6 Power supply mode of independent hydrogen production

風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率也隨之變化，所以制氫裝置需要適應(yīng)這種工況。圖7為制氫用電和風(fēng)機(jī)發(fā)電的關(guān)系。在風(fēng)速達(dá)到切入速度后，只有風(fēng)機(jī)輸出功率達(dá)到一定值，可滿足公用工程用電時(shí)，制氫設(shè)備才可以開始工作，此時(shí)，第一套1 MW制氫裝置啟動(dòng)。 隨著風(fēng)速的增加，第一套制氫裝置逐漸達(dá)到最大工況，系統(tǒng)將啟動(dòng)第二套制氫裝置。依次地當(dāng)風(fēng)速增加到一定值時(shí)，可以滿足3套制氫裝置的運(yùn)行。如果此時(shí)風(fēng)速還在增加，則只能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳距，使輸出功率降低至滿足3套制氫裝置運(yùn)行即可，或者是將多余的電能并入電網(wǎng)。反之，當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，則可將制氫裝置停機(jī)，其原理和啟動(dòng)時(shí)相同。由于PEM制氫裝置的響應(yīng)時(shí)間為10 s級，而風(fēng)速的改變是以分鐘計(jì)，所以系統(tǒng)的響應(yīng)匹配可行。

圖7 制氫用電和風(fēng)機(jī)發(fā)電的關(guān)系Fig. 7 Relationship between power consumption by hydrogen production and power generation by wind turbine

2.3 平臺(tái)布置

本研究設(shè)計(jì)了1臺(tái)3 MW獨(dú)立式電解水制氫裝置。該裝置依托1臺(tái)8～10 MW風(fēng)機(jī)、邊長為60 m三角形的半潛浮式平臺(tái)，盡可能采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命為15 a。其方案效果圖和方案布置細(xì)節(jié)分別如圖8、9所示。

圖8 方案效果圖Fig. 8 Drawing of the scheme

半潛浮式平臺(tái)上共設(shè)計(jì)有3套1 MW的PEM水電解制氫系統(tǒng)，組成3 MW的風(fēng)電制氫規(guī)模。每套PEM水電解制氫裝置均為集裝箱式結(jié)構(gòu)布局，內(nèi)部分為控制間、電解間及冷卻間3個(gè)獨(dú)立空間。3套PEM制氫裝置位于浮式三角形制氫平臺(tái)中間位置，東西向并列成排布置，各集裝箱之間的間距為3 m，每個(gè)集裝單元的兩側(cè)均安裝有推拉門，以便人員在兩側(cè)檢修設(shè)備。

圖9 方案布置細(xì)節(jié)Fig. 9 Detailed layout of the scheme

制得的氫氣通過壓縮機(jī)壓縮后，儲(chǔ)存在內(nèi)有襯膽的鋼瓶中，每個(gè)鋼瓶規(guī)格為180 L@70 MPa。每25個(gè)鋼瓶組成一組，重量大約為3.5 t，共計(jì)有12組。存儲(chǔ)周期為7 d，假設(shè)每天工作8 h滿負(fù)荷制氫，共需要10套鋼瓶組（另2套作為備用）。甲板上設(shè)有吊機(jī)，用來吊走儲(chǔ)滿氫氣的鋼瓶組并將空鋼瓶組安放在平臺(tái)上。

平臺(tái)還設(shè)有公用工程的系統(tǒng)和應(yīng)急供電系統(tǒng)。為操作方便，整個(gè)系統(tǒng)基于無人值守、周期性巡檢的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 安全設(shè)計(jì)

對本設(shè)計(jì)而言，安全系統(tǒng)中需要考慮氫氣造成的危險(xiǎn)因素，包括氫氣的泄漏和滲漏，氫氣的燃燒和爆炸，高壓氫氣釋放沖擊，氫腐蝕和氫脆。設(shè)計(jì)中首先參考GB/T 29729—2013 氫系統(tǒng)安全的基本要求和GB 50177—2015 氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范， 配備消防水、CO滅火器和干粉滅火設(shè)施。制氫和儲(chǔ)氫設(shè)備均采用3級安全措施以減少危害： 1級為減少危險(xiǎn)源，例如物理保護(hù)，設(shè)備本質(zhì)安全；2級為限制危險(xiǎn)發(fā)生，例如通風(fēng)、接地等；3級為探測危險(xiǎn)并據(jù)此采取措施，例如各種探測裝置。圖10為制氫單元安全設(shè)計(jì)。制氫單元材料耐化學(xué)腐蝕、耐熱，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，壓力部件滿足壓力容器規(guī)范，電氣設(shè)備按照危險(xiǎn)區(qū)域等級設(shè)計(jì)。制氫單元內(nèi)設(shè)溫度傳感器、壓力傳感器，并設(shè)置氣體、水池漏、火災(zāi)、熱探測裝置。

圖10 制氫單元安全設(shè)計(jì)Fig. 10 Safety design of hydrogen production unit

設(shè)計(jì)中，組織專家和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了危險(xiǎn)源辨識(shí)，高達(dá)70 MPa的氫氣儲(chǔ)存被辨識(shí)為主要的危險(xiǎn)源，建議后續(xù)工作進(jìn)行火災(zāi)和爆炸分析以及危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析，以確定是否需要采取合理的間距或設(shè)置防爆墻來減少損失。

2.5 海工化設(shè)計(jì)

海工化設(shè)計(jì)主要考慮的因素有：① 由于海洋環(huán)境具有高鹽度、高濕度的特征，所有設(shè)備和系統(tǒng)必須能適應(yīng)海洋環(huán)境條件，即耐腐蝕并可達(dá)到15 a的設(shè)計(jì)壽命。② 按照總體計(jì)算，浮體在海洋環(huán)境條件下正常工作時(shí)，制氫設(shè)備所在的平臺(tái)位置處，需滿足縱向加速度不大于0.1 g，橫向加速度不大于0.15 g，橫搖角度不大于12 °C，周期為不大于12 s；在生存工況下，制氫設(shè)備所在的平臺(tái)位置處，需滿足縱向加速度不大于0.15 g，橫向加速度不大于0.2 g，橫搖角度不大于15 °C，周期為不大于14 s。選擇PEM技術(shù)也是基于電解水充滿電解槽的特點(diǎn)，從而可以適應(yīng)船體的晃蕩；③ 需要考慮甲板上浪(green-water)的影響。由于設(shè)備平臺(tái)離海平面的干舷距離只有15 m左右，所以海浪涌入甲板時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞。危險(xiǎn)性辨識(shí)建議進(jìn)行海水上浪計(jì)算，以便從設(shè)計(jì)上保證設(shè)備的安全。設(shè)計(jì)時(shí)，由于總的制氫重量小于500 t，所以暫時(shí)不需要做平臺(tái)的性能迭代計(jì)算。

當(dāng)前國內(nèi)市場的PEM電解水制氫設(shè)備還沒有海工化的經(jīng)驗(yàn)，因此需要做進(jìn)一步的認(rèn)證工作。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)電制氫的最大問題之一就是經(jīng)濟(jì)性。目前聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解槽的價(jià)格大概在3 100～6 600美元·kW之間。分析表明，電解水制備綠氫過程中，除電解槽的初始投資外，另一項(xiàng)則是可再生電力的價(jià)格。

研究中對3 MW浮式制氫裝置進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，制氫的額定產(chǎn)量為600 Nm·h，裝置設(shè)計(jì)壽命為15 a，年運(yùn)行比例為50%，風(fēng)電的運(yùn)行成本假設(shè)為0.4元·（kW·h）。計(jì)算時(shí)假設(shè)利用風(fēng)場運(yùn)維船進(jìn)行運(yùn)輸，則幾乎無需計(jì)算運(yùn)輸成本，按照折現(xiàn)率8%，得到的平度化氫氣價(jià)格為35.5元·kg，這個(gè)價(jià)格暫時(shí)還不具備市場競爭力。

因此，要將風(fēng)電制氫工程化，需要經(jīng)過一定的時(shí)間以形成制造業(yè)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)鏈成熟化。

4 結(jié) 論

本文對浮式風(fēng)電制氫的工程化進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括電解水制氫技術(shù)路線的選取、總體布置的設(shè)計(jì)、海工化研究，安全性分析以及經(jīng)濟(jì)性分析。研究表明，盡管技術(shù)上還沒有完全成熟，經(jīng)濟(jì)上也距工程化有一定的差距，但是如果要開發(fā)深遠(yuǎn)海風(fēng)電場，制氫就是其中必須要和輸電進(jìn)行比較的方案，當(dāng)將來綠氫市場成熟時(shí)，浮式風(fēng)電制氫將具有非常有利的市場前景。目前進(jìn)行工程試驗(yàn)是大規(guī)模工程化的前提。