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

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

電解水制氫是在直流電的作用下，通過電化學反應將水分子解離為氫氣與氧氣的過程。目前技術成熟的有堿性電解水制氫和質子膜電解水制氫兩種技術[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生的氫氣，稱為“綠氫”，相應的電源稱為“綠電”。

2 可再生能源制綠氫特點

以風電和光電為主的可再生能源發(fā)電具有波動性、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，導致電解水制氫裝置的負荷不斷變化，因此產氫量隨電源負荷的波動而波動。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)儲氫、固體材料儲氫、低溫液態(tài)儲氫與有機液態(tài)儲氫等[3]。

1）低溫液態(tài)儲氫：即先將氣態(tài)氫氣轉化為液態(tài)氫氣后緩存起來，需要氫氣時再將液態(tài)氫氣氣化變成氣態(tài)氫氣。但氫氣液化費用昂貴，耗能較高，工業(yè)化規(guī)模小。

2）固態(tài)儲氫技術：固態(tài)儲氫方式具有儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點，適合對體積要求較嚴格的場合，但目前仍處于研究階段，尚未實現(xiàn)商業(yè)化應用。

3）有機液態(tài)儲氫：液態(tài)儲氫，即將氣態(tài)的氫氣經過化學反應轉化為含氫的液態(tài)有機化合物，使用氫氣時再通過脫氫反應獲得，這種儲氫和釋放氫的過程的能耗均較大，目前還存在很多技術挑戰(zhàn)。

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

4 氫氣緩存系統(tǒng)設計及優(yōu)化

以某項目為例，說明氫氣緩存系統(tǒng)的優(yōu)化及工藝設計。

某項目以風電和光電為電源，采用電解水制氫工藝，副產的氫氣有3 個去向：大部分氫氣送氫氣長輸管網，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 項目基礎信息

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

2）氫氣長輸管網壓力為4.0 MPa（G），配套的中壓氫氣壓縮機采用往復活塞式壓縮機，單臺壓縮機額定氣量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單臺額定氣量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）本項目電解水制氫可利用風電和光電耦合電源提供電量，低于電解水制氫最低允許運行負荷的持續(xù)時間（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電供電不足的情況。

4.2 設計目標

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

4.3 氫氣緩存系統(tǒng)需考慮的時間因素

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

受項目占地、投資等因素的限制，極端工況下壓縮機檢修時長超出儲罐緩存能力時，上游電解水制氫采用降低運行負荷的方案，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)供氫的負荷按正常操作的50%（對應單臺中壓氫氣壓縮機）考慮，即10 000 Nm3/h。

儲罐儲氫的能力主要取決于儲罐的容積和儲存初期/ 末期氫氣的壓差，壓差越大，儲存的時間越長。

綜合氫氣緩存時間，緩存初期/ 末期壓力、占地及相關規(guī)范等因素，篩選出3 個可行的緩存方案，進行對比分析。

4.4.1 方案一：壓縮前低壓球罐緩存

受限于氫氣介質的危險性、球罐材質及加工制作工藝，目前工業(yè)使用的氫氣球罐最大容積為2 000 m3。當選用單罐容積為2 000 m3球罐時，按GB 50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》的要求，氫氣球罐操作壓力最高允許為1.4 MPa（G）。為滿足氫氣壓縮機的選型要求，壓縮機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容積

由表1 可知：（1）當氫氣球罐末壓為0.8 MPa（G）時，所需氫氣球罐容積均超過10 000 m3，球罐數(shù)量為5 臺；（2）當氫氣球罐末壓為0.2 MPa（G）對應的氫氣球罐容積雖然最小，但此壓力對應的氫氣壓縮機的級數(shù)需要由3 級變?yōu)? 級，對壓縮機的選型最為苛刻，且球罐數(shù)量為3 臺；（3）當氫氣球罐末壓為0.4 MPa（G）時，所需氫氣球罐容積為7 859 m3/h，對應4 臺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)運行時間為60 h。

實際工程設計時，考慮到操作便捷性，球罐配置時一般多為偶數(shù)臺數(shù)，綜上推薦選用末態(tài)壓力0.4 MPa（G），4 臺2 000 m3球罐方案。

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

4.4.2 方案二：壓縮后高壓儲罐緩存

中壓氫氣壓縮機后設置高壓儲罐，將氫氣壓縮至6.0MPa（G）后再送入高壓儲罐，高壓氫氣儲罐釋放氫氣的末態(tài)壓力為4.1 MPa（G），滿足6 h 緩存時間所需的氫氣儲罐總容積為3 912 m3。綜合考慮運輸限制、設備材料、占地等因素，單臺高壓氫氣儲罐規(guī)格為φ4 000 mm×32 000 mm，臺數(shù)選用10 臺。

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

4.4.3 方案三：高壓氫氣瓶組緩存

設置20 MPa（G）高壓儲氫瓶組，采用氫氣充裝用壓縮機充氫氣。向下游供氫時，氫氣從20 MPa（G）減壓至4.5 MPa（G），對應氫氣緩存容積為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：電解水生產的氫氣，一部分經高壓氫氣壓縮機壓縮后送高壓氫氣瓶組緩存或送至氫氣充裝，另一部分經中壓氫氣壓縮機壓縮后送氫氣長輸管網或氫氣液化。當電解水供氫不足時，由高壓氫氣瓶組向氫氣管網、氫氣液化減壓供氫。以上3 種方案對應的設備規(guī)格、設備質量、占地、設備費用對比如表2 所示。

表2 3 種氫氣儲存方案對比表

4.4.4 方案優(yōu)缺點分析

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

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

方案二缺點：（1）氫氣介質且設計壓力高，儲罐壁厚大，設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出口壓力，或采用中壓氫氣壓縮機與高壓氫氣壓縮機接力方式。

方案三優(yōu)點：（1）設備投資最低；（2）氫氣壓縮機無網電接入，且在光電和風電無電時，可通過釋放氫氣儲罐的壓力能實現(xiàn)向氫氣長輸管網、氫氣液化連續(xù)供氫。

方案三缺點：（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向高壓氫氣瓶組充壓，所需時間較長（＞42 h），因此，需要增加高壓氫氣壓縮機臺數(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，操作危險性最高，檢維修工作量大。

經以上比較，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罐緩存氫氣的方案。

5 結語

以風電、光電為代表的可再生綠色能源，是未來實現(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)的設計是實現(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)化利用的重要內容。