碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法

【技术实现步骤摘要】
碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法、仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法
、
仿真方法及系统，属于电解制氢

。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源的日益枯竭，能源利用向清洁低碳方向转型已成为社会共识，推动了高效
、
低碳的氢能利用规模的快速扩大
。
电解制氢作为氢能制备的关键技术，目前也成为可再生能源高效消纳的重要支撑手段，其中以碱性电解技术的商业化程度最高
、
应用范围最广，是构建电氢耦合系统和消纳可再生能源的主流选择，但其系统构成复杂
、
运行机理多学科交叉，运行效率
、
启停过程受工况影响
、
存在压力失控
、
爆炸等安全问题，需要系统动态仿真模型分析其运行特性，确保不同工况和操作条件下系统安全可靠运行
。
[0003]碱性电解制氢在电力系统中可以作为灵活性调节资源，在可再生能源消纳中可以作为储能平缓峰谷波动，然而，制氢系统是一个复杂的动态系统，运行过程中受到输入工况和操作条件的约束和限制远超过典型储能
。
具体而言，由于系统辅机能耗受负荷率和工作温度的影响，因此运行过程中的系统效率并非固定不变；由于氢侧产气速率为氧侧的两倍，氢侧压力增速远高于氧侧，易导致氧中氢含量增大并引发爆炸风险，因此功率的调节速率应保持在一定范围内，从而保证产气速率的变化不至于引起两侧压力失衡；由于电解过程需要维持额定温度运行，系统需要一定的升温时间来实现启动运行，而该时间跨度取决于初始槽温，因此温度状态不同，系统的启动难易程度不同
。
[0004]当前针对碱性电解制氢的建模，大多针对电解槽本身，采用固定逆电压
、
线性欧姆电压和呈对数关系的活化过电压拟合电解槽
U
‑
I
曲线，构建法拉第效率模型以求解产气速率，实现电解槽的动态仿真
。
上述方法仅能描述电解槽在给定温度
、
压力条件下的工作过程，进而支撑电解槽效率
、
调节速率等特性，但不能反映电解系统运行过程中电解槽
、
温度控制
、
压力控制等多个子系统之间的互相关联与影响
。
由此可知，当前针对电解制氢系统的模型构建多用于电解效率的表征，以便将电制氢纳入整个储能系统以配合电力系统优化，因此多利用经验系数对电解槽进行数学建模并分析操作条件对于槽效率的影响
。
但是当前的建模方式不能准确反映制氢系统运行过程中的温度
、
压力
、
流量等运行参数的耦合变化过程，从而无法准确反应制氢系统的安全运行边界和调控参数，基于电解槽模型确定的调节限制及速率边界进行电氢耦合系统调度，可能无法满足制氢系统的安全边界
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法
、
仿真方法及系统，能够实现制氢系统在不同工况及工况转换情景下运行状态的精细化仿真和分析，为制氢系统耦合电力系统运行优化提供技术参数和安全约束参考
。
[0006]本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供的一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法，包
括以下步骤：
[0008]对碱性电解系统工艺流程进行原理差异分析，并基于流程各阶段物理化学机理差异将碱性电解系统分解为电解子系统
、
温度控制子系统
、
压力控制子系统和储氢子系统；
[0009]基于电化学
、
热力学和流体力学原理及设备运行原理构建子系统动态模型；
[0010]通过交互部分信息互联各个子系统动态模型，构建碱性电解制氢系统的仿真模型
。
[0011]第二方面，本专利技术实施例提供的一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立系统，包括：
[0012]系统分解模块，用于对碱性电解系统工艺流程进行原理差异分析，并基于流程各阶段物理化学机理差异将碱性电解系统分解为电解子系统
、
温度控制子系统
、
压力控制子系统和储氢子系统；
[0013]子系统动态模型构建模块，用于基于电化学
、
热力学和流体力学原理及设备运行原理构建子系统动态模型；
[0014]仿真模型构建模块，用于通过交互部分信息互联各个子系统动态模型，构建碱性电解制氢系统的仿真模型
。
[0015]第三方面，本专利技术实施例提供的一种碱性电解制氢系统的仿真方法，利用上述任一所述的仿真模型建立方法得到的碱性电解制氢系统的仿真模型进行仿真
。
[0016]第四方面，本专利技术实施例提供的一种碱性电解制氢系统的仿真系统，包括：
[0017]仿真模块，用于上述所述的仿真模型建立系统得到的碱性电解制氢系统的仿真模型进行仿真
。
[0018]本专利技术实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
[0019]本专利技术以工艺流程各环节原理差异为基础将电解系统分解为电解
、
温度控制
、
压力控制和储氢子系统，实现复杂系统在电化学
、
热力学和流体力学上的解耦；同时，基于不同的物理化学机理及设备运行原理构建各子系统独立运行模型，并通过交互部分信息互联各子系统，实现碱性电解制氢系统的仿真模型的自下而上构建
。
本专利技术实现了制氢系统在不同工况及工况转换情景下运行状态的精细化仿真和分析，可对电解制氢系统启停
、
多点稳态运行和功率调节过程进行时域仿真分析，为制氢系统耦合电力系统运行优化提供技术参数和安全约束的准确参考；同时，本专利技术针对碱性电解制氢设计，但可推广至其它如质子交换膜电解和高温固氧化物电解的电解制氢技术的系统模型构建
。
[0020]本专利技术提供了一种面向运行过程的碱性电解系统动态建模方法，可解决碱性电解制氢工艺流程融合电化学
、
热力学和流体力学等多专业交叉，系统结构复杂，参数难以解耦
、
数学建模困难的问题；同时，本专利技术通过交互部分关键参量实现各子系统的协同控制，可以针对不同规模碱性电解系统，实现不同工况和状态切换过程的系统仿真与运行特性的分析
。
附图说明
[0021]图1是根据一示例性实施例示出的碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法的流程图；
[0022]图2是根据一示例性实施例示出的碱性电解制氢系统的仿真模型建立系统的示意
图
。
[0023]图3是根据一示例性实施例示出的一种碱性电解系统组件示意图；
[0024]图4是根据一示例性实施例示出的一种碱性电解系统子系统交互连接图；
[0025]图5是根据一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：对碱性电解系统工艺流程进行原理差异分析，并基于流程各阶段物理化学机理差异将碱性电解系统分解为电解子系统
、
温度控制子系统
、
压力控制子系统和储氢子系统；基于电化学
、
热力学和流体力学原理及设备运行原理构建子系统动态模型；通过交互部分信息互联各个子系统动态模型，构建碱性电解制氢系统的仿真模型
。2.
根据权利要求1所述的碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法，其特征在于，所述构建子系统动态模型，包括：电解子系统建模：通过对电流
‑
电压特性进行数学描述来构建电解槽的电气模型；基于氢气产量与工作电流存在正比关系，构建电解子系统的电化学模型，用以反应不同温度
、
压力及制氢功率与氢
、
氧生成速率及发热功率之间的关系；温控子系统建模：构建用于碱液和气体冷却的温控模型，用以反应不同环境温度及制氢功率条件下，稳控系统阀门开度及温度变化过程；压力控制子系统建模：选用
PI
控制作为控制方法构建压力控制模型，构建考虑产气速率
、
出气速率及缓冲作用的实时压力变化模型，用以反应不同产气速率工况下制氢系统压力变化规律；储氢子系统建模：构建含缓冲罐
、
压缩机和储氢罐模型，用以反应不同制氢速率及用氢速率下，储氢罐压力变化规律及压缩机能耗规律
。3.
根据权利要求2所述的碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法，其特征在于，所述电气模型的构建过程为：
①
构建电解槽电压与电流关系：其中，电解模块电压的计算公式：
V
cell
＝
V
rev
+V
ohm
+V
act
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
式中，
V
cell
、V
rev
、V
ohm
、V
act
分别为槽电压
、
可逆电压
、
欧姆过电压和活化过电压；可逆电压表征了与反应压力
、
温度有关的电解反应基础电压，其计算公式为：其中，
V
rev_T
＝
α
r1
+
α
r2
T+
α
r3
T2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
式中，
R
为通用气体常数，
V
rev_T
为标准电位；
α
rn
为对应温度系数，
P、P
l_g
、
分别表示系统工作压力
、
电极附近湿氢气和氧气的压力
、
纯水的蒸气压，
α
ln
、
λ
ln
、
α
hn
、
α
mn
分别为对应的温度和浓度系数；
m
为
KOH
的摩尔浓度；
Wt
％为
KOH
的溶液浓度；
T
为工作温度；
z
为单次反应电子转移数；
F
为法拉第常数；欧姆过电压反应了电流的欧姆效应，其计算公式为：
V
ohm
＝
I
c
(R
ca
+R
an
+R
KOH
+R
mem
)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中，
σ
ca
＝
σ
an
＝
σ
Ni
＝
α
σ1+
α
σ2T+
α
σ3T2+
α
σ4T3σ
KOH
＝
λ
σ1m+
λ
σ2m2+
λ
σ3mT+
λ
σ4m/T+
λ
σ5m3+
λ
σ6m2T2式中，
R
ca
、R
an
、R
KOH
、R
mem
分别为氢
、
氧电极
、
碱液和隔膜的电阻，
σ
为电导率；
L
为电流穿过的材料长度；
A
为有效接触面积；
σ
ca
、
σ
an
、
σ
Ni
、
σ
KOH
分别为氢氧电极
、
镍电极和碱液的电导率；
α
σ
n
、
λ
σ
n
分别为对应的温度系数和浓度系数，
A
mem
为隔膜面积；
α
Rn
为对应温度系数；
I
c
为电解电流；
R
and
为电极和电解液电阻；活化过电压反应了电解极化效应，与温度和压力反应条件及电解电流有关，其计算公式为：其中，其中，
α
ca
＝
α
ca3
+
α
ca4
T
α
an
＝
α
an3
+
α
an4
T
式中，
α
ca
、
α
an
分别为阴极和阳极的转移电荷系数；
I
0_ca
、I
0_an
分别为阴极和阳极的交换电流；
T
ref
为参考工作温度，
P
ref
为参考工作压力；电极表面的覆盖率
θ
是电流密度
、
温度和压强的函数：鼓泡率
ε
通过
Bruggeman
方程计算：
σ
KOH_bubble
＝
σ
KOH
(1
‑
ε
)
1.5
式中，
σ
KOH_bubble
为气泡的电导率；热中性电压为：
式中，
V
tn
为电解制氢的热中性电压；
V
HHV
为高热值氢气对应电压；
α
tn
、
α
vn
分别为对应温度系数；
②
构建电解槽发热功率与电解电流关系：电解过程的热功率为：式中，
P
th
为电解子系统热功率；
P
module
为电解子系统电功率；基于所述电化学模型的构建过程进一步构建反应电解槽运行效率的法拉第效率和热效率其中，法拉第效率与反应温度和电流密度有关，其计算公式如下：式中，
η
F
为法拉第效率；
I
c
为工作电流；
T
为电解槽温度；
A
cell
为电极面积；
α
Fn
为温度系数；通过法拉第效率即可利用工作电流计算电解模块的产氢速率：式中，
v
H
为产氢速率；
z
为单次反应电子转移数；
F
为法拉第常数；
v
O
为产氧速率；电解槽效率为：式中，
η
cell
为电解槽效率；
η
thermal
为电解槽热效率
。4.
根据权利要求2所述的碱性电解制氢系统的仿真模型建立方法，其特征在于，所述温控模型的构建过程为：冷凝器对循环流动的碱液进行降温，其冷却功率数学模型如下：式中，
P
cool
为碱液降温冷却功率；
v
c_w
为冷却水的流速；
c
water
为水的比热容；
Δ
T
co
为冷却水温差；
T
co_w
、T
ci_w
分别为冷却水的出
/
入口温度；利用对数平均温差法，热交换器的冷却功率用等效热交换系数
VA
HX
计算：式中，
h
cond
与
h
conv
分别为热交换机的传导热交换系数和对流热交换系数；
LMTD
为对数平均温差，
VA
HX
为等效热交换系数；联立式
(18)
和
(19)
可得：
T
co_w
＝
T
ci_w
+(T
‑
T
ci_w
)(1
‑
exp(
‑
VA
HX
/C
cw
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
式中，
C
cw
为冷却水的热容；各冷凝器的功率为：
P
c_H

【专利技术属性】
技术研发人员：施啸寒，何斯强，张恒旭，吴晓庆，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：