CN112921343A - 一种冷热氢联供***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种冷热氢联供***及控制方法，所述冷热氢联供***包括电解水制氢单元、热交换储热罐、储氢罐、循环水泵、电加热模块、第一比例电磁阀、第二比例电磁阀、吸热式制冷机和控制***。本发明专利采用电解水方法制氢，同时充分利用电解槽制氢产生的热量，用于供热和供冷。采用吸热式制冷机将高温水转换成低温水进行供冷。控制器根据冷、热、氢的需求控制制电解槽和冷机的工作状态，从而实现效率的最优化。本发明专利能够实现能量的高效利用，具有较好的经济价值。

Description

一种冷热氢联供***及控制方法
技术领域
本发明专利涉及一种冷热氢联供***及控制方法，特别涉及电解水制氢领域。
背景技术
氢能属于二次能源，氢能的主要优点有：燃烧热值高，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。因此氢能是全球能源向可持续发展转型的主要路径之一，是整个能源技术的前沿领域，是支撑可再生能源规模化发展，构建以可再生能源为主的综合能源供给体系的重要载体，其应用前景十分广泛。
发展氢能产业优势显著，氢能源有着广阔的发展空间。我国氢产业基础良好，但目前氢主要来源化石能源重整制氢，原料为煤、石油和天然气，并非真正清洁能源。面对环境污染、碳排放等问题，迫切需要能源结构的转型；而可再生能源自身间歇性、波动性等特点造成了大量的“弃风、弃光”。解决该问题有效的办法是将可再生能源的电力与电解水技术结合，制取高纯度的氢气，可再生能源电解水制氢未来将成为主流。此外，氢能源消耗的市场潜力巨大，燃料电池汽车刚刚兴起，未来将保持快速增长。
目前，电解水制氢效率为70％左右，约30％的能量以热的形式损失掉，若能将这部分热能充分利用，将大大提升能源利用效率。
发明内容
本发明目的在于克服现有电解水制氢能源利用效率低下的问题，提供一种冷热氢联供***及控制方法。
本发明所述的一种冷热氢联供***及控制方法，包括电解水制氢单元、热交换储热罐、储氢罐、循环水泵、电加热模块、第一比例电磁阀、第二比例电磁阀、吸热式制冷机和控制***。
本发明所述的电解水制氢单元由隔离变压器、制氢变流器、电解槽、氢气纯化装置、水循环装置和氢气监测装置构成。
本发明所述的热交换储热罐内部含有热交换管，罐体留有1个出水口和2个进水口，罐体外有保温材料包裹；电解水制氢单元输出的高温水流入热交换管，将热量传导到冷却罐内的介质，冷却后流回到制氢单元，实现冷却电解槽温度的功能。
本发明所述的循环水泵入口通过水管连接到热交换储热罐的出水口，出口通过水口连接到电加热模块的入口，其作用是实现热交换储热罐内的水在外部循环，循环水泵启停由控制***来控制，所述的第一比例电磁阀和第二比例电磁阀受控制***控制。
本发明所述的吸热式制冷机由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。
本发明所述的控制方法基于冷、热、氢的需求，在采用热水流量和水温双闭环负反馈控制，即通过冷热负荷的需求和实际温度采用比例(P)控制第一比例电磁阀和第二比例电磁阀的开度，同时还采用比例积分微分(PID)控制电加热模块的启动和停止，实现能源的最大利用率。。
本发明专利提供的一种光伏电解水制氢***及控制方法，通过上述结构及其作用，针对光伏发电直接电解水制氢可以实现高效率、低成本、高功率等级的特征。
附图说明
图1冷热氢联供***图
图2冷热氢联供***控制方法流程图
图3比例电磁阀控制策略
图4电加热模块控制策略
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提供了一种冷、热、氢联供***及控制方法，冷、热、氢联供***主要由电解水制氢单元1、热交换储热罐2、储氢罐3、循环水泵4、电加热模块5、第一比例电磁阀6、第二比例电磁阀7、吸热式制冷机8和控制***9组成。
上述冷、热、氢联供***，由电网为电解水制氢单元供电1，外部供水***为电解水制氢单元供电1提供水的补给；电解水制氢单元1实现水的电解，产生氢气和氧气，其中氧气排放到空气中，氢气输出管与储氢罐3相连接，将产生的氢气存储到储氢罐3中。电解水制氢单元1电解水国产产生的热，通过内部冷却循环***带出，内部冷却循环***出、入口分别与热交换储热罐2的入口和出口相连接，将电解水制氢单元1产生的热量释放到热交换储热罐2中的介质水中。
热交换储热罐2的出水口连接到循环水泵4的进水口，循环水泵4将水泵入电加热模块5，若水温过低需经电加热模块5加热在送到热负荷及吸热式制冷机8中。吸热式制冷机8能够实现热能到冷能转换，并将冷水供给冷负荷；回水分别通过热负荷和吸热式制冷机8返回到热交换储热罐2中，完成供冷和供热的水循环。
控制***9作为总控制机构，控制电解水制氢单元1工作状态，其控制方式是通过Can通信实现的。同时控制***9监测热交换储热罐2内部介质的温度、电加热模块5内部介质温度、冷/热负载的进出水温度。控制***9还控制第一比例电磁阀6、第二比例电磁阀7的开通和截止。除控制功能外，控制***9还实现安全状态监测功能，监测储氢罐3压力，监测环境的氢气泄露。控制***9内部控制部件采用通用PLC。
所述冷热氢联供***控制方法流程图如图2所示。首先控制***执行信号采集模块S901，接下来执行启动条件判断模块S902，若***有故障或有停机指令，则进入停机保护模块S903；若***无故障且有启动指令，则继续执行启动电解水制氢模块S904；启动电解水制氢模块S904执行后进入制冷或制热需求判断模块S905，若无制冷或制热需求，直接跳转到程序结束位置，若有制冷或制热需求，则执行启动循环水泵模块S906，进入制冷制热控制算法模块S907。
上述信号采集模块S901采集电解槽温度、储氢罐压力、热交换储热罐内介质温度、电加热模块温度以及制氢单元状态信息；启动条件判断模块S902实时监测***有无故障以及启停机指令；停机保护模块S903给电解水制氢模块发生停机指令，同时停止制冷和制热控制；启动电解水制氢模块S904主要功能是给电解水制氢模块发送启动指令，同时启动电解水制氢单元的冷却水循环***；制冷或制热需求判断模块S905根据外部需求指令进行判断；启动循环水泵模块S906执行启动水泵指令。
上述制冷制热控制算法模块S907包括比例电磁阀控制策略和电加热模块控制策略，比例电磁阀控制策略如图3所示。冷负荷的实际温度与冷负荷需求温度之差进入第一比例调节器S9001，第一比例调节器功能是将输入乘以比例系数作为输出，输出到第一限幅调节器S9003，限幅比例调节器对输入做最大值和最小值限制后将信号输出，其输出信号作为第二比例电磁阀7的开度给定值。热负荷需求温度与热负荷的实际温度之差进入第二比例调节器S9002，第二比例调节器功能是将输入乘以比例系数作为输出，输出到第二限幅调节器S9004，限幅比例调节器对输入做最大值和最小值限制后将信号输出，其输出信号作为第一比例电磁阀6的开度给定值。
图4所示为电加热模块控制策略，热负荷需求温度与热负荷实际温度做差后输入到第一PID控制器9005，第一PID控制器9005功能是将输入进行比例积分微分PID运算，将运算结果输出，其结果输出到第三限幅模块S9007，第三限幅模块S9007功能是对输入值进行限幅；冷负荷实际温度与冷负荷需求温度做差后输入到第二PID控制器9006，第二PID控制器9006功能是将输入进行比例积分微分PID运算，将运算结果输出，其结果输出到第四限幅模块S9008，第四限幅模S9008块功能是对输入值进行限幅；第三限幅模块S9007和第四限幅模S9008的输出都进入最大值模块S9009，最大值模块S9009功能是将2个输入值求最大值然后输出，输出到加热启停判断模块S9010，加热启停判断模块S9010，加热启停判断模块S9010是通过输入值与预先设定值做比较，当输入值小于等于预先设定值时发送启动加热模块控制指令。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，看轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种冷热氢联供***及控制方法，所述冷热氢联供***包括电解水制氢单元、热交换储热罐、储氢罐、循环水泵、电加热模块、第一比例电磁阀、第二比例电磁阀、吸热式制冷机和控制***。
2.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的电解水制氢单元由隔离变压器、制氢变流器、电解槽、氢气纯化装置、水循环装置和氢气监测装置构成。
3.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的热交换储热罐内部含有热交换管，罐体留有1个出水口和2个进水口，罐体外有保温材料包裹；电解水制氢单元输出的高温水流入热交换管，将热量传导到冷却罐内的介质，冷却后流回到制氢单元，实现冷却电解槽温度的功能。
4.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的循环水泵入口通过水管连接到热交换储热罐的出水口，出口通过水口连接到电加热模块的入口，其作用是实现热交换储热罐内的水在外部循环，循环水泵启停由控制***来控制。
5.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的第一比例电磁阀的开度和第二比例电磁阀的开度受控制***控制。
6.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的吸热式制冷机由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。
7.根据权利要求1所述的一种冷热氢联供***及控制方法，其特征在于所述的控制方法基于冷、热、氢的需求，在采用热水流量和水温双闭环负反馈控制，即通过冷热负荷的需求和实际温度采用比例(P)控制第一比例电磁阀和第二比例电磁阀的开度，同时还采用比例积分微分(PID)控制电加热模块的启动和停止，实现能源的最大利用率。
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