顏?zhàn)坑拢紫橥?/p>

（江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)及應(yīng)用研究

顏?zhàn)坑?，孔祥?/p>

（江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

2013年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量為16.1 GW，累計(jì)裝機(jī)容量為91.42 GW，兩項(xiàng)指標(biāo)均居世界第一，卻有大量風(fēng)機(jī)不能并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)前，并網(wǎng)難已成為我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展中的突出問題。非并網(wǎng)風(fēng)電是指風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高載能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域。在江蘇大豐市建成日產(chǎn)120 Nm3非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)示范工程。該系統(tǒng)利用1臺(tái)30 kW風(fēng)機(jī)和1臺(tái)10 kW風(fēng)機(jī)共同給電解水制氫裝置供電，采用非并網(wǎng)風(fēng)電供電模式，風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)不并網(wǎng)，消除了風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電100%高效、低成本利用。該系統(tǒng)的研究可以揭示風(fēng)電與電解水制氫工藝之間的耦合規(guī)律。

非并網(wǎng)；風(fēng)電；電解水制氫

1 前言

非并網(wǎng)風(fēng)電[1～3]是指風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高載能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域（如電解水制氫、電解鋁工業(yè)、氯堿工業(yè)、海水淡化、抽油機(jī)等），使系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電價(jià)格接近或低于煤電，走出一條風(fēng)電多元化發(fā)展之路，為我國(guó)發(fā)展綠色能源和低碳經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。

其中，非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)是風(fēng)電多元化應(yīng)用的有效方法之一[4]。氫氣以其清潔、高效的特點(diǎn)被公認(rèn)為未來最有潛力的能源載體。可再生能源制氫是能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)之一。在目前的各種可再生能源制氫技術(shù)中，利用風(fēng)電作為動(dòng)力來電解水是最為成熟的技術(shù)。本文介紹國(guó)內(nèi)第一個(gè)非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)示范工程。

2 非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)

2010年年底，國(guó)內(nèi)第一個(gè)非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫示范工程在江蘇大豐建成，主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)控制器、非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電控制器、新型電解水制氫系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)利用一臺(tái)30 kW風(fēng)機(jī)和一臺(tái)10 kW風(fēng)機(jī)同時(shí)給新型電解水制氫裝置供電，日產(chǎn)120 Nm3氫氣，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電控制器

非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電控制器（見圖1）是系統(tǒng)的核心設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電100%全部利用，風(fēng)網(wǎng)協(xié)同、風(fēng)電獨(dú)立等多種供電模式的關(guān)鍵。方式選擇柜上可以實(shí)現(xiàn)各種供電模式的選擇。直流風(fēng)電網(wǎng)經(jīng)風(fēng)電優(yōu)先變換后，在方式選擇柜實(shí)現(xiàn)與其他補(bǔ)充能源協(xié)同為新型電解水制氫系統(tǒng)供電。

圖1 非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電控制器實(shí)物圖Fig.1 The picture of non-grid-connected wind/grid intelligence controller

2.2 風(fēng)/網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電技術(shù)

2.2.1 風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電方式

風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同采用最經(jīng)濟(jì)供電方式，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的高效利用和生產(chǎn)的最低成本，如圖2所示。

圖2 非并網(wǎng)風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 System structure of wind/grid collaborative power supply

風(fēng)電和網(wǎng)電經(jīng)整流后進(jìn)入到風(fēng)網(wǎng)協(xié)同智能控制系統(tǒng)，共同給負(fù)載供電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率大于負(fù)載工作功率時(shí)，完全由風(fēng)電供電，多余部分由風(fēng)電功率平衡模塊消納；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率小于負(fù)載工作功率時(shí)，不管風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率多少（只要有電），都以風(fēng)電發(fā)電量為基數(shù)，與網(wǎng)電同步給負(fù)載供電，保證風(fēng)電100%高效、低成本使用。

2.2.2 風(fēng)電獨(dú)立供電方式

通過實(shí)測(cè)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)規(guī)律和系統(tǒng)的特性，編制變工況優(yōu)化程序并通過自學(xué)習(xí)系統(tǒng)在運(yùn)行中進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。風(fēng)電緩存系統(tǒng)的功能不是作為工作的“功率”電源，而是起到系統(tǒng)協(xié)調(diào)平衡作用，這一設(shè)計(jì)策略使風(fēng)電緩存系統(tǒng)的容量數(shù)倍下降，壽命成倍提高，如圖3所示。

圖3 非并網(wǎng)風(fēng)/蓄協(xié)調(diào)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 System structure of independent supply of wind power

2.3 新型電解水制氫設(shè)備

為適應(yīng)風(fēng)電的特性，在原來的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行了多方面的改造及完善。采用一體化設(shè)計(jì)，控制與工藝系統(tǒng)合二為一，除電解電源外，整個(gè)系統(tǒng)集中于一個(gè)框架；采用了新型的風(fēng)冷卻方式，不同于傳統(tǒng)的水冷卻方式，方便了用水困難環(huán)境的使用；采用新型的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制，替代了傳統(tǒng)的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，不需要儀表氣源，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的同時(shí)減少了系統(tǒng)的故障率；采用PLC＋觸摸屏的典型控制方式，保證了系統(tǒng)控制的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)行了系統(tǒng)的“一健啟?！比詣?dòng)控制方式，方便了操作者的使用。

3 示范系統(tǒng)運(yùn)行及分析

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)示范項(xiàng)目由兩臺(tái)風(fēng)機(jī)（30 kW和10 kW）組成風(fēng)電直流網(wǎng)后，與網(wǎng)電系統(tǒng)形成風(fēng)網(wǎng)協(xié)同和風(fēng)電獨(dú)立兩種供電模式。

3.1 非并網(wǎng)風(fēng)網(wǎng)協(xié)同供電

圖4給出了某日05：00到06：00一小時(shí)風(fēng)網(wǎng)協(xié)同（30 kW風(fēng)機(jī)與網(wǎng)電協(xié)同）供電功率分鐘平均曲線圖。在風(fēng)速達(dá)到6.0 m/s以上時(shí)，僅由一臺(tái)30 kW風(fēng)機(jī)的供電比例達(dá)到30.71%以上。

圖4 協(xié)同供電功率曲線Fig.4 Average power graph

圖5給出了某日11：00到12：00一小時(shí)風(fēng)網(wǎng)協(xié)同（30 kW風(fēng)機(jī)、10 kW風(fēng)機(jī)與網(wǎng)電協(xié)同）供電功率分鐘平均曲線圖。在風(fēng)速達(dá)到6.0 m/s以上時(shí)，由30 kW風(fēng)機(jī)和10 kW風(fēng)機(jī)共同供電比例達(dá)到38.95%以上。

圖5 非并網(wǎng)風(fēng)網(wǎng)協(xié)同供電功率曲線Fig.5 Average power graph

3.2 非并網(wǎng)風(fēng)電獨(dú)立供電

圖6給出了某日9：00到11：00兩小時(shí)非并網(wǎng)風(fēng)電獨(dú)立供電（30 kW風(fēng)機(jī)和10 kW風(fēng)機(jī)一起供電，網(wǎng)電功率為零）功率分鐘平均曲線圖。負(fù)載功率為30 kW風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率和10 kW風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率之和。

圖6 非并網(wǎng)風(fēng)電獨(dú)立供電功率曲線Fig.6 Average power graph at independent supply of wind power

圖7和圖8給出了在該條件下的電解功率曲線和氫氣產(chǎn)量曲線。在風(fēng)電功率波動(dòng)的情況下，新型電解水制氫設(shè)備能夠正常運(yùn)行；且產(chǎn)氫量隨風(fēng)電功率變化而變化，即風(fēng)大產(chǎn)氫量大，風(fēng)小產(chǎn)氫量小，但單位產(chǎn)氫量能耗基本維持不變。

圖7 電解功率曲線Fig.7 Power curve of water electrolysis

圖8 氫氣產(chǎn)量曲線Fig.8 Output curve of hydrogen

4 非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)的應(yīng)用

風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)[5]是指以風(fēng)能和煤炭資源為基礎(chǔ)的，集成風(fēng)力發(fā)電、非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫、煤氣化、煤液化、化工合成、發(fā)電、廢棄物處理等單元工藝，形成整體的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

風(fēng)電系統(tǒng)通過風(fēng)電電解水制氫氧與煤化工系統(tǒng)相結(jié)合，并可利用風(fēng)電提水技術(shù)為電解水技術(shù)輸送水。由空分系統(tǒng)產(chǎn)生的O2與電解水產(chǎn)生的O2混合后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后送入氣化爐，分離出的N2應(yīng)用于合成氨工藝。煤炭一部分用于煤炭加氫液化，一部分用于制取水煤漿并經(jīng)煤漿泵輸送入氣化爐。產(chǎn)生的合成氣先經(jīng)凈化工序除塵、脫硫后，一股送往整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)系統(tǒng)和熱冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為燃料；另一股用來作為天然氣（SNG）、甲醇和乙二醇生產(chǎn)的原料氣，且為了滿足甲醇和乙二醇合成反應(yīng)的要求，其中部分原料氣用于變換工序，調(diào)整H2/CO比值。分離出的氫氣和電解水產(chǎn)生的氫氣混合后，一部分用于合成氨工藝或煤炭加氫液化，一部分用于合成甲醇和乙二醇，并結(jié)合化工合成工藝走通煤間接液化代替石油的工藝路線。甲醇和乙二醇都是大宗化學(xué)品原料，甲醇可與甲醇制丙烯（MTP）、甲醇制烯烴（MTO）、二甲醚（DME）等工藝相結(jié)合，用于生產(chǎn)合成纖維、燃料、甲醛、塑料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等，乙二醇可用于生產(chǎn)聚酯纖維、不飽和聚酯樹脂、潤(rùn)滑劑、增塑劑、防凍劑、非離子表面活性劑等行業(yè)。分離出的CO2可用于石油開采、制取干冰、化工產(chǎn)品、藻類生長(zhǎng)等。此外，風(fēng)電系統(tǒng)還可與IGCC和熱電冷聯(lián)產(chǎn)互相配套，供電上網(wǎng)給用戶或企業(yè)自身用電。

圖9 風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)示意圖Fig.9 Wind/coal muilt-energy system

風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)以H2、O2和CO為“橋梁”，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流和能量流的最佳耦合，提高工藝系統(tǒng)的效率，降低環(huán)境污染，綜合了風(fēng)能和煤炭資源的優(yōu)點(diǎn)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：a.將風(fēng)電用于水電解制氫氧，減少了風(fēng)電上網(wǎng)，克服了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電的應(yīng)用問題，并可運(yùn)用IGCC發(fā)電與風(fēng)電相配套，降低風(fēng)電上網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，充分利用了可再生風(fēng)能資源，降低對(duì)環(huán)境和生態(tài)干擾；b.改變傳統(tǒng)的煤化工工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和廢物利用，利用電解水制氫代替CO變換系統(tǒng)可大幅度減排CO2，將產(chǎn)生的CO2用于石油開采和制造干冰等，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；c.氣化單元、CO轉(zhuǎn)化單元及甲醇合成單元均有一定量的反應(yīng)熱，通過集成、優(yōu)化不同工藝，達(dá)到能量的梯級(jí)利用，極大地提高系統(tǒng)整體能源效率、以及風(fēng)能和煤炭資源的利用率；d.企業(yè)效益顯著提高，改變單一產(chǎn)品生產(chǎn)，可根據(jù)市場(chǎng)需求靈活選擇相應(yīng)的工藝，如天然氣、合成氨、IGCC，MTO及液體燃料等聯(lián)產(chǎn)，達(dá)到資源利用的最佳效益和最大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)將風(fēng)電直接與新型電解水制氫設(shè)備耦合，風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)不并網(wǎng)，與網(wǎng)電協(xié)同供電的特性，消除了風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電100%高效、低成本利用，達(dá)到一舉多得的效果。該系統(tǒng)的研究揭示了非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)與電解水制氫系統(tǒng)之間的耦合規(guī)律：一是電解水制氫系統(tǒng)對(duì)非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的波動(dòng)特性有較好的耦合關(guān)系；二是非并網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)屬性對(duì)電解水制氫的反應(yīng)機(jī)理影響不明顯，只影響反應(yīng)產(chǎn)物的量；三是非并網(wǎng)風(fēng)電與電解水制氫系統(tǒng)耦合時(shí)，在一定區(qū)間內(nèi)電流波動(dòng)對(duì)電流效率影響較小；四是非并網(wǎng)風(fēng)電與電解水制氫系統(tǒng)的耦合路徑，可以是非并網(wǎng)風(fēng)電獨(dú)立供電，也可以是風(fēng)/網(wǎng)協(xié)同供電。

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于煤化工產(chǎn)業(yè)[5，6]，形成風(fēng)煤多能源系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)煤化工，可大量減排CO2，提高單位原料的產(chǎn)品產(chǎn)量，并可以突破風(fēng)電發(fā)展瓶頸，走出一條有中國(guó)特色的大規(guī)模風(fēng)電多元化應(yīng)用之路。

[1] 顧為東.中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新戰(zhàn)略與風(fēng)的非并網(wǎng)理論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 顧為東.大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)體系研究[J].中國(guó)能源，2008，30（11）：14-17，38.

[3] Gu Weidong.The influence of the wind power non-grid-connection theory to wind power industry in China and its prospect analysis[J].Shanghai Electric Power，2007（1）：11-18.

[4] Gu Weidong，Yan Zhuoyong.Research on non-grid-connected wind power/water-electrolytic hydrogen production system[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012，1（37）：737-740.

[5] 顧為東，顏?zhàn)坑?風(fēng)煤多能源系統(tǒng)的研究[C]//第一屆世界非并網(wǎng)風(fēng)電與能源大會(huì)（WNWEC）.美國(guó):美國(guó)IEEE出版社，2009：467-470.

[6] 顧為東，顏?zhàn)坑?大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電煤制天然氣集成系統(tǒng)研究[C]//第二屆世界非并網(wǎng)風(fēng)電與能源大會(huì)（WNWEC）.美國(guó)美國(guó)IEEE出版社，2009：483-486.

Research on non-grid-connected wind power water-electrolytic hydrogen production system and its applications

Yan Zhuoyong，Kong Xiangwei
（Jiangsu Academy of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China）

By the end of 2013，the new capacity of wind power is 16.1 GW，and the total installed capacity is 91.42 GW，to maintain global leadership，but a lot of wind turbines are not integrated into grid at present which is the outstanding problem.Non-grid-connected wind power system means that the terminal load is no longer a single traditional grid，but can be directly applied to a series of high energy-consuming industries and other special areas which adapt to the characteristics of wind power.Based on many preliminary investigations，the demonstration project of wind power water electrolysis hydrogen production system（120 Nm3/d）was built using a 30 kW wind turbine and a 10 kW wind turbine in Dafeng City，Jiangsu Province.The power supply system for hydrogen production is based on non-grid-connected wind power mode. Wind power is connected to the power grid but not integrated into power grid，and seamlessly complement wind power with grid power，which gets to 100%utilization of wind power.The results reveal the coupling laws between large-scale non-grid-connected wind power and water electrolysis process.

non-grid-connected；wind power；water electrolysis hydrogen production

TK89

A

1009-1742（2015）03-0030-05

2014-12-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“兆瓦級(jí)非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導(dǎo)性示范”（2013BAB08B04）

顏?zhàn)坑拢?983年出生，男，江西廣豐縣人，博士，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)煤多能源系統(tǒng)和風(fēng)電制氫；E-mail：yzy@zjzw.net