化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (S1): 320-328.DOI: 10.11949/0438-1157.20221598
收稿日期:
2022-11-13
修回日期:
2022-12-25
出版日期:
2023-06-05
发布日期:
2023-09-27
通讯作者:
邵双全
作者简介:
黄琮琪(1999—),男,硕士研究生,948146937@qq.com
基金资助:
Congqi HUANG(), Yimei WU, Jianye CHEN, Shuangquan SHAO()
Received:
2022-11-13
Revised:
2022-12-25
Online:
2023-06-05
Published:
2023-09-27
Contact:
Shuangquan SHAO
摘要:
可再生能源发电耦合碱性电解水制氢是制取绿氢的理想技术路线之一,但是发电功率的波动性、间歇性影响着电解槽温度的稳定,影响制氢效率,因此构建了基于吸收式热泵的碱性电解水制氢热管理系统。通过分析不同冷凝温度下热泵运行参数,总结最优性能的工况特点。对不同负荷工况分析可得,随着电解槽散热负荷从32.28 kW降到25.08 kW,系统中回流碱液的温度由58℃升至70℃,热用户所得回收热从8.31 kW降至4.17 kW,同时总耗冷量降低44.55%。以上结果表明,所构建的碱性电解水制氢热管理系统有效调节电解槽的工作温度要求,可降低制冷能耗并回收热能,提升综合能源利用效率。
中图分类号:
黄琮琪, 吴一梅, 陈建业, 邵双全. 碱性电解水制氢装置热管理系统仿真研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 320-328.
Congqi HUANG, Yimei WU, Jianye CHEN, Shuangquan SHAO. Simulation study of thermal management system of alkaline water electrolysis device for hydrogen production[J]. CIESC Journal, 2023, 74(S1): 320-328.
工作参数 | 设计值 | 取值 |
---|---|---|
氢气产量/(m³/h) | 10 | 10 |
氧气产量/(m³/h) | 5 | 5 |
KOH碱液质量分数/% | 26~30 | 28 |
KOH碱液工作温度/℃ | 85~90 | 85 |
KOH碱液槽内碱液量/L | 160 | 160 |
KOH碱液碱液循环量/(m³/h) | 0.45~0.65 | 0.6 |
纯水耗量/(kg/h) | 10 | 10 |
冷却水温度/℃ | ≤32 | ≤32 |
空气环境温度/℃ | 0~45 | 25 |
氢气出口温度/℃ | ≤40 | — |
电解功率范围/% | 15~110 | — |
电解耗电量/(kWh/m³ H2) | ≤4.8 | — |
表1 CNDQ10/3.2系列的工作参数
Table 1 Operating parameters of CNDQ10/3.2 series
工作参数 | 设计值 | 取值 |
---|---|---|
氢气产量/(m³/h) | 10 | 10 |
氧气产量/(m³/h) | 5 | 5 |
KOH碱液质量分数/% | 26~30 | 28 |
KOH碱液工作温度/℃ | 85~90 | 85 |
KOH碱液槽内碱液量/L | 160 | 160 |
KOH碱液碱液循环量/(m³/h) | 0.45~0.65 | 0.6 |
纯水耗量/(kg/h) | 10 | 10 |
冷却水温度/℃ | ≤32 | ≤32 |
空气环境温度/℃ | 0~45 | 25 |
氢气出口温度/℃ | ≤40 | — |
电解功率范围/% | 15~110 | — |
电解耗电量/(kWh/m³ H2) | ≤4.8 | — |
设计参数 | 符号 | 设计值 |
---|---|---|
冷却水总温升/℃ | tC2-tC1 | 5 |
冷凝器与冷却水出口的温差/℃ | tR3-tC2 | 3 |
吸收器出口稀溶液温度与吸收温度之差/℃ | tR4-tU2 | 5 |
蒸发器出口驱动热源温度与蒸发温度之差/℃ | tH1-tR1 | 3 |
发生器出口驱动热源温度与发生温度之差/℃ | tH2-tR7 | 2.5 |
吸收器与蒸发器的压差/Pa | PR1-PR4 | 50 |
发生器与冷凝器的压差/Pa | PR7-PR3 | 50 |
溴化锂溶液放气范围/% | ΔX | 1~6 |
溴化锂溶液浓度范围/% | X | 45~65 |
表2 AHT系统设计工况参数
Table 2 Design operating conditions for AHT system
设计参数 | 符号 | 设计值 |
---|---|---|
冷却水总温升/℃ | tC2-tC1 | 5 |
冷凝器与冷却水出口的温差/℃ | tR3-tC2 | 3 |
吸收器出口稀溶液温度与吸收温度之差/℃ | tR4-tU2 | 5 |
蒸发器出口驱动热源温度与蒸发温度之差/℃ | tH1-tR1 | 3 |
发生器出口驱动热源温度与发生温度之差/℃ | tH2-tR7 | 2.5 |
吸收器与蒸发器的压差/Pa | PR1-PR4 | 50 |
发生器与冷凝器的压差/Pa | PR7-PR3 | 50 |
溴化锂溶液放气范围/% | ΔX | 1~6 |
溴化锂溶液浓度范围/% | X | 45~65 |
蒸发 温度/℃ | 冷凝 温度/℃ | 发生 温度/℃ | 吸收 温度/℃ | 文献 COP | 本文 模型 COP | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|
84.24 | 31.85 | 79.25 | 119.2 | 0.487 | 0.4875 | 0.10 |
表3 一定工况下模型计算值与参考值的验证对比
Table 3 Verification and comparison of model calculated values and reference values under a certain operating condition
蒸发 温度/℃ | 冷凝 温度/℃ | 发生 温度/℃ | 吸收 温度/℃ | 文献 COP | 本文 模型 COP | 相对 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|
84.24 | 31.85 | 79.25 | 119.2 | 0.487 | 0.4875 | 0.10 |
设计参数 | 含义 | 数值 | 单位 |
---|---|---|---|
tsep、tsep′ | 气液分离器内工质温度 | 58[ | ℃ |
tH0、tH0′ | 碱液与气混合物的初温 | 85 | ℃ |
Δte | 回热换热器热端温差 | 4 | ℃ |
tC | 循环水换热器热端温差 | 3 | ℃ |
PU | 循环水网络的压力 | 0.2 | MPa |
tU0 | 热用户出口循环水温度 | 55[ | ℃ |
tU2 | 吸收器出口循环水温度 | 105 | ℃ |
tC1min | 冷凝器冷却水最低初温 | 10 | ℃ |
mH5/mH5′ | 回热换热器1和2的 回流碱液的流量比 | 2 | — |
表4 热管理系统运行参数设计
Table 4 Operating parameters design of thermal management system
设计参数 | 含义 | 数值 | 单位 |
---|---|---|---|
tsep、tsep′ | 气液分离器内工质温度 | 58[ | ℃ |
tH0、tH0′ | 碱液与气混合物的初温 | 85 | ℃ |
Δte | 回热换热器热端温差 | 4 | ℃ |
tC | 循环水换热器热端温差 | 3 | ℃ |
PU | 循环水网络的压力 | 0.2 | MPa |
tU0 | 热用户出口循环水温度 | 55[ | ℃ |
tU2 | 吸收器出口循环水温度 | 105 | ℃ |
tC1min | 冷凝器冷却水最低初温 | 10 | ℃ |
mH5/mH5′ | 回热换热器1和2的 回流碱液的流量比 | 2 | — |
流体 | 流量/(kg/h) | 状态点及温度值/℃ | |
---|---|---|---|
碱液与气 混合物 | 氧气侧: 247.6; 氢气侧: 495.2 | 电解槽出口热源温度tH0、tH0′ | 85.00 |
蒸发器出口热源温度tH1、tH1′ | 74.31 | ||
发生器出口热源温度tH2、tH2′ | 64.42 | ||
循环水预热器入口温度tH3 | 64.42 | ||
冷风机1入口温度tH4 | 62.18 | ||
冷风机2入口温度tH3′ | 64.42 | ||
气液分离器温度tsep、tsep′ | 58.00 | ||
冷凝器内 冷却水 | 1469 | 冷凝器入口温度tC1 | 10.00 |
冷凝器出口温度tC2 | 15.00 | ||
循环水 | 143.1 | 热用户出口温度tU0 | 55.00 |
循环水预热器出口温度tU1 | 61.42 | ||
热用户入口温度tU2 | 105.00 | ||
回流碱液 | 742.8 | 电解槽入口温度tHr | 58.00 |
表5 正常负荷模式下不同流体流量及温度
Table 5 Flows and temperatures of different fluids under normal power mode
流体 | 流量/(kg/h) | 状态点及温度值/℃ | |
---|---|---|---|
碱液与气 混合物 | 氧气侧: 247.6; 氢气侧: 495.2 | 电解槽出口热源温度tH0、tH0′ | 85.00 |
蒸发器出口热源温度tH1、tH1′ | 74.31 | ||
发生器出口热源温度tH2、tH2′ | 64.42 | ||
循环水预热器入口温度tH3 | 64.42 | ||
冷风机1入口温度tH4 | 62.18 | ||
冷风机2入口温度tH3′ | 64.42 | ||
气液分离器温度tsep、tsep′ | 58.00 | ||
冷凝器内 冷却水 | 1469 | 冷凝器入口温度tC1 | 10.00 |
冷凝器出口温度tC2 | 15.00 | ||
循环水 | 143.1 | 热用户出口温度tU0 | 55.00 |
循环水预热器出口温度tU1 | 61.42 | ||
热用户入口温度tU2 | 105.00 | ||
回流碱液 | 742.8 | 电解槽入口温度tHr | 58.00 |
运行参数 | 计算值 |
---|---|
吸收器稀溶液温度tR4/℃ | 110.00 |
蒸发温度tR1/℃ | 71.31 |
发生器浓溶液温度tR7/℃ | 62.22 |
冷凝温度tR3/℃ | 18.13 |
COP | 0.485 |
表6 正常负荷模式下AHT系统运行参数
Table 6 Operating parameters of AHT system under normal power mode
运行参数 | 计算值 |
---|---|
吸收器稀溶液温度tR4/℃ | 110.00 |
蒸发温度tR1/℃ | 71.31 |
发生器浓溶液温度tR7/℃ | 62.22 |
冷凝温度tR3/℃ | 18.13 |
COP | 0.485 |
换热设备 | 热负荷/kW |
---|---|
蒸发器 | 8.20 |
冷凝器 | 8.12 |
吸收器 | 7.66 |
发生器 | 7.58 |
溶液热交换器 | 2.17 |
循环水预热器 | 1.12 |
冷风机1 | 2.10 |
冷风机2 | 1.61 |
表7 主要换热器的热负荷
Table 7 Loads of main heat exchangers
换热设备 | 热负荷/kW |
---|---|
蒸发器 | 8.20 |
冷凝器 | 8.12 |
吸收器 | 7.66 |
发生器 | 7.58 |
溶液热交换器 | 2.17 |
循环水预热器 | 1.12 |
冷风机1 | 2.10 |
冷风机2 | 1.61 |
系统 | 换热设备 | 热负荷/kW | 总负荷/kW |
---|---|---|---|
热管理优化设计系统 | 冷风机1 | 2.10 | 11.83 |
冷凝器 | 8.12 | ||
冷风机2 | 1.61 | ||
热用户 | 8.31 | 8.31 | |
传统系统 | 气液分离器 | 16.58 | 20.35 |
碱液冷却器 | 3.77 |
表8 不同系统的热负荷对比
Table 8 Comparison of thermal loads of different systems
系统 | 换热设备 | 热负荷/kW | 总负荷/kW |
---|---|---|---|
热管理优化设计系统 | 冷风机1 | 2.10 | 11.83 |
冷凝器 | 8.12 | ||
冷风机2 | 1.61 | ||
热用户 | 8.31 | 8.31 | |
传统系统 | 气液分离器 | 16.58 | 20.35 |
碱液冷却器 | 3.77 |
设备 | 正常负荷/kW | 低负荷(tHr =70℃)/kW |
---|---|---|
电解槽 | 32.28 | 25.08 |
冷凝器 | 8.12 | 4.31 |
吸收器 | 7.66 | 4.10 |
冷风机1 | 2.10 | 1.40 |
冷风机2 | 1.61 | 0.85 |
热用户 | 8.31 | 4.17 |
回热换热器1 | — | 6.34 |
回热换热器2 | — | 3.17 |
表9 正常负荷与低负荷的热负荷对比
Table 9 Comparison of thermal loads between normal power and low power
设备 | 正常负荷/kW | 低负荷(tHr =70℃)/kW |
---|---|---|
电解槽 | 32.28 | 25.08 |
冷凝器 | 8.12 | 4.31 |
吸收器 | 7.66 | 4.10 |
冷风机1 | 2.10 | 1.40 |
冷风机2 | 1.61 | 0.85 |
热用户 | 8.31 | 4.17 |
回热换热器1 | — | 6.34 |
回热换热器2 | — | 3.17 |
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