3MW 堿性電解制氫系統(tǒng)循環(huán)質(zhì)量平衡試驗(yàn)研究（基于水平氣-液分離器出口實(shí)測數(shù)據(jù)）

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，大規(guī)模綠氫制備技術(shù)亟需驗(yàn)證其長期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可靠性。下文依托國內(nèi)首套 3 MW 級堿性電解水制氫示范裝置，在 100 % 循環(huán)泵功率、穩(wěn)態(tài)產(chǎn)氫工況下，以水平氣-液分離器出口質(zhì)量流量為基準(zhǔn)，首次系統(tǒng)對比了陰極/陽極循環(huán)回路電解液流量的仿真值與實(shí)測值，為后續(xù)變負(fù)荷運(yùn)行及系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

一、試驗(yàn)條件

系統(tǒng)規(guī)模：3 MW 堿性電解槽，產(chǎn)氫量 ≈ 650 Nm3/h。

運(yùn)行工況：直流電流 0–9 kA，穩(wěn)態(tài)時設(shè)定 100 % 循環(huán)泵額定功率。

初始參數(shù)：啟動前一次性注入除鹽水 71.7 m3/h，該流量既滿足電解槽啟動液位，也貼近輔助系統(tǒng)充滿后的實(shí)際補(bǔ)水平衡值。

測量方案：在陰極/陽極循環(huán)泵出口分別安裝科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，采樣頻率 1 Hz，數(shù)據(jù)取 30 min 平均值。

二、質(zhì)量平衡模型

基本假設(shè)– 電解槽入口前陰、陽極電解液已充分混合，入口流量相等；

– 循環(huán)回路總質(zhì)量變化僅受兩部分影響：

a) 水分解反應(yīng)消耗（法拉第定律）；

b) 氣-液分離器液位控制的間歇補(bǔ)水。

關(guān)鍵方程

– 反應(yīng)耗水量（式 7.29）

m?_H?O,react = I · M_H?O / (2F)

其中 I 為直流電流，F(xiàn) = 96 485 C/mol。

– 循環(huán)泵出口總質(zhì)量流量（式 7.12、7.28）

m?_pump = ρ · Q_pump ? m?_H?O,react + m?_make-up

其中 ρ 為堿液密度，Q_pump 為泵體積流量，m?_make-up 由分離器液位 PID 控制。

三、結(jié)果與討論

流量-電流特性

圖 7.9 顯示，當(dāng)直流電流從 0 A 升至 9 kA 時：

– 實(shí)測陰極出口流量由 9.3 kg/s 緩慢降至 9.1 kg/s；– 實(shí)測陽極出口流量與陰極基本重合，驗(yàn)證了“充分混合”假設(shè)；– 仿真曲線與實(shí)測值最大相對偏差 < 2 %，表明模型可準(zhǔn)確預(yù)測穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡。

泵功率與電源解耦現(xiàn)象

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 100 % 固定泵功率策略下，循環(huán)流量幾乎不隨直流電流變化（斜率 ≈ 0）。這是因?yàn)椋?/p>

– 泵出口已預(yù)先優(yōu)化為恒流量模式，確保極板間流速始終高于氣泡脫離臨界值，避免氣體累積；

– 系統(tǒng)通過分離器液位信號間歇補(bǔ)水，實(shí)時彌補(bǔ)反應(yīng)耗水，從而維持總量平衡。

該策略犧牲了部分電耗，但極大簡化了控制邏輯，適用于基礎(chǔ)負(fù)荷工況。

模型擴(kuò)展性

本文模型額外引入“電流-耗水”耦合項(xiàng)，雖然當(dāng)前泵功率恒定，但已將 m?_pump 寫成 I 的顯函數(shù)。后續(xù)僅需調(diào)整泵轉(zhuǎn)速曲線，即可無縫切換至“變流量”運(yùn)行，為可再生能源波動場景下的快速響應(yīng)奠定仿真基礎(chǔ)。

圖：3MW電解槽出口處的質(zhì)量流量，以及泵后陰極和陽極循環(huán)質(zhì)量流量的仿真和實(shí)測曲線

四、結(jié)論

(1) 在 3 MW 級堿性電解系統(tǒng)上，首次驗(yàn)證了水平氣-液分離器出口質(zhì)量流量作為基準(zhǔn)的循環(huán)質(zhì)量平衡方法，實(shí)測與仿真偏差 < 2 %。

(2) 100 % 恒定泵功率策略可確保寬電流范圍內(nèi)循環(huán)流量穩(wěn)定，控制簡單，適合基礎(chǔ)負(fù)荷制氫。

(3) 所建模型已嵌入電流-耗水耦合項(xiàng)，為未來變負(fù)荷、變流量及可再生能源直連場景提供了高保真度預(yù)測工具。