1.本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种氢气纯化系统。
背景技术：2.目前，传统碱性电解水制氢主要用于大型火力发电机组，其特点为气量小(≤200nm3/h)、压力低(≤1.6mpa)，且连续稳定。电解槽制取氢气经纯化(脱氧、干燥)后用于发电机组的定子铁芯及端部结构件、转子绕组气隙的冷却(氢冷机组)。
3.传统氢气纯化系统中，脱氧组件采用升温式脱氧流程，脱氧塔内置电加热器，将气体预热至催化剂活性温度，电耗高且脱氧后气体冷却负荷较大；干燥组件采用tsa(变温吸附)/tpsa(变温变压吸附)两种模式，两塔流程，以活性氧化铝或硅胶作吸附剂，采用产品气或内置氮气循环再生，各干燥塔均内置电加热器以提高再生气温度，干燥塔体积较大，其操作弹性一般为50～110％。
4.近年来，可再生能源(风电/光伏发电)耦合大规模制氢项目方兴未艾，但由于风/光资源的不连续性与不稳定性，其发电负荷变动较大。由于受单套碱性电解槽制氢能力的限制(≤1000nm3/h)，制氢装置一般为多套电解槽并联操作，当发电负荷波动时，可通过启停相应数量的电解槽进行匹配。但后端“多并一”氢气纯化系统(即多套电解槽，1套纯化系统，通常为4并1或6并1)却无法适应前端制氢装置的高操作弹性(20％～110％)，传统氢气纯化系统不再适应可再生能源(风电/光伏发电)多场景条件下(风/光资源充足或匮乏)大规模电解水制氢的高操作弹性。
技术实现要素：5.本发明解决的技术问题是提供一种氢气纯化系统，其能够匹配前端大规模制氢装置的高操作弹性(20～110％)和高处理量(≥6000nm3/h)，且工程造价低、占地小。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：氢气纯化系统包括换热式脱氧组件和tsa干燥组件；换热式脱氧组件包括进出口换热器、开工电炉、脱氧塔、脱氧冷却器和脱氧气液分离器，进出口换热器、开工电炉、脱氧塔依次首尾连通组成循环回路，进出口换热器、脱氧冷却器和脱氧气液分离器和tsa干燥组件依次连通；tsa干燥组件配置4台氢气干燥塔，通过控制系统在四塔流程及三塔流程间切换。
7.在可选的实施方式中，氢气干燥塔包括第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔和第四氢气干燥塔；
8.tsa干燥组件还包括再生气加热器、再生气冷却器和干燥气液分离器；
9.脱氧气液分离器输出的再生气通过第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门分别连通到第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的入口；
10.第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的入口分别通过第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门连通到再生气冷却器；
11.脱氧气液分离器输出的湿氢气通过第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门
分别连通到第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的入口；
12.再生气冷却器通过干燥气液分离器连通到第九阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门；
13.再生气加热器的出口通过第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门、第十六阀门分别连通到第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的出口；
14.第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的出口分别通过第十七阀门、第十八阀门、第十九阀门、第二十阀门连通到再生气加热器的入口；
15.第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔、第四氢气干燥塔的出口分别通过第二十一阀门、第二十二阀门、第二十三阀门、第二十四阀门连通到下游装置。
16.在可选的实施方式中，换热式脱氧组件的工作流程为：
17.来自前端多并一的碱性电解槽阴极所产生的氢气，经自带气液分离模块降温、洗涤、气液而分离后，进入换热式脱氧组件；
18.湿氢气先经进出口换热器，以脱氧氢气为热源，预热至催化剂活性温度后，进入脱氧塔，脱氧后氢气温度升高，依次经进出口换热器、脱氧冷却器降温后，进入脱氧气液分离器脱除游离水。
19.在可选的实施方式中，tsa干燥组件的工作流程为：
20.脱氧氢气进入tsa干燥组件，进行吸附干燥过程，干燥后的氢气作为产品气输送至界外；
21.吸附饱和后的氢气干燥塔进入再生循环，以部分脱氧氢气作再生气，经再生气加热器升温后自下而上进入氢气干燥塔，进行吸附剂再生过程，氢气干燥塔顶出来的再生气经过再生气冷却器冷却、干燥气液分离器分离出凝液后，返回进口脱氧氢气中。
22.在可选的实施方式中，换热式脱氧组件采用换热式流程，以脱氧后150～200℃的氢气经进出口换热器将湿氢气预热至100～150℃的催化剂活性温度，在换热式脱氧组件开车时，使用开工电炉将湿氢气预热至催化剂活性温度；
23.换热式脱氧组件还采用绝热脱氧流程，脱氧塔使用贵金属催化剂，绝热条件下将湿氢气中所含氧转化为水，脱氧后湿氢气中氧含量降至1ppm，温升0～50℃。
24.在可选的实施方式中，进出口换热器为管壳式换热器，其中，脱氧氢气走管程，湿氢气走壳程；
25.脱氧冷却器以循环水为冷媒，循环水在上水时为32℃，回水时为38℃。
26.在可选的实施方式中，tsa干燥组件采用进口脱氧氢气作为再生气，再生气比例15％～20％，再生后含湿氢气经冷却、分液后与进口脱氧氢气混合。
27.在可选的实施方式中，氢气干燥塔采用5a或13x的分子筛为吸附剂，吸附剂的再生温度为250～300℃。
28.在可选的实施方式中，第一氢气干燥塔、第二氢气干燥塔、第三氢气干燥塔和第四氢气干燥塔采用顺控逻辑，各塔依次经历吸附、再生、冷却三个阶段，通过各塔进出口程控阀按操作时序进行切换。
29.在可选的实施方式中，当发电量为50～110％时，通过控制系统采用四塔流程，即2塔干燥、1塔再生、1塔冷却；当发电量降低至50％以下时，通过控制系统从tsa干燥组件中切除1个干燥塔，变为三塔流程，即采用1塔干燥、1塔再生、1塔冷却。
30.本发明实施例提供的氢气纯化系统的有益效果包括：
31.1)脱氧组件采用换热式流程，通过增设进出口换热器回收脱氧后热气体余热，可大幅降低传统纯化系统脱氧组件电耗，并可降低脱氧氢气冷却负荷；
32.2)tsa干燥组件采用tsa流程，配置4台氢气干燥塔，通过控制系统在四塔流程(2塔干燥、1塔再生、1塔冷却)及三塔流程间(1塔干燥、1塔再生、1塔冷却)切换，以匹配可再生能源多场景条件下大规模电解水制氢的高操作弹性(20％～110％)。
附图说明
33.图1为本发明实施例提供的氢气纯化系统的组成示意图；
34.图2～图5为风光资源较为充足(发电量为50～110％)，四塔流程时各氢气干燥塔的状态；
35.图6～图8为风光资源匮乏(发电量为20～50％)，三塔流程时各氢气干燥塔的状态；
36.图中标记为：100-氢气纯化系统；1-第一阀门；2-第二阀门；3-第三阀门；4-第四阀门；5-第五阀门；6-第六阀门；7-第七阀门；8-第八阀门；9-第九阀门；10-第十阀门；11-第十一阀门；12-第十二阀门；13-第十三阀门；14-第十四阀门；15-第十五阀门；16-第十六阀门；17-第十七阀门；18-第十八阀门；19-第十九阀门；20-第二十阀门；21-第二十一阀门；22-第二十二阀门；23-第二十三阀门；24-第二十四阀门；25-流量调节阀；101-进出口换热器；102-开工电炉；103-脱氧塔；104-脱氧冷却器；105-脱氧气液分离器；201a-第一氢气干燥塔；201b-第二氢气干燥塔；201c-第三氢气干燥塔；201d-第四氢气干燥塔；202-再生气加热器；203-再生气冷却器；204-干燥气液分离器。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
38.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
39.请参考图1，本实施例提供了一种氢气纯化系统100，可应用于可再生能源(风电/光伏发电)多场景条件下(风/光资源充足或匮乏)大规模电解水制氢装置。
40.氢气纯化系统100包括换热式脱氧组件和tsa干燥组件。其中，tsa干燥组件为变温吸附干燥组件。吸附剂在常温或低温下吸附希望被吸附的物质，通过提高温度使被吸附物质从吸附剂解吸出来，吸附剂自己则同时被再生，然后再降温到吸附温度，进入下一个吸附循环。
41.其中，换热式脱氧组件包括进出口换热器101、开工电炉102、脱氧塔103、脱氧冷却
冷却)，任意时刻，纯化系统均有2塔干燥、1塔再生、1塔冷却，其中，处于吸附的2塔中，1塔比另1塔领先半个吸附周期。
55.图6～图8为风光资源匮乏(发电量为20～50％)，三塔流程时(实施例为从系统中切除201d，实际上可任意切除201a～201d中的一台)各氢气干燥塔的状态，如下表所示。
[0056][0057][0058]
由上表可知，各氢气干燥塔均经历以下的完整干燥周期(吸附-再生-冷却)，任意时刻，纯化系统均有1塔干燥、1塔再生、1塔冷却。
[0059]
实施例1
[0060]
请参阅图2～图5，风光资源充足(发电量为100～110％)时，来自前端6并1的碱性电解槽阴极所产湿氢(公称负荷6000nm3/h，最大负荷6600nm3/h)，经碱槽自带气液分离模块降温、洗涤、气液分离后，进入氢气纯化系统100的换热式脱氧组件：先经进出口换热器101(管壳式换热器：湿氢走壳程，脱氧湿氢走管程)预热至100℃后(换热式脱氧组件开车时采用开工电炉102直接升温)，进入脱氧塔103，在钯催化剂作用下，氢气中微量氧(0.3％，体积百分数)转化为水，脱氧后氢气(氧含量≤1ppm)升温至150℃，经进出口换热器101回收余热、脱氧冷却器104降温至35℃后，进入脱氧气液分离器105脱除游离水后进入tsa干燥组件，进行吸附干燥过程。干燥后的氢气作为产品气输送至界外。
[0061]
吸附饱和后的氢气干燥塔进入再生循环，通过流量调节阀25分出15％湿氢作再生气。再生气经再生气加热器202升温至260℃后自下而上进入氢气干燥塔，进行吸附剂再生过程。氢气干燥塔顶出来的再生气经过再生气冷却器203冷却至35℃、干燥气液分离器204分离出凝液后，返回进口脱氧氢气中。
[0062]
tsa干燥组件通过控制系统保持四塔流程，即2塔干燥(单塔处理气量3000～3300nm3/h，即100～110％负荷)、1塔再生、1塔冷却。
[0063]
tsa干燥组件中氢气干燥塔采用顺控逻辑，各塔依次经历吸附、再生、冷却三个阶段，且相隔一个固定的时间差(吸附/再生/冷却周期)，通过各塔进出口程控阀按操作时序进行切换。
[0064]
实施例2
[0065]
请参阅图6～图8，风光资源匮乏(发电量为20％～50％)时，来自前端6并1的碱性电解槽(最多开3台，最少时开2台，其中1台还非满负荷)阴极所产湿氢(1200～3000nm3/h)，经碱槽自带气液分离模块降温、洗涤、气液分离后，进入氢气纯化系统100的换热式脱氧组件：先经进出口换热器101(当气量较小时，开启开工电炉102辅助升温)预热至100℃后，进入脱氧塔103，在钯催化剂作用下，氢气中微量氧(0.3％，体积百分数)转化为水，脱氧后氢气(氧含量≤1ppm)升温至150℃，经进出口换热器101回收余热、脱氧冷却器104降温至35℃
后，进入脱氧气液分离器105脱除游离水后进入tsa干燥组件，进行吸附干燥过程。干燥后的氢气作为产品气输送至界外。
[0066]
吸附饱和后的氢气干燥塔进入再生循环，通过流量调节阀25分出20％湿氢(干燥气量减小，则再生气量增大)作再生气。再生气经再生气加热器202升温至260℃后自下而上进入氢气干燥塔，进行吸附剂再生过程。氢气干燥塔顶出来的再生气经过再生气冷却器203冷却至35℃、干燥气液分离器204分离出凝液后，返回进口脱氧氢气中。
[0067]
tsa干燥组件通过控制系统切换为三塔流程(通过关闭201a/b/c/d中任一塔所有进出口管线阀门而从系统中切除)，即1塔干燥(单塔处理气量1200～3000nm3/h，即40～100％负荷)、1塔再生、1塔冷却。
[0068]
本实施例提供的可再生能源(风电/光伏发电)多场景条件下(风/光资源充足或匮乏)大规模电解水制氢装置的氢气纯化系统100的有益效果包括：
[0069]
1)脱氧组件采用换热式流程，通过增设进出口换热器101回收脱氧后热气体余热，可大幅降低传统纯化系统脱氧组件电耗，并可降低脱氧氢气冷却负荷；
[0070]
2)干燥组件采用tsa流程，配置4台氢气干燥塔，通过控制系统在四塔流程(2塔干燥、1塔再生、1塔冷却)及三塔流程间(1塔干燥、1塔再生、1塔冷却)切换，以匹配可再生能源多场景条件下大规模电解水制氢的高操作弹性(20％～110％)；
[0071]
3)tsa干燥组件采用脱氧氢气作再生气，仅设1台外置式再生气加热器202，各氢气干燥塔内不单设电加热器，降低干燥组件的工程造价及占地面积。
[0072]
以上，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。