一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统的制作方法

1.本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统。


背景技术：

2.兆瓦级氢储能电站是一种能将富裕电量或者可再生能源电量转化为氢气存储，在用电匮乏时，再将氢气发电，并入网上的一体化储能电站。兆瓦级氢储能电站的核心功能设备为pem电解槽，氢气储罐，氢燃料电池，氢燃料电池是电解制氢反应发生的场所，氢气储罐主要起储氢功能，pem电解槽主要是电转化为氢的场所。电站系统安全运行主要状态与温度、流量、压力相关，其各个参数都有一定可行运行范围区间。兆瓦级氢储能电站主要能量存储介质为氢气，而氢气属于危险化学品，国家对氢气的生产，存储和使用过程有着严格的规定。氢气由于分子尺寸小，易渗漏，可燃且易爆，在生产使用过程中存在机械、电气、化学等安全风险，因此对于氢储能电站中的制定相应的安全系统是十分必要的。近年来，随着国家政策对清洁能源的大力支持，可再生能源电站的建设也越渐加快，对包括氢储能电站的新能源电站的安全性提出了更高的要求。
3.兆瓦级制氢发电的储能电站在国内工程建设领域尚属空白，因此对于一个同时包含电解槽和氢燃料电池的储能电站，如何建立一套能够控制保护的安全系统，协调整站(电站)的安全运行，是工程领域的研发重点。
4.因此，需要设计一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统，以解决上述存在的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统，所述安全系统包括：
6.监控设备，用于检测电站中各装置运行状态的原始信号，并将原始信号转换为模拟信号；
7.处理设备，用于将模拟信号转换为数字信号；
8.主控柜，用于根据数字信号，判断是否有装置需要进行安全警报处理。
9.进一步地，所述监控设备包括危险气体报警器、液位传感器、电压电流传感器、多个压力表以及多个温度计。
10.进一步地，所述危险气体报警器位于电站的制氢车间内的危险气体泄露易聚集点。
11.进一步地，所述液位传感器有两个，两个所述液位传感器分别位于氢气分离塔内以及氧气分离塔内。
12.进一步地，所述电压电流传感器位于电源设备处。
13.进一步地，多个所述压力表包括氧侧压力表、氢侧压力表、冷却循环水系统压力表、氮气吹扫系统压力表、氢气压缩机压力表、氢分离器压力表、氧分离器压力表、氧气排空
管压力表以及氢气储罐压力表。
14.进一步地，
15.所述氧侧压力表位于电解槽氧气出口处；
16.所述氢侧压力表位于位于制氢系统氢综合塔内部；
17.所述冷却循环水系统压力表位于位于冷冻水机出口；
18.所述氮气吹扫系统压力表位于氮气吹扫设备出口管道；
19.所述氢气压缩机压力表位于氢气压缩机出口管道；
20.所述氢分离器压力表位于氢分离器内；
21.所述氧分离器压力表位于氧分离器内；
22.所述氧气排空管压力表位于氧气排空管内；
23.所述氢气储罐压力表位于氢气储罐内。
24.进一步地，多个所述温度计包括水电解制氢装置的氢侧温度计、氢气干燥系统温度计、水电解制氢装置的氧侧温度计、气水分离器温度计、脱氧器内氢气温度计、环境中温度计以及冷却循环水温度计。
25.进一步地，
26.水电解制氢装置的氢侧温度计：位电解槽氢气出口；
27.氢气干燥系统温度计：位氢气干燥设备内；
28.水电解制氢装置的氧侧温度计：位氢气干燥设备内；
29.气水分离器温度计：位气水分离器内；
30.脱氧器内氢气温度计：位于制氢系统脱氧器内；
31.环境中温度计：位于制氢车间；
32.冷却循环水温度计：位于制氢系统冷冻水机出口。
33.进一步地，所述安全警报处理包括有报警以及停机。
34.本发明的有益效果在于：
35.本发明提供的一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统，能够监控电解槽，储氢罐等主要装置的运行情况，保障整站(电站)的安全运行；本发明的安全系统能够对电站的部分装置进行调节，减少人工干涉力度，降低故障率。
36.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1示出了根据本发明实施例的电站中各装置的结构示意图。
具体实施方式
39.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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.对于安全系统，其重点在于：
41.(1)电解槽，燃料电池、氢气储罐，氢气管道等涉氢设备在运行过程中，每一个参数都需要设定一个阈值，使系统在安全稳定范围内运行；
42.(2)兆瓦级氢储电站随着电站容量(制氢的功率和发电的功率，本站制氢功率1兆瓦，发电功率1.2兆瓦)的不同，安全系统参数阈值的设定也不相同；
43.(3)将不同参数的阈值设定不同的警报等级，是安全系统能够在低报警范围内自调，减少人工干涉的力度，保障系统能够自发的稳定运行。
44.本发明提供了一种基于兆瓦级氢储能电站安全系统，所述安全系统包括：
45.监控设备，用于检测电站中各装置运行状态的原始信号，并将原始信号转换为模拟信号；
46.处理设备，用于将模拟信号转换为数字信号；
47.主控柜，用于根据数字信号，判断是否有装置需要进行安全警报处理。
48.下面进行一个详细的说明。
49.如图1所示的，在本实施例中，电站各个装置(各个装置的连接是可以通过管路进行的)包括：
50.原料水箱、冷却器、过滤器、电解槽、氧分离器、氧综合塔、第一气体冷却器、第一气水分离器、氢分离器、氢综合塔、第二气体冷却器、第二气水分离器、脱氧器、冷却冷凝器、干燥器、中压缓冲罐、压缩机以及高压缓冲罐，其中，
51.在通水至原料水箱后，水可通过冷却器进行冷却，然后通过过滤器过滤出水中的杂质，再输入至电解槽中；
52.至于电解槽的工作过程如下：
53.将220v电源输入至变压器进行电压转换，然后再通过ac/dc转换器进行交直流变换后输入至电解槽，从而对输入至电解槽中的水进行电解，从而产生氢气和氧气。
54.通过电解槽电解产生的氧气先依次通过氧分离器(由于氢气不能与氧气混合排空，有爆炸风险，因此，氧分离器用于分离出氧气中残余的氢气，将两者分割，残余的氢气单独排空)、氧综合塔(氧综合塔是电解槽产出的氧气所经历的第一道工序(即纯化氧气)，氧综合塔是一个竖起来的罐子，下半部分是原料水，上半部分是产出的氧气)，然后通过第一气体冷却器进行冷却，冷却后的氧气通过第一气水分离器进行气水分离(即将氧气中混合的水分离)，再排出(排空)；
55.通过电解槽电解产生的氢气先依次通过氢分离器(氢分离器用于分离氢气中残余的氧气)、氢综合塔(氢综合塔是电解槽产出的氢气所经历的第一道工序，即纯化氢气)，然后通过第二气体冷却器进行冷，冷却后的氢气通过第二气水分离器进行气水分离(即将氢气中混合的水分离)，再经过脱氧器进行脱氧，脱氧后的氢气，通过冷却冷凝器将气体状态的氢气变为液体状，液体状的氢气还会通过干燥器进行干燥，干燥后的液体氢气会通过中
压缓冲罐进行缓冲压力(干燥后的液体氢气无法直接压缩到20mpa，需要中压缓冲罐缓冲加压后再加压到20mpa)，通过中压缓冲缓冲压力后的氢气会经过压缩机进行压缩，然后再进入高压缓冲罐再(高压缓冲罐为一个20mpa储氢罐，用于存储氢气)，以便输入到燃料电池发电系统；其中，本实施例中，还可以采用将氮气瓶与氮气吹扫设备通过管道连接，然后将氮气吹扫设备通过管道接入本安全系统的一个管道或多个管道，在打开氮气吹扫设备的阀门后，氮气吹扫设备将高压氮气吹扫进入管道内，可将对应管道内的杂质和其他气体吹走，使对应管道内只剩下氮气，起到保护对应装置的作用。
56.对于监控设备，监控设备包括如下表一中各个设备。
57.表一
58.[0059][0060]
监控设备连接说明：
[0061]
本安全系统涉及到了20种监控设备，其在安全系统中的连接方式如下：
[0062]
1、氧侧压力表：位于电解槽的左侧，用于将电解槽氧气出口处的压力信号转换为
模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0063]
2、氢侧压力表：位于电解槽的右侧，用于将解槽氢气出口处的压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0064]
3、冷却循环水系统压力表：位于冷冻水机出口，用于将冷却循环水压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0065]
4、氮气吹扫系统压力表：位于氮气吹扫设备出口管道，用于将氮气管道压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0066]
5、氢气压缩机压力表：位于氢气压缩机出口管道，用于将氢气压缩机出口管道压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0067]
6、氢分离器压力表：位于氢分离器内，用于将氢分离器内部压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0068]
7、氧分离器压力表:位于氧分离器内，用于将氧分离器内部压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0069]
8、氧气排空管压力表：位于氧气排空管内，用于将氧气排空管出口压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0070]
9、氢气储罐压力表：位于氢气储罐内，用于将氢气储罐内部压力信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0071]
10、水电解制氢装置的氢侧温度计：位电解槽氢气出口，用于将氢气氢气温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0072]
11、氢气干燥系统温度计：位于氢气干燥设备内，用于将氢气温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0073]
12、水电解制氢装置的氧侧温度计：位于氢气干燥设备内，用于将氢气温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0074]
13、气水分离器温度计：位于气水分离器内，用于将温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0075]
14、脱氧器内氢气温度计：位于制氢系统脱氧器内，用于将温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显
示。
[0076]
15、环境中温度计：位于制氢车间，用于将温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0077]
16、冷却循环水温度计：位于制氢系统冷冻水机出口，用于将温度信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0078]
17、危险气体报警器：位于制氢车间危险气体泄露易聚集点，用于将报警信号直接传入主控室报警，同时连接消防系统。
[0079]
18、水电解制氢装置的氢侧液位：位于制氢系统氢气分离塔内，用于将液位信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0080]
19、水电解制氢装置的氧侧液位：位于制氢系统氧气分离塔内，用于将液位信号转换为模拟信号，并传输至模数转换器，由模数转换器转换为数字信号传送至主控柜中，于控制界面显示。
[0081]
20、电压、电流互感器：位于电源设备(22v电源)处，控制信号(电压、电流信号)直接于主控界面显示。电压、电流互感器均用于对电解槽的电压、电流信号进行监测。
[0082]
表一中，各个设备的形成的安全联锁逻辑如下：
[0083]
1、当氧侧压力表高于阈值(是否高于阈值，是氧侧压力表检测到的压力数值经过主柜进行判断，若高于，则再通过控制界面显示报警)，控制界面显示报警，扩大氧侧排出阀门。再次检测，如果氧侧压力表低于阈值时，记录过程，对设备进行调试；如果氧侧压力表依然于阈值时，启动停机程序(本实施例所指出的停机，均指整个安全系统进行停机)。
[0084]
2、当氢侧压力表高于阈值时，控制界面显示报警，增加氢气压缩机功率。再次检测氢侧压力表，如果低于阈值时，记录过程，对设备进行调试；如果依然高于阈值，启动停机程序。
[0085]
3、当冷却循环水系统压力表高于阈值，控制界面显示报警，停机，检查管路。
[0086]
4、氮气吹扫系统压力表高于阈值，控制界面显示报警，检查管路。
[0087]
5、氢气压缩机压力表高于阈值，控制界面显示报警，停机，检查管路。
[0088]
6、当氢、氧分离器压力表高于阈值，控制界面显示报警，停机，检查管路。
[0089]
7、当氧气排空管压力表高于阈值时，控制界面显示报警，扩大氧侧排出阀门。再次检测，如果氧气排空管压力表低于阈值时，记录过程，对设备进行调试；如果氧气排空管压力表依然于阈值时，启动停机程序。
[0090]
8、当水电解制氢装置的氢侧温度计高于阈值时，控制界面显示报警，加大冷水装置功率，降低原料水温，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0091]
9、当氢气干燥系统温度计高于阈值时，控制界面显示报警，增加气体冷却器功率，降低气体温度，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0092]
10、当水电解制氢装置的氧侧温度计温度高于阈值时，控制界面显示报警，加大冷水装置功率，降低原料水温，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如
果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0093]
11、当气水分离器温度计高于阈值时，控制界面显示报警，增加气体冷却器功率，降低气体温度，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0094]
12、当脱氧器内氢气温度计高于阈值时，控制界面显示报警，增加气体冷却器功率，降低气体温度，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0095]
13、当制氢车间环境中温度计高于阈值时，控制界面显示报警，启动联锁强排风机和排气装置，启动停机程序。
[0096]
14、当冷却循环水温度计高于阈值时，控制界面显示报警，加大冷水装置功率，降低原料水温，再次检查温度计，如果温度低于阈值，记录过程，进行调试，如果温度依然高于阈值，启动停机程序。
[0097]
15、当危险气体报警器发出警报时，控制界面显示报警，消防系统联锁启动，制氢系统停机，所有气路阀门关闭，所有人员疏散。
[0098]
16、当水电解制氢装置的氢、氧侧液位差超过阈值时，控制界面显示报警，启动停机程序。
[0099]
17、当电压互感器测量值(电压)和电流互感器测量值(电流)超过阈值时，控制界面显示报警，启动停机程序。
[0100]
本发明的安全系统，能监控全站的气体泄漏，联锁消防系统，在发生险情时，自动启动消防设施。
[0101]
本发明的安全系统，考虑了如下两方面：
[0102]
(1)从电站的安全保护范围来说：
[0103]
该安全系统保护范围包括了电站的主要设备，涉及到了对安全系统运行的各项参数监控，包括水温、流量(流量可通过压力变化进行计算)、压力、电压、电流、空气危险气体比例(经过危险气体报警器分析到的)等。
[0104]
(2)从安全系统的保护动作来说：
[0105]
该安全系统应该与电站的消防和电力控制系统联锁，在发生险情时，可使电力控制系统自动切断电源，将主设备从电力系统上孤立；循环气路系统阀门闭锁，将危险气体进行封锁；强排风机启动，排出室内泄露的危险气体。
[0106]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。