基于海上风电制氢的综合能源系统的制作方法

本发明涉及海上风电储能，尤其是涉及基于海上风电制氢的综合能源系统。

背景技术：

1、大规模海上风能开发是未来风电发展的重要方向。然而，电能输送与大容量海上风电并网成为制约海上风电快速发展的主要瓶颈问题。氢能是一种重要的储能介质，能量密度高，无污染，可实现大规模、跨季节、跨时段、跨地域的储能，可成为促进可再生能源消纳的有效方式。全球海上风电资源丰富，海上风电制氢是一种极其适合大规模部署的未来氢源解决方案，因此探索海上风电融合氢能的发展模式意义重大。基于耦合海上风电和氢能的发展理念，以改善风电“上网难”和“弃风”的现象，提出基于海上风电在海上大规模集中制绿氢方案。

2、目前，氢能代替风电进行远海能量输送的原理主要是通过电解制氢技术，将电能就地转化为氢能，氢气的运输主要有高压气态氢运输、低温液态氢运输和经过输氢管道运输这三种模式。

3、高压气态氢运输主要由海上交通工具运输至陆地。此方式是现在发展最成熟、应用最多的储氢输氢技术，其操作难度小、能耗少、成本低，匹配氢能发展现状。但是此种方式的缺点是单位体积容量低，储氢量少，即使使用钛瓶，氢气重量仅占总重的5％左右。另外，高压气态输氢技术的安全性较差，需要保证储氢罐的密闭性。

4、低温液态输氢技术是将氢气深冷到-253.0℃，存储在特制的高真空绝热容器中，由海上交通工具运输到使用地区。在常温、常压下，此方式的氢能密度为气态氢气的近千倍，体积容量比高压气态输氢方式高好几倍，但该方式存储温度与自然温度相差巨大，需要配备极好的绝热储氢罐进行隔热，同时在运输过程中易发生热泄漏、自然挥发、耗能大等问题。低温液态输氢方式在国外应用较多，在国内仅在航天领域应用。相比较传统的电能传输方式，相对于海上输电，管道输氢极大地降低了施工难度和建设成本，且在管道建成正常输送后，能大大降低远距离输电带来的能耗。

5、输氢管道是氢气进行大规模、长距离输送的理想选择。但是长距离的输氢管道也存在损坏风险，一旦出现漏气或者直接管道破损的情况，如果不及时处理会导致大量的氢气泄漏，不仅危险，还对环境造成破坏，由于输送管道长，即便及时地关闭主阀门，管道中的高压氢气的保有量依然很大，依然会有较大的泄漏量，基于此，设计一种安全可靠，且在出现紧急情况能自动进行避险处置的氢气储能能源输送系统是海上风电领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决海上风电项目的储能和能源输送安全问题，本发明提供基于海上风电制氢的综合能源系统。采用如下的技术方案：

2、基于海上风电制氢的综合能源系统，包括一组海上风电发电机组、并网母线模块、电解水制氢平台、氢储运模块和陆地储氢罐；

3、一组海上风电发电机组和电解水制氢平台分别设置在海上平台上，一组海上风电发电机组通过并网母线模块为电解水制氢平台提供电能，所述氢储运模块的进气口与电解水制氢平台的氢气出口连通，出气口与陆地储氢罐的入口连通；

4、所述氢储运模块包括主汇集管道、主阀门、加压缓冲罐、一组中继自动阀门组件和一组中继氢气输送管道，所述主汇集管道的进气端通过主阀门与电解水制氢平台的氢气出口连通，所述加压缓冲罐的进气口与主汇集管道的出气端连通，一组中继氢气输送管道首尾相连的方式连通在加压缓冲罐的高压氢气出气口处，且每相隔1-3km的位置设置一个中继自动阀门组件，所述中继自动阀门组件监测氢气压力，当氢气压力出现压力突降时，中继自动阀门组件执行关阀动作，压力突降是指实测氢气压力在一分钟的时间内下降设定百分比阈值。

5、通过采用上述技术方案，一组海上风电发电机组是海上风电系统的能量来源，一组海上风电发电机组发出的风电经过并网母线模块汇流变压稳压后，为电解水制氢平台提供电能，而电解水制氢平台制得大量氢气，氢气经过一系列的管道运输到陆地储氢罐，就完成了能量的输送和存储。

6、区别于传统的风力发电直接采用并网的模式进行电能的输送，是因为海上的输电线的架设或者海底电缆的铺设和维护成本都非常高，且电能在远距离的输送过程中的电损也很大，海上的不确定性导致高压输电也存在很大的安全隐患。

7、为了避免氢气输送过程中的泄露甚至是管道损坏的情况，因为处置不及时导致的大量氢气泄漏问题，增加多个中继自动阀门组件来进行中继自动关阀动作，通常在1-3km的间隔设置一个中继自动阀门组件，优选2km的间隔，当出现管道泄漏或者管道损坏的情况时，故障点附近的管道内的氢气压力必然会在短暂的时间内出现一个降压的现象，降压的快慢与多个因素有关，如中继自动阀门组件与故障点的间距、管道氢气泄漏量的大小等，可以根据实际的管道输送参数和中继自动阀门组件的间隔距离，参考输氢系统的标准输送压力等综合数据设定一个一分钟的时间内下降设定百分比阈值，当某处的中继自动阀门组件监测到上述触发条件，可以自动完成关阀动作，能够监测到故障点导致触发条件的，肯定是位于故障点两侧的中继自动阀门组件，由于关阀时间及时，故障点两端的中继自动阀门组件及时进行关阀动作，就能极大地减少氢气的泄露，能够泄露的管道内残余氢气的量也很少，泄露的最大值为2km左右管道内的残余氢气，工作人员可以随后关闭主阀门，待工作人员进行紧急检修后，可以恢复主阀门和中继自动阀门组件，即可继续进行输送氢气，有效降低了海上风电项目通过制氢进行储能的方式在输氢管道出现故障时大规模氢气泄漏的风险。

8、可选的，所述氢储运模块还包括阀门主控模块，所述阀门主控模块35通过通信线路分别与一组中继自动阀门组件通信连接，同时控制一组中继自动阀门组件执行关阀动作。

9、通过采用上述技术方案，还可以设置阀门主控模块，阀门主控模块可以是基于单片机的电控模块，当出现有中继自动阀门组件执行关阀动作时，可以控制所有的中继自动阀门组件同时执行关阀动作，这样就将各段中继氢气输送管道进行隔离封闭，有效降低了输氢管道出现故障时的大规模氢气泄露风险。

10、可选的，中继自动阀门组件包括海水屏蔽罩、电控阀门和氢气压力监测模块、基于单片机的阀门控制电路板和电池组，所述海水屏蔽罩设置在相邻两个中继氢气输送管道的对接处，所述电控阀门的进出口分别与相邻两个中继氢气输送管道密封对接，所述氢气压力监测模块监测电控阀门内氢气压力，并与阀门控制电路板通信电连接，所述阀门控制电路板与电控阀门控制电连接，当判断氢气压力监测模块监测的氢气压力出现压力突降时，阀门控制电路板控制电控阀门执行关阀动作，所述电池组为中继自动阀门组件各电器件供电。

11、通过采用上述技术方案，由于中继氢气输送管道为了尽可能地避免外界影响，通常会铺设在海底，这样海水屏蔽罩的设置就能有效地避免海水对各个电器件的影响，压力监测模块可以实时监测电控阀门内氢气的压力，这个压力应当与中继氢气输送管道中的氢气压力基本一致，当中继氢气输送管道内的氢气出现泄漏时，其压力变化也很快会影响到电控阀门内氢气的压力，当阀门控制电路板的单片机接收到的压力监测模块的压力值出现设定压力突降阈值时，就控制电控阀门执行关阀动作，实现自动化的条件判定和自动化的关阀。

12、可选的，所述氢气压力监测模块是至少两个气体压力传感器，两个气体压力传感器分别通过模拟量输入模块与阀门控制电路板通信连接，阀门控制电路板求取所有气体压力传感器测得压力值的平均值作为是否出现压力突降的数据依据。

13、通过采用上述技术方案，可以设置多个气体压力传感器来实现氢气压力平均值的测量，能够使氢气压力值的获取更加稳定，虽然气体压力传感器一般使用寿命较长，且比较稳定，但是为了以防万一，实际工作中，阀门控制电路板还可以设置当某个测定压力值发生短时间突变，这个短时间突变可以理解为在1秒时间内发生超过20％的变化，可以将该气体压力传感器测得的压力值进行屏蔽，可以避免气体压力传感器出现故障导致的异常关阀动作。

14、可选的，阀门控制电路板的主控单片机是mcs-51单片机。

15、通过采用上述技术方案，mcs-51单片机的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作，包括数据运算、逻辑运算等，控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。

16、可选的，任意中继自动阀门组件的阀门控制电路板判断实测氢气压力在一分钟的时间内下降超过标准输送压力的2％时，阀门控制电路板控制电控阀门执行关阀动作。

17、通过采用上述技术方案，将一分钟的时间内下降设定百分比阈值设为2％，因为即便是设置了多组中继自动阀门组件将中继氢气输送管道分割成了多段，但是每段依然长达1-3km，当出现泄露等故障时，反映到中继自动阀门组件处时，其氢气压力的下降也会是个相对缓慢的过程，2％的分钟压力下降值就能够认定是出现了压力突降。

18、可选的，氢储运模块还包括高压储能模块，所述主阀门设有至少两个出气阀口，所述高压储能模块的进气口与主阀门的其中一个出气阀口连通，当主阀门关闭与主汇集管道连通的出气阀口后，开通与高压储能模块连通的出气阀口。

19、可选的，所述高压储能模块包括氢气增压机、高压输送管道、至少一个高压氢气储罐和与高压氢气储罐数量匹配的进气阀门，所述氢气增压机设置在海上平台上，氢气增压机的进气口与主阀门的其中一个出气阀口连通，所述高压氢气储罐的进气口通过进气阀门和高压输送管道与氢气增压机的高压出气口连通。

20、可选的，并网母线模块为氢气增压机供电。

21、通过采用上述技术方案，当出现中继氢气输送管道泄漏或故障导致的自动阀门组件关阀时，而一组海上风电发电机组的风力发电还在继续，电解水制氢平台还在继续制氢气，如果关停将是大量的能量损失。

22、可以设置高压储能模块，主阀门可以是多阀口的阀门，当中继氢气输送管道出现故障时，将与中继氢气输送管道连通的阀口关闭，同时打开高压储能模块连通的阀口，电解水制氢平台制得的氢气可以临时性的通过氢气增压机加压后通过高压输送管道输送到高压氢气储罐中存储，当故障修复后，高压氢气储罐中的高压氢气可以继续通过主阀门和中继氢气输送管道继续输送，避免了中继氢气输送管道故障进行检修时导致的电能浪费。

23、可选的，所述海上平台是固定式海上平台。

24、通过采用上述技术方案，固定式海上平台能提供更加稳定的平台，能适应更大规模的海上风电项目，且能够适配硬质管道的铺设。

25、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

26、本发明提供基于海上风电制氢的综合能源系统，将输氢管道按照设定长度打断，并在打断处增加多个中继自动阀门组件，当出现管道泄漏或者管道损坏的情况时，根据实际的管道输送参数和中继自动阀门组件的间隔距离，以及输氢系统的标准输送压力等综合设定一个一分钟的时间内下降设定百分比阈值，当某处的中继自动阀门组件监测到上述触发条件，可以自动完成关阀动作，由于关阀时间及时，故障点两端的中继自动阀门组件及时进行关阀动作，就能极大地减少氢气的泄露，有效降低了海上风电项目在输氢管道出现故障时的大规模氢气泄漏的风险。