基于海上風(fēng)電的海上制氫平臺(tái)方案研究

劉 佳

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海)

引言

能源綠色低碳發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全面綠色轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的關(guān)鍵[1]。氫能作為一種來(lái)源廣泛、高能量密度的清潔能源，可以耦合電網(wǎng)、熱網(wǎng)和氣網(wǎng)的能源，是形成高效、安全、穩(wěn)定的多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的理想能源品類，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和的突破性解決方案[2]。

氫能作為一種重要的儲(chǔ)能介質(zhì)，能量密度高，無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、跨季節(jié)、跨時(shí)段、跨地域的儲(chǔ)能，將成為促進(jìn)可再生能源消納的有效方式。在能源轉(zhuǎn)型的背景下，可再生能源與氫能的融合正在成為趨勢(shì)[3]。

全球海上風(fēng)電資源豐富，海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，推動(dòng)了其與氫能的跨界合作。對(duì)于海上風(fēng)電而言，融合氫能可以提高新能源的消納能力，是海上風(fēng)電與其他行業(yè)的整合，也是除解決風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)之外的另一項(xiàng)重要探索[4]。

本研究基于耦合海上風(fēng)電和氫能的發(fā)展理念，提出海上風(fēng)電制綠氫方案。以海上制氫平臺(tái)為重點(diǎn)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容，探索海上風(fēng)電聯(lián)合海上制氫平臺(tái)的融合發(fā)展模式。

1 海上制氫模式

如圖1 所示，海上制氫模式是將海上風(fēng)機(jī)發(fā)的電力，通過(guò)集電線路傳送至海上制氫平臺(tái)，在制氫平臺(tái)將水電解后利用管道或儲(chǔ)氫瓶形式將氫氣輸送至陸地[5]。

圖1 海上制氫模式示意

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展及設(shè)備生產(chǎn)制造能力，海上制氫模式的實(shí)施存在以下難點(diǎn)：

（1） 海上環(huán)境條件相對(duì)惡劣，存在鹽霧等不利因素，缺乏制氫設(shè)備在海上的運(yùn)行與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

（2） 海上氫氣儲(chǔ)運(yùn)困難，缺乏海底氫氣管道及海上平臺(tái)氫氣充裝運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)。

（3） 海上施工作業(yè)困難。

（4） 需增加海水淡化設(shè)備。

伴隨海上風(fēng)電逐步走向深海，大規(guī)模電力送出也面臨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的雙重考驗(yàn)，由此通過(guò)海上制氫平臺(tái)集中制氫作為一種風(fēng)電消納的解決方案，值得探索。本研究通過(guò)配套設(shè)計(jì)海上制氫平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“風(fēng)機(jī)發(fā)綠電，電解制綠氫”，對(duì)海上制氫平臺(tái)做出深入研究，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，探索海上風(fēng)電集中海上制氫的可行性。

2 制氫技術(shù)選擇

目前具備工程應(yīng)用條件的水電解技術(shù)有堿性和質(zhì)子交換膜兩種。

堿性電解是研發(fā)最早、最成熟的電解制氫技術(shù)，目前已有成熟的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)[6]。電堆成本較低，售價(jià)一般1 500～3 000 元/kW；系統(tǒng)制氫效率：60%～75%，現(xiàn)有成熟設(shè)備產(chǎn)氫規(guī)?？蛇_(dá)1 300 Nm3/h；堿性電解技術(shù)存在制氫效率低、能耗大、存在滲堿環(huán)境污染等問(wèn)題。同時(shí)，占地大、響應(yīng)慢，與新能源匹配性較差。

質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)又稱PEM純水電解。PEM電解水制氫設(shè)備在全球多個(gè)地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用，但電堆成本較高，一般售價(jià)在10 000～12 000 元/kW，系統(tǒng)制氫的效率：70%～85%。現(xiàn)有成熟的PEM電堆規(guī)模已達(dá)到5 MW，即產(chǎn)氫率1 000 Nm3/h。PEM制氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)則是生命周期長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、槽腐蝕性小、電解效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、裝置結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)氫純度高、氫氣出口壓力大、響應(yīng)速度快[7]。

對(duì)比投資成本較低的堿水制氫技術(shù)[8]，PEM制氫因其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠更好適應(yīng)海上風(fēng)電的波動(dòng)性，高度契合海上風(fēng)電的融合發(fā)展。同時(shí)考慮節(jié)約用地和綠色環(huán)保等因素，海上制氫平臺(tái)推薦采用PEM制氫工藝路線。

3 制氫系統(tǒng)方案

選取典型的200 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模，根據(jù)近幾年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的平均消納情況，選取3%的棄電率，并結(jié)合制氫產(chǎn)量規(guī)模和設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)等因素，綜合選取風(fēng)電場(chǎng)容量的5%作為制氫電源，即配套制氫功率為10 MW，產(chǎn)氫規(guī)模2 000 Nm3/h。

采用PEM電解水制氫工藝，制氫系統(tǒng)主要包括制氫電源、電解槽、氣液分離及純化裝置、配套公用工程裝置及控制系統(tǒng)。結(jié)合制氫設(shè)備的選型，以集裝箱式設(shè)備和戶內(nèi)敞開(kāi)式設(shè)備為基礎(chǔ)考慮兩種PEM 制氫方案。

（1） 方案1：集裝箱式制氫設(shè)備

如圖2 所示，根據(jù)擬定的制氫規(guī)模及現(xiàn)有商業(yè)化的制氫設(shè)備性能參數(shù)，配置4 套500 Nm3/h PEM制氫裝置，總制氫規(guī)模2 000 Nm3/h，制氫側(cè)功率10 MW。

圖2 集裝箱式制氫設(shè)備示意

制氫系統(tǒng)采用集裝箱式模塊化設(shè)計(jì)，具備更好的密封性，在海上工況下，具備更強(qiáng)的防腐能力。單套500 Nm3/h 制氫系統(tǒng)由2 個(gè)40 尺集裝箱組成，分為公用工程集裝箱和制氫集裝箱。本研究2 000 Nm3/h 的制氫規(guī)模共配置8 個(gè)40 尺集裝箱。

公用工程集裝箱包含水處理、冷凍水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、整流變壓系統(tǒng)；制氫集裝箱布置電解槽、氣液分離系統(tǒng)、水精制和純化系統(tǒng)。

（2） 方案2：戶內(nèi)敞開(kāi)式制氫設(shè)備

如圖3 所示，根據(jù)擬定的制氫規(guī)模及戶內(nèi)敞開(kāi)式制氫設(shè)備性能參數(shù)，配置2 套1 000 Nm3/h PEM 制氫裝置，總制氫規(guī)模2 000 Nm3/h，制氫側(cè)功率10 MW。

圖3 戶內(nèi)敞開(kāi)式制氫設(shè)備示意

制氫系統(tǒng)采用戶內(nèi)敞開(kāi)式設(shè)計(jì)，對(duì)比集裝箱式設(shè)計(jì)，設(shè)備裸露在戶內(nèi)環(huán)境中，對(duì)海上制氫平臺(tái)提供的環(huán)境要求及制氫設(shè)備自身的防腐能力有相較嚴(yán)苛的考驗(yàn)。

本研究2 000 Nm3/h 的制氫規(guī)模共配置2 個(gè)1 000 Nm3/h 的電解槽，同時(shí)配套2 個(gè)變壓器、2 個(gè)整流器、2 個(gè)水精制設(shè)備、1 個(gè)公用氫氣提純模塊、低壓配電設(shè)備和控制系統(tǒng)設(shè)備。

戶內(nèi)敞開(kāi)式方案與集裝箱式方案就制氫工藝流程方面來(lái)說(shuō)，沒(méi)有本質(zhì)的功能區(qū)別，系統(tǒng)方案均由電源設(shè)備、水處理設(shè)備、電解設(shè)備、純化設(shè)備及控制系統(tǒng)等方面組成。就集裝箱式方案而言，其設(shè)備集成布置，空間利用緊湊，但單機(jī)規(guī)模普遍不超過(guò)500 Nm3/h。相較來(lái)說(shuō)，戶內(nèi)敞開(kāi)式方案設(shè)備布置相對(duì)獨(dú)立，空間上也相對(duì)分散，但考慮其單機(jī)設(shè)備容量大，單機(jī)規(guī)模普遍在1 000 Nm3/h 水平，在大規(guī)模制氫應(yīng)用背景下，其綜合占地空間更小。

（3） PEM制氫系統(tǒng)架構(gòu)

PEM制氫系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。高壓交流電源經(jīng)降壓整流得到供電解槽用的直流電源，通過(guò)電解槽電解水得到氫氣、氧氣和水的混合物，經(jīng)氣液分離系統(tǒng)處理，得到粗氫和粗氧，最后經(jīng)過(guò)純化和干燥得到最終的純氫產(chǎn)品。

圖4 PEM 制氫系統(tǒng)架構(gòu)

4 儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)方案

大規(guī)模集中制氫和長(zhǎng)距離輸氫是未來(lái)趨勢(shì)[9]，目前海上制氫還處在科研階段，缺少相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒。參考陸上氫氣運(yùn)輸模式，結(jié)合實(shí)際情況及短期內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破，可以考慮的輸氫方式主要有管道運(yùn)輸和高壓氣氫運(yùn)輸，即利用輸氫管道或儲(chǔ)氫瓶船運(yùn)形式將氫氣輸送至陸地。

4.1 低壓緩沖管道輸送

氫氣壓力越高、材料的強(qiáng)度越高，氫脆和氫致開(kāi)裂現(xiàn)象就越明顯[10]，所以氫氣管道優(yōu)先選擇“低鋼級(jí)”鋼管。PEM制氫設(shè)備氫氣出口壓力為3 MPa，可通過(guò)壓縮機(jī)送入輸氫管道輸送至陸上。參考陸上純氫管道的工程經(jīng)驗(yàn)，站外長(zhǎng)距離輸氫管道材料類型推薦采用X42N（L290N），設(shè)計(jì)壓力4 MPa。根據(jù)輸氣量2 000 Nm3/h 計(jì)算，設(shè)計(jì)管徑不小于50 mm，最大流速8 m/s。

4.2 高壓儲(chǔ)氫船舶輸送

PEM制氫設(shè)備氫氣出口壓力為3 MPa，同樣通過(guò)3 MPa 緩沖罐經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，參考陸上高壓氣態(tài)氫運(yùn)輸壓力，可選取20 MPa 作為氫氣儲(chǔ)運(yùn)壓力。本研究根據(jù)制氫系統(tǒng)產(chǎn)氣量，匹配4 臺(tái)500 Nm3/h 排氣量的20 MPa 壓縮機(jī)，4 臺(tái)壓縮機(jī)增加了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性。制備的氫氣在經(jīng)過(guò)增壓處理后，在海上制氫平臺(tái)完成20 MPa 管束式集裝箱的充裝，通過(guò)平臺(tái)上的吊裝設(shè)施將管束式集裝箱整體吊裝至特種運(yùn)輸船舶，完成制氫平臺(tái)至陸上的氫氣運(yùn)輸。

5 平面布置

5.1 布置原則

海上制氫平臺(tái)布置，應(yīng)從緊湊型的角度出發(fā)，做到功能分區(qū)明確、合理，工藝流程緊湊、順暢，方便接線及管道設(shè)計(jì)。

本研究考慮平臺(tái)重量分布盡量均勻，以制氫系統(tǒng)功能區(qū)為中心，結(jié)構(gòu)上左右兩側(cè)對(duì)稱布置。底層為輔助設(shè)備區(qū)，功能上以給水系統(tǒng)為主。上層為制氫主設(shè)備區(qū)，功能上以制氫系統(tǒng)及供配電系統(tǒng)為主。

站外35 kV 制氫電源通過(guò)海纜由海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站母線35 kV 側(cè)接入至海上制氫平臺(tái)35 kV 開(kāi)關(guān)柜室，再由35 kV 開(kāi)關(guān)柜室為制氫成套系統(tǒng)提供制氫電源。

5.2 總體布置方案

根據(jù)以上的布置原則，結(jié)合PEM 制氫設(shè)備的選型，可布置兩個(gè)海上制氫平臺(tái)平面布置方案，具體情況描述如下：

（1） 方案1：海上制氫上部組塊采用整體安裝，上部組塊共分3 層，整個(gè)平臺(tái)最大尺寸為44.1 m×40.9 m。

①底層布置有污水處理裝置室、水泵房、海水提升設(shè)備間、消防設(shè)備室、海水淡化純化、新風(fēng)機(jī)房室、事故油罐室、生活間等房間。

②二層布置有4 套500 Nm3/h 制氫撬、制氫輔助設(shè)備撬室、站用電室、35 kV 開(kāi)關(guān)柜室、壓縮空氣室、站控室、蓄電池室、應(yīng)急配電室。

③頂層布置有壓縮機(jī)室、20 MPa 儲(chǔ)氫瓶組及吊機(jī)。

（2） 方案2：海上制氫上部組塊采用整體安裝，上部組塊共分3 層，整個(gè)平臺(tái)最大尺寸為37.5 m×36.0 m。

①底層布置與方案1 相同。

②二層布置有2 套1 000 Nm3/h 制氫設(shè)備、氫氣純化設(shè)備、整流器室、35 kV 變壓器室、35 kV 開(kāi)關(guān)柜室、站用電室、氮?dú)鈮嚎s空氣室、站控室、蓄電池室、應(yīng)急配電室。

③頂層布置與方案1 相同。

本研究根據(jù)制氫設(shè)備的不同選型，做了兩種海上制氫平臺(tái)的平面布置方案。

方案1 選用4 套500 Nm3/h 集裝箱式制氫設(shè)備，考慮到防爆距離等因素，制氫工藝區(qū)整體布置空間較大，但優(yōu)勢(shì)在于制氫設(shè)備受海上嚴(yán)苛工況影響較小，且4 套設(shè)備運(yùn)行的靈活性、可靠性較高。

相較之下，方案2 選用2 套1 000 Nm3/h 戶內(nèi)敞開(kāi)式制氫設(shè)備，制氫工藝區(qū)整體布置空間較小，但劣勢(shì)在于敞開(kāi)式設(shè)備對(duì)海上平臺(tái)室內(nèi)環(huán)境要求較高。

6 結(jié)論

本研究基于耦合海上風(fēng)電和氫能的發(fā)展理念，以改善風(fēng)電“上網(wǎng)難”和“棄風(fēng)”的現(xiàn)象，提出海上風(fēng)電海上集中大規(guī)模制綠氫方案。以海上制氫平臺(tái)為重點(diǎn)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容，探索海上風(fēng)電聯(lián)合海上制氫平臺(tái)的融合發(fā)展模式。

本研究以200 MW 的海上風(fēng)電場(chǎng)為擬定條件，配套設(shè)計(jì)制氫功率10 MW、產(chǎn)氫量2 000 Nm3/h 的海上制氫平臺(tái)方案。完成兩種基于不同制氫設(shè)備選型的海上制氫平臺(tái)平面布置設(shè)計(jì)研究，探索海上風(fēng)電多功能融合的發(fā)展模式與解決方案，為新能源開(kāi)發(fā)及消納提供更多的思路和技術(shù)儲(chǔ)備。