劉宏亮，，李德純，程雅雯，達(dá)珺，白章

（1.中國石化勝利油田新能源開發(fā)中心，山東東營，257000；2.中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島，266580）

在碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)已成為國家推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、謀求未來競爭新優(yōu)勢、搶占新能源技術(shù)制高點(diǎn)的重大舉措。國家“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃提出，推進(jìn)化工、煤礦、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域綠氫替代，創(chuàng)新可再生能源利用方式，開展大規(guī)模離網(wǎng)制氫示范和并網(wǎng)型風(fēng)光制氫示范?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中指出：到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，產(chǎn)業(yè)布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應(yīng)用，有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)?？稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費(fèi)中的比重明顯提升，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。

近年來，某油田積極培育氫能業(yè)務(wù)，跟蹤氫能關(guān)鍵工藝技術(shù)、產(chǎn)業(yè)政策形勢，結(jié)合油田制氫、用氫現(xiàn)狀，深入分析剩余潛力、制氫能耗，開展新能源發(fā)電與氫能設(shè)備耦合技術(shù)研究，超前布局“綠氫”產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)。

1 制氫工藝

1.1 煉廠干氣制氫

煉廠干氣制氫是以乙烯、丙烯和甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等主要成分的副產(chǎn)輕烴與水蒸氣重整后通過變壓吸附分離法制取，目前國內(nèi)石化煉廠多采用該工藝來制取H2。主要原理是采用加氫技術(shù)將煉化干氣原料中的烯烴轉(zhuǎn)化為烷烴，并將有機(jī)硫、有機(jī)氯等雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫、無機(jī)氯，通過脫氯、脫硫反應(yīng)器脫除HCl和H2S。在催化劑作用下，應(yīng)用水蒸氣轉(zhuǎn)化工藝將烴類轉(zhuǎn)化為H2、CO、CO2，轉(zhuǎn)化氣中的CO采用中溫變換，使其反應(yīng)生成H2和CO2；變換氣中含有的CO、CO2和CH4等雜質(zhì)，采用變壓吸附（PSA）凈化技術(shù)進(jìn)行清除。經(jīng)過上述換熱、冷卻、分離、凈化等工藝處理，得到純度較高的H2。煉化干氣制氫裝置流程示意見圖1。

圖1 煉化干氣制氫裝置流程示意

1.2 電解水制氫

電解水制氫原理是由浸沒在電解液中的一對電極中間隔以防止氣體滲透的隔膜而構(gòu)成的水電解池，當(dāng)通以一定的直流電時(shí)，通過電化學(xué)過程將水分子解離為H2與氧氣，分別在陰極析出H2，陽極析出氧氣，如圖2所示。

圖2 電解水制氫原理示意

其反應(yīng)式如下：

目前，根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)可分為三類，分別是堿性電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）、固體氧化物電解水制氫（SOEC）[1-2]。三類電解水制氫技術(shù)的相關(guān)參數(shù)對比如表1所示。

表1 三類電解水制氫技術(shù)參數(shù)對比表

堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽是當(dāng)前制氫領(lǐng)域兩大主流研究方向。兩者相比，堿性電解槽制氫技術(shù)成熟度更高；國產(chǎn)設(shè)備成本約2 500元/kW，能量轉(zhuǎn)化效率60%～75%。質(zhì)子交換膜電解槽采用全氟磺酸型質(zhì)子交換膜代替堿性電解槽中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，起隔離氣體和離子傳導(dǎo)雙重作用[3]，技術(shù)成熟度略低；國產(chǎn)設(shè)備成本在8 000 元/kW以上，能量轉(zhuǎn)化效率70%～90%。

1.3 兩種制氫工藝成本與碳排放對比

在制氫成本方面，電費(fèi)成本是制氫成本的主要部分，以電價(jià)0.3元/kW·h為計(jì)算條件，堿性與質(zhì)子交換膜電解水的制氫成本分別約為20元/kg、30元/kg，而一般煉廠自產(chǎn)混合干氣制氫成本僅為10～12元/kg（不同干氣組分及比例下，制氫成本存在差異）。但在碳排放方面，以利用10 000 Nm3/h副產(chǎn)干氣制氫估算，每年約產(chǎn)生3×104t CO2排放量。和一般煉廠干氣制氫相比，采用電解水制氫的CO2排放量基本為零。

1.4 綠氫與煉化的融合

近年來，隨著太陽能、風(fēng)能等新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，利用風(fēng)、光等新能源發(fā)電直接生產(chǎn)H2被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要載體。通過新能源發(fā)電與電解水制氫相融合，將所產(chǎn)電能以化學(xué)能的方式儲存在H2中，可平抑新能源發(fā)電間歇波動(dòng)和消納能力提升，推進(jìn)能源清潔化替代。2022年以來，國內(nèi)主要油氣企業(yè)將目光聚焦于綠電制氫領(lǐng)域，加速推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局。中國石化于2022年9月發(fā)布實(shí)施的氫能中長期發(fā)展戰(zhàn)略就提出，在現(xiàn)有煉化、煤化工制氫基礎(chǔ)上，大力發(fā)展可再生電力制氫。

對于利用陸上風(fēng)電、光伏等綠電制氫，華北電力大學(xué)氫能技術(shù)創(chuàng)新中心主任劉建國提出，油氣企業(yè)制取的H2，可應(yīng)用于原油加工環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)深度加氫脫硫，也可用于化工原料制備過程實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)。而今，油氣企業(yè)將制氫方向轉(zhuǎn)移到綠氫項(xiàng)目上，主要基于煉化生產(chǎn)過程更清潔的考量。

2 示范應(yīng)用

2.1 光伏制氫方案提出

該油田積極探索“綠氫”產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用突破點(diǎn)，在開展新能源發(fā)電與氫能設(shè)備耦合系統(tǒng)容量配置優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合油田區(qū)域新能源資源稟賦和煉廠用氫需求，著力打造“傳統(tǒng)干氣制氫＋光伏制氫”模式，利用分布式光伏電站所發(fā)綠電作為制氫電源，采用電解水制氫工藝制取H2，結(jié)合光伏電站規(guī)模對制氫裝置能力、運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)選。日間可利用光伏發(fā)電啟動(dòng)，夜間無光伏發(fā)電時(shí)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電“綠氫”部分替代煉廠干氣“灰氫”。同時(shí)為避免光伏發(fā)電波動(dòng)造成電解水制氫裝置頻繁啟停，平抑光伏波動(dòng)，采用“光伏＋儲能”運(yùn)行模式，配備小規(guī)模電化學(xué)儲能裝置，以滿足制氫裝置平穩(wěn)運(yùn)行和光伏余電存儲。

2.2 光伏電站概況

利用閑置場地建設(shè)裝機(jī)容量為6 MWp光伏電站1座。主要建設(shè)安裝520 Wp單晶硅光伏組件1.2萬余塊，組串式逆變器23臺，升壓變壓器3臺等。該電站年平均發(fā)電量約730萬kW·h。每年可節(jié)約標(biāo)煤約900 t，相應(yīng)每年可減少排放CO2約7 400 t。

2.3 制氫裝置容量的優(yōu)化計(jì)算

2.3.1 光伏制氫模型建立及仿真

為實(shí)現(xiàn)電解槽制氫裝置最優(yōu)容量設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略，基于MATLAB建立用于描述輸出電壓、電流隨外界環(huán)境變化的光伏發(fā)電波動(dòng)電源模型以及電解槽制氫模型。

光伏陣列利用光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能，其輸出功率見式（1）[4]：

式中：nb和nc分別為光伏電池并聯(lián)數(shù)目與串聯(lián)數(shù)目；Iph和Irs分別為光生電流與二極管的反向飽和電流，A；Vpv為光伏電池的輸出電壓，V；TPV為光伏電池的輸出溫度，℃；q為電子電荷，取1.6×10-29C；K為玻爾茲曼常數(shù)，取1.381×10-23J/K；APV為光伏電池面積，m2。

堿性電解槽設(shè)備的運(yùn)行功率主要受自身極化特性及響應(yīng)速度等因素影響，根據(jù)其極化特性關(guān)系，電解制氫功率PAE見式（2）[5]：

式中：Iel為電解槽電流，A；Tel為電解槽溫度，℃；r為電解液歐姆電阻參數(shù)；Acell為電解槽有效面積，m2；s為電極過電壓系數(shù)；V0為可逆電壓，V。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，電解水制氫的產(chǎn)氫速率nH2可由式（3）確定：

式中：Nel為電解槽單元個(gè)數(shù)；ηF為法拉第效率，%；F為法拉第常數(shù)，取96 485 C/mol。

通過建立模型，研究波動(dòng)電源電解制氫過程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行調(diào)控及優(yōu)化；分析堿性電解槽與質(zhì)子交換膜電解槽在新能源發(fā)電系統(tǒng)下的不同適應(yīng)性；研究動(dòng)態(tài)電解負(fù)荷情況下，堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽裝置的電解制氫效率、啟停時(shí)間與能量特性。通過模型仿真形成了經(jīng)濟(jì)目標(biāo)下新能源發(fā)電與氫能耦合配置設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)電解槽制氫裝置最優(yōu)容量設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略，開發(fā)了新能源發(fā)電制氫仿真系統(tǒng)，見圖4。

圖4 光伏/風(fēng)電新能源制氫仿真系統(tǒng)

2.3.2 設(shè)備優(yōu)化選型

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，通過新能源與氫能互聯(lián)模塊運(yùn)行仿真系統(tǒng)，模擬堿性電解槽隨光伏發(fā)電變化動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，計(jì)算出6 MWp光伏離網(wǎng)發(fā)電條件下電解槽最優(yōu)裝機(jī)功率為2 862 kW。

在設(shè)備選型和效益評價(jià)過程中，結(jié)合6 MW光伏電站發(fā)電變化波動(dòng)情況，測算了100～1 000 m3/h不同規(guī)模下單位制氫成本與產(chǎn)氫量的變化關(guān)系，如圖5所示。同時(shí)基于項(xiàng)目基準(zhǔn)收益率要求，考慮電解槽技術(shù)成熟度、主要產(chǎn)品序列、示范試驗(yàn)條件等情況，在制氫裝置選型中優(yōu)選規(guī)格為500 m3/h（2 500 kW）的堿性電解槽，如圖6所示。

圖5 不同制氫裝置制氫成本與產(chǎn)氫量變化曲線

圖6 示范工程中堿性電解槽裝置

圖7 電化學(xué)儲能裝置

2.4 儲能裝置的優(yōu)化配套

離網(wǎng)條件下利用光伏發(fā)電直接制氫，在太陽能光電這種波動(dòng)電源條件下，制氫系統(tǒng)變工況及頻繁啟停運(yùn)行特性引起的氫氧濃度、壓力變化，對設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出新要求。通過配套電化學(xué)儲能裝置平抑降低光伏發(fā)電波動(dòng)對制氫裝置及配套設(shè)施的沖擊影響。

儲能裝置充放電功率參數(shù)配置：以保障在光伏不發(fā)電條件下堿性電解槽短時(shí)間維持低功率運(yùn)行為目標(biāo)，堿性電解槽運(yùn)行功率區(qū)間為20%～105%；考慮電解槽配套純化裝置的安全可靠性，儲能裝置充放電功率按照堿性電解槽額定功率的40%設(shè)計(jì)。

儲能裝置容量參數(shù)配置：依照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19964-2012）有功功率變化速率限值，光伏電站該限值為每分鐘不超過10%裝機(jī)容量。因此，以上述國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定功率平抑目標(biāo)為設(shè)計(jì)要求，通過電化學(xué)儲能裝置控制光伏輸入功率波動(dòng)。丁志龍等[6]在平抑光伏發(fā)電功率波動(dòng)的儲能配置方法中進(jìn)行算例分析“以最大輸出功率1 MW的光伏電站為例，得出配置儲能容量0.254 5 MW·h，充電功率1.225 MW，放電功率0.942 9 MW。”儲能容量約為光伏電站每小時(shí)發(fā)電量的25%，石化總廠光伏電站裝機(jī)容量為6 MW，同時(shí)考慮電量傳輸過程中逆變器、線路以及升壓裝置等損耗，儲能容量配置為1.2 MW·h。

2.5 應(yīng)用效果

示范項(xiàng)目投產(chǎn)后，實(shí)現(xiàn)了電解水制氫裝置在光伏發(fā)電離網(wǎng)條件下直接制取“綠氫”部分替代煉廠干氣“灰氫”，可年產(chǎn)H2123噸，年減排CO22 535噸。項(xiàng)目的實(shí)施，為推進(jìn)煉化與“綠氫”產(chǎn)業(yè)耦合示范、建設(shè)鹽堿灘涂綠電制氫產(chǎn)業(yè)基地提供范例。

3 結(jié)論與建議

在光伏綠電制氫示范應(yīng)用過程中，充分利用油田的資源稟賦和用能優(yōu)勢，開展煉廠場景下的光伏發(fā)電直接耦合制氫技術(shù)研究。通過建立風(fēng)/光波動(dòng)電源以及電解槽制氫模型，開發(fā)仿真軟件系統(tǒng)，研究了新能源輸入動(dòng)態(tài)負(fù)荷下電解制氫裝置效率與能量特性，完成了耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)配置。同時(shí)通過電化學(xué)儲能裝置功率與容量的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配套，降低了離網(wǎng)狀態(tài)下光伏發(fā)電波動(dòng)對制氫裝置及配套設(shè)施的沖擊影響。

未來將總結(jié)離網(wǎng)光伏發(fā)電電解水制氫運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過測試堿性電解槽不同負(fù)載率條件下的制氫單耗與能效值，跟蹤裝置效率變化與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，不斷優(yōu)化光伏綠氫系統(tǒng)安全高效調(diào)控技術(shù)。同時(shí)考慮特殊場景下，氣態(tài)氫在變工況制取、儲存與充裝（使用）過程中的流量、壓力等運(yùn)行參數(shù)綜合管控要求，形成安全穩(wěn)定評價(jià)體系，為石化煉廠場景下光伏電解水制氫提供安全管控支撐。