氯碱企业光伏制氢系统研究

王建民

(河南平煤神马东大化学有限公司，河南 开封 475003)

太阳能是清洁的可再生能源，在现有的太阳能利用方式中，光伏发电是很有潜力的方式，不会产生大气、水污染问题和废渣堆放问题。

河南省太阳能资源分布基本均匀，年辐射值在4 680～5 220 MJ/m2之间，分布最好的地区在西北和东北的狭长地带。根据各地区年辐射量的高低，将资源利用划分为Ⅰ～Ⅳ四大区。河南省太阳能资源利用区划分表如表1所示。

表1 河南省太阳能资源利用区划分表Table 1 Regional division of solar energy resourceutilization in Henan Province

河南省年日照时数在1 953～2 644 h之间，2 200 h等值线自东向西大致穿过沙颍河与洪河，沿伏牛山北麓通过，豫东北部和豫中部形成两个明显的高值区，全年日照时数超过2 300 h。沙颍河和伏牛山以南为日照时数低值区，年日照时数低于2 200 h。根据《QX/T 89—2008 太阳能资源评估方法》判断，开封地区为光照资源丰富地区，根据河南省太阳能资源利用区划分表，此地区在河南省境内属于III 类地区中较好区域。综上所述，本项目场址太阳能资源丰富，日照时间长，年内变化稳定，最佳利用时间集中，十分适合光伏电站的建设，具有较好的经济性。

“十四五”期间，河南平煤神马东大化学有限公司(以下简称“东大化学”)坚持绿色发展理念，拟借助整体搬迁后的空间基础优势，建设16 MW光伏可再生能源制氢项目。16 MWp光伏制氢项目包含制氢系统、光伏电站和储能系统建设三部分。分布式光伏项目装机容量为16 MWp，储能项目储能容量为27.12 MW·h，制氢项目为现有生产工艺，增加电解设备。

1 光伏发电系统

利用东大化学内钢结构厂房、办公楼屋顶、污水处理池上空、管道管廊、道路上方等可利用构筑物上方建设光伏发电系统，所产生的电能用于电解槽生产清洁能源——氢气。经研究本次总计安装光伏组件29 630块，装机容量约16 MW，分布在厂区不同建筑物屋顶、空地、道路和管道支架上。

在产品技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站周围的自然环境、施工条件、交通运输的状况，选用行业内的主导光伏组件类型。再根据电站所在地的太阳能资源状况和所选用的光伏组件类型，计算出光伏发电站的年发电量，最终选择出综合指标最佳的光伏组件。

商用的光伏组件主要有以下几种类型：单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶硅光伏组件、碲化镉光伏组件、铜铟硒光伏组件等。光伏组件性能参数比较如表2所示。

表2 光伏组件性能参数比较Table 2 Comparison between performance parameters of photovoltaic modules

综合发电效率与占用面积、发电成本、对应其他工程投资、量产比例等因素，本工程选用540 W单晶硅光伏组件。

采用自发自用余电上网的并网方式，所发电量用于厂区新增通过组串式逆变器将光伏组件直流电转换为交流电，然后通过升压箱变进行升压，通过开关站进行电能的汇集以及输出，最终以0.4 kV或者10 kV电压等级并入公司配电网。16 MW光伏发电系统最大出力约1.40万kW·h，25年年均发电量1 610 万kW·h(全部自用)，主要用于新增的电解槽生产清洁能源氢气。电解槽年用电量约为5 375万kW·h，其他动力年用电量约为347.5 万kW·h，电解槽及其他动力平均负荷约为6 344 kW，光伏最大出力时段剩余电量存入配套的储能系统，故本项目光伏发电系统所发电量接入东大厂区后能完全消纳，不存在弃光现象。

2 储能系统

储能是通过物理或化学手段将电、热等形式的能量储存起来，在出现用能需求时释放的过程。目前化学储能技术主要包括铅酸电池、铅炭电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、铁锂电池。

本项目储能电站对储能系统比如容量、效率输出、循环寿命要求较高，综合考虑本方案采用1.2 MW/4.52 MW·h磷酸铁锂电池进行设计。

在公司配置6套1.2 MW/4.52 MW·h集装箱式储能系统，每台电池集装箱配置1台1 200 kW PCS，2台PCS出线经1台2 750 kV·A变压器后接入至10 kV开关柜，新建1座10 kV开关站，在开关站汇流后通过1台10 kV开关柜出线接入厂区10 kV母线侧完成并网。

本储能项目储能最大功率7.2 MW，容量27.12 MW·h。储能系统由储能电池系统(含储能电池和电池管理系统)、监控系统、消防系统、温控系统、照明系统等主要组件构成。东大化学生产装置的动力负荷比较稳定(目前60 MW)。本期7.2 MW/27.12 MW·h储能项目接入后，储能发电负荷可以在厂区内部就地消纳。现有主变容量具备为储能充电的能力。

铅碳电池与锂电池比较如表3所示。储能电站系统架构图如图1所示。

表3 铅碳电池与锂电池比较Table 3 Comparison between lead carbon batteriesand lithium batteries

图1 储能电站系统架构图Fig.1 Architecture of energy storage power station system

3 制氢系统

整体搬迁项目已预留有电解槽安装位置，只需增加电解槽设备，不需再增加土建及其他配套设施的建设费用。精制盐水、电、循环水、仪表和压缩空气、氮气、冷冻水、脱盐水全部依托现有装置。

从二次盐水精制送来的二次精制盐水进入电解槽的各阳极室和进入阴极室的加纯水后的循环碱液在直流电作用下进行电解，在阳极室生成氯气和淡盐水，阴极室生成氢气和烧碱。

湿氯气被冷却后送入氯处理单元。

淡盐水经阳极的循环管，部分淡盐水与二次精制盐水一起混合后进入电解槽的阳极室进行电解，大部分淡盐水去原有脱氯系统。

阴极室生成的氢气送氢处理系统。氯碱装置副产的氢气纯度在99%以上，提纯难度小、杂质含量低。从氯氢处理工段来的原料氢气，进入原料气缓冲罐，经原料气压缩机压缩后，进入变压吸附装置，经变压吸附后进入产品气缓冲罐，当产品气纯度达到规定值时，经产品气压缩机压缩进入汇流排充装。该工艺国内先进、技术成熟，产品质量稳定可靠。高纯氢产品纯度达到99.999%，可供应周边地市氢能源公交车使用。

进入循环槽中的碱液(质量分数32%)分成两部分，一部分为成品碱，另一部分经过循环管加入纯水混合后返回电解槽阴极室进行电解。制氢工艺流程方块图如图2所示。

图2 制氢系统工艺流程方块图Fig.2 Block chart of hydrogen-producing process flow

4 结语

利用厂区内建筑物屋面、空地、道路等空间规划分布式光伏板所产生的电能，用电解槽生产清洁能源氢气。氢气采用变压吸附工艺，通过前端压缩机压缩后输送到变压吸附装置(PSA)制高纯氢。可实现产能高纯氢气700 万m3/a，烧碱2.5 万t/a，液氯1.7 万t/a。

东大化学16 MWp光伏制氢项目的建设顺应国家碳达峰、碳中和发展趋势，符合绿色低碳、高质量转型发展的战略目标。项目建设具备场地、原料、公用工程等优势，具有很好的社会效益和经济效益。