一种基于氢气纯度约束的电解制氢负荷调节方法与流程

本发明涉及电解制氢，尤其涉及一种基于氢气纯度约束的电解制氢负荷调节方法。

背景技术：

1、现有大型碱性电解制氢系统在新能源波动供电、分时电价及下游用氢需求变化条件下，需要频繁执行升载、降载、低负荷保持及分时运行。材料中已指出，电解槽温度、制氢压力、碱液循环速度等操作参数会影响气体纯度，且在典型功率调升、调降过程中，碱液分离器液位差、碱液温度等指标具有明显的动态反馈特性；在低负荷运行时，需要重点监控氢中氧、氧中氢的变化，并在纯度持续变差时及时调整负荷或操作压力，以避免触发报警或联锁。因此，氢气纯度并不是仅由当前负荷决定，而是与前序负荷变化、碱液循环状态以及气液分离过程共同相关，特别是在频繁变负荷条件下，前序运行状态可能通过碱液携气及其后续释放过程继续影响当前氢气纯度，使同一当前负荷下呈现不同的纯度变化趋势。

2、现有负荷调节方式通常根据目标功率、制氢需求或电价条件直接确定负荷变化轨迹，并以当前氢气纯度是否达到报警阈值作为安全判断依据，较少区分当前电解状态引起的即时纯度响应与前序碱液携气造成的延续纯度响应。当历史携气影响尚未消退而目标负荷又沿同向变化时，容易使前序携气释放与当前负荷变化产生叠加，造成氢气纯度在正式调节过程中持续恶化；若仅在纯度越限后再暂停或回退负荷，则难以提前识别该类历史状态风险，也难以充分利用电解槽可用的负荷调节空间。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于氢气纯度约束的电解制氢负荷调节方法，能够在正式负荷调节前主动辨识纯度记忆状态，并根据前序碱液携气影响的释放趋势设置纯度卸载区段，同时利用实际氢气纯度响应对辨识结果在线校验和修正，提高大型碱性电解制氢系统变负荷运行过程中氢气纯度控制的主动性、连续性和安全性。

2、一种基于氢气纯度约束的电解制氢负荷调节方法，包括以下步骤：

3、s1：在电解制氢系统由当前负荷向目标负荷调节之前，对当前负荷施加相反方向连续衔接的试探负荷扰动，获取试探负荷扰动过程中氢气纯度、气液分离状态和碱液循环状态的响应先后关系，将随试探负荷即时改变的纯度响应与试探负荷恢复后继续延续的纯度响应进行分离，生成表征当前电解状态影响和前序碱液携气影响的纯度记忆状态；

4、s2：以所述纯度记忆状态为输入，根据目标负荷变化方向判断前序碱液携气影响在目标负荷调节过程中被削弱或者被释放，当所述前序碱液携气影响被释放时，在正式负荷变化之前或过程中设置用于消减前序碱液携气影响的纯度卸载区段，并将所述纯度卸载区段与目标负荷变化过程衔接，形成纯度解耦负荷调节序列；

5、s3：按照所述纯度解耦负荷调节序列控制电解制氢系统，并根据经过所述纯度卸载区段前后的实际氢气纯度变化校验所述纯度记忆状态，在前序碱液携气影响消减后继续向所述目标负荷调节，得到满足氢气纯度约束的运行负荷。

6、可选的，所述s1具体包括：

7、s11：根据所述目标负荷与当前负荷的差值方向，确定试探扰动的反向调节量；

8、s12：按照所述反向调节量对当前负荷施加第一阶跃扰动，并在持续第一预设时长后，将负荷阶跃恢复至所述当前负荷，形成反向阶跃-回归连续衔接的试探负荷序列；

9、s13：在所述试探负荷序列执行过程中，以高于系统基本控制周期的采样频率同步采集氢气纯度实测值、气液分离器内的液位波动信号以及碱液循环回路的压力/流量脉动信号，记录各信号在负荷阶跃瞬间和负荷回归瞬间的瞬态变化曲线；

10、s14：将所述瞬态变化曲线中与负荷阶跃动作同步出现且随负荷回归即刻消失的纯度突变分量，识别为当前电解状态影响的即时响应分量。

11、可选的，所述反向调节量的极性与目标负荷变化方向相反，且幅值设定为能够激发可辨识的氢气纯度瞬态响应、同时维持气液分离器液位和碱液循环压力在各自允许运行窗口内且不触发电解制氢系统安全保护动作或过载报警的负荷变动量。

12、可选的，所述s1还包括：将所述瞬态变化曲线中在负荷回归至当前负荷后、仍以非零延迟时间常数持续衰减的残余纯度分量，以及与所述残余纯度分量在时序上相关联的气液分离器液位波动和碱液循环压力/流量信号的滞后变化量，共同提取为前序碱液携气影响的延续响应分量；

13、根据所述即时响应分量的变化幅度和响应速率，生成当前电解状态影响因子；根据所述延续响应分量的初始幅值、衰减时间常数和滞后相位差，生成前序碱液携气影响因子；将所述当前电解状态影响因子与前序碱液携气影响因子叠加，构成所述纯度记忆状态。

14、可选的，所述s2具体包括：

15、s21：从所述纯度记忆状态中提取所述前序碱液携气影响因子的极性特征和幅值衰减特征，所述极性特征映射至所述试探负荷扰动的方向，所述幅值衰减特征映射至所述前序碱液携气影响的残余强度；

16、s22：将所述目标负荷变化方向与所述前序碱液携气影响因子的极性特征进行方向一致性判定。

17、可选的，所述方向一致性判定具体包括：

18、若所述目标负荷变化方向与所述极性特征呈相反方向，则判定所述前序碱液携气影响在目标负荷调节过程中被所述目标负荷反向变化所抵消而呈现削弱状态；

19、若所述目标负荷变化方向与所述极性特征呈相同方向，则判定所述前序碱液携气影响在目标负荷调节过程中被所述目标负荷同向变化所诱发释放而呈现释放状态。

20、可选的，所述s2还包括：在判定为所述释放状态时，根据所述前序碱液携气影响因子的残余强度确定所述纯度卸载区段的加载时机和持续时长，所述加载时机为所述正式负荷变化的启动时刻之前，或所述正式负荷变化过程的初始上升沿阶段；

21、将所述纯度卸载区段构造为一段独立于目标负荷最终变化轨迹的附加负荷调节动作，所述附加负荷调节动作的幅值方向和变化速率设定为能够在所述前序碱液携气影响被释放的初期，强制加速气液分离界面更新和碱液携气释放，以削减所述前序碱液携气影响对氢气纯度的叠加恶化效应；

22、在所述纯度卸载区段结束后，将终止时刻的负荷状态作为所述目标负荷变化过程的起始负荷状态，采用负荷变化率平滑过渡方式将所述纯度卸载区段与目标负荷变化过程进行无阶跃衔接，并按时间先后顺序将所述纯度卸载区段与所述目标负荷变化过程组合，生成所述纯度解耦负荷调节序列。

23、可选的，所述s3具体包括：

24、s31：在执行所述纯度解耦负荷调节序列时，以时序同步方式记录所述纯度卸载区段起始时刻的第一实际氢气纯度值和所述纯度卸载区段终止时刻的第二实际氢气纯度值，并同步记录所述纯度卸载区段执行全程中氢气纯度的实际瞬态响应曲线；

25、s32：将所述第一实际氢气纯度值与第二实际氢气纯度值之间的实际变化幅度和实际衰减时间常数，与所述纯度记忆状态中所述前序碱液携气影响因子的预测残余强度及预测衰减时间常数进行一致性比对，生成校验偏差量。

26、可选的，若所述校验偏差量处于预设容许偏差带内，则判定所述纯度记忆状态校验通过，确认所述前序碱液携气影响已被所述纯度卸载区段有效消减至可接受残余水平；若所述校验偏差量超出所述预设容许偏差带，则根据所述实际瞬态响应曲线与预测曲线的偏差方向及偏差量，对所述纯度记忆状态中的当前电解状态影响因子和前序碱液携气影响因子进行在线修正补偿，并将修正后的状态作为更新后的纯度记忆状态。

27、可选的，所述s3还包括：在判定所述前序碱液携气影响已消减至可接受残余水平后，暂停所述纯度卸载区段的附加负荷调节动作，将当前负荷作为目标负荷调节过程的起始负荷，按照预设的负荷变化率向所述目标负荷连续爬升，并在爬升全程中以预定时间间隔反复采样当前实际氢气纯度；

28、在向所述目标负荷爬升过程中，若任一所采样的当前实际氢气纯度值低于预设的氢气纯度安全下限阈值，则立即冻结当前负荷变化进程并临时维持当前负荷不变，直至当前实际氢气纯度恢复至所述氢气纯度安全下限阈值以上后再继续执行未完成的负荷爬升量；

29、在负荷爬升至所述目标负荷后，若稳态保持阶段的实际氢气纯度持续不低于所述氢气纯度安全下限阈值，则将当前运行负荷确定为满足氢气纯度约束的最终运行负荷；若未达到所述目标负荷时即出现无法通过暂缓调节恢复的纯度持续劣化趋势，则将最后一次满足所述氢气纯度安全下限阈值时的负荷值确定为满足约束的极限运行负荷。

30、本发明的有益效果：

31、本发明，在正式目标负荷调节前施加与目标负荷变化方向相反的试探负荷扰动，并结合氢气纯度、气液分离器液位及碱液循环压力和流量的瞬态响应，区分当前电解状态影响与前序碱液携气影响，形成纯度记忆状态；根据前序碱液携气影响因子的极性特征和残余强度，判断其在目标负荷变化过程中是被削弱还是被释放，并在存在释放风险时设置纯度卸载区段，使历史携气影响提前释放和消减，避免其与正式负荷变化叠加造成氢气纯度突发恶化，从而提高大型碱性电解制氢系统频繁变负荷和分时运行下的纯度控制主动性与安全性。

32、本发明，利用纯度卸载区段前后的实际氢气纯度及实际瞬态响应曲线，对前序碱液携气影响的预测残余强度和预测衰减时间常数进行校验，并在偏差超限时在线修正纯度记忆状态，使其能够适应实际工况变化；在前序碱液携气影响消减后，再向目标负荷连续调节，并根据实际氢气纯度执行负荷冻结、恢复确认和继续调节；若目标负荷能够持续满足纯度约束，则确定最终运行负荷，否则确定满足约束的极限运行负荷，可在保证氢气纯度安全的同时，提高负荷调节连续性和可用调节范围。