一种梯级增压固态储供氢系统的制作方法

本发明属于固态储氢与氢气增压供应，具体涉及一种梯级增压固态储供氢系统。

背景技术：

1、氨和甲醇是重要的化工原料，我国每年产销量均在千万吨以上。随着我国“双碳”目标的深入推进，利用可再生能源（如风电、光伏）电解水制绿氢，再进一步合成绿色氨/醇，已成为该产业未来发展的重要趋势。然而，由于可再生能源具有间歇性和波动性特点，须配置大容量的储氢设施，以保证下游合成氨/醇装置的稳定连续生产。目前，绿氢的储存主要采用大型储氢球罐，设计储氢压力通常不高于3mpa，其体积储氢密度很低，以3mpa计仅约2.5kg h2/m3，占用体积庞大、安全性不高，且供氢压力随供氢过程进行而逐步下降。另一方面，虽然近年来合成氨/醇催化剂和工艺技术进步很快，合成塔反应压力已由10mpa以上降至5-7mpa，但依然显著高于储氢球罐的存储压力，需要采用机械式压缩机将氢气增压至5-7mpa。然而，机械压缩机存在运动部件多、振动噪音大、密封件易损、润滑油污染氢气、维护成本高等固有缺陷。

2、近年来，利用金属氢化物的温度-压力特性进行非机械式氢气储存和增压的技术受到关注。中国专利cn119914827a公开了一种固体储氢和增压系统，其采用n级串联的压力储氢罐，氢气逐级通过各级压力储氢罐完成“吸氢-放氢”循环，实现压力逐级提升。该系统在一定程度上避免了机械压缩机的上述缺陷。

3、然而，该现有技术仍存在以下不足：每一级压力储氢罐同时承担储氢和增压双重功能，所有级串联在一起协同工作，导致储氢功能与增压功能在系统层面高度耦合。这种耦合架构带来的直接后果是：储氢容量与增压级数强绑定，因此增加储氢容量意味着必须增加串联级数，系统复杂度同步上升；更为关键的是，任一级压力储氢罐出现故障将导致整个增压链路中断，系统运行可靠性差。此外，该系统中氢气只能沿单一方向逐级通过，无法根据可再生能源发电波动和下游用氢需求灵活切换运行状态，系统对可再生能源的间歇性和波动性缺乏自适应调节能力。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本技术第一方面提供一种梯级增压固态储供氢系统，包括：

2、储氢单元组，所述储氢单元组包括多个并联设置的储供氢支路，各储供氢支路的前端分别与氢源连接，至少部分所述储供氢支路上设有储氢单元，所述储氢单元内容纳有固态储氢材料；

3、增压单元组，所述增压单元组设于所述储氢单元组下游，所述增压单元组包括增压总管和串联设置在所述增压总管上的多个增压单元，所述增压单元内容纳有固态储氢材料，沿氢气流动方向，前一级增压单元的放氢平衡压力大于后一级增压单元的吸氢平衡压力；所述增压总管的前端通过汇接结构与各所述储供氢支路的后端连接，所述增压总管的后端用于连接合成反应器；

4、换热系统，所述换热系统分别与各所述储氢单元和各所述增压单元换热连接，用于独立调控各所述储氢单元和各所述增压单元的温度。

5、根据本发明提供的技术方案，至少一个所述储供氢支路上不设储氢单元以作为直供支路，所述直供支路上设有第一开关阀；设有所述储氢单元的储供氢支路上，所述储氢单元的进口侧和出口侧各设有一个第二开关阀；

6、所述增压总管的前端通过进口开关阀与所述汇接结构连接，所述增压总管的后端通过出口开关阀连接合成反应器；于所述增压总管上相邻两级增压单元之间设有第三开关阀。

7、根据本发明提供的技术方案，所述增压单元组设置有至少两组，至少两组所述增压单元组并联设置且均通过汇接结构与各所述储供氢支路的后端连接。

8、本技术第二方面提供一种梯级增压固态储供氢方法，基于如上所述的梯级增压固态储供氢系统，所述方法包括：

9、根据各控制节点的实时状态更新分布式控制网络，确定由储氢单元构成的储氢节点集和由增压单元构成的至少两组增压单元序列；所述分布式控制网络以各储氢单元和各增压单元为控制节点预先建立；

10、将当前向合成反应器供氢的增压单元序列标记为供氢序列，将已完成供氢准备的其他增压单元序列标记为就绪序列，为所述供氢序列生成供氢健康度评估值，并为各就绪序列生成就绪健康度评估值；

11、当所述供氢序列的供氢健康度评估值衰减至触发阈值时，从各所述就绪序列中选取就绪健康度评估值最高者作为接管序列，根据所述接管序列的健康度评估值确定补氢时间窗口，并在所述补氢时间窗口内对供氢序列执行级间补氢，补氢完成后将供氢序列标记为就绪序列；

12、供氢序列停止供氢后，由所述接管序列接替供氢序列的供氢任务并标记为新的供氢序列；

13、在级间补氢过程中，当原供氢序列的首级增压单元需要从外部吸氢时，根据外部氢源的当前可用性状态，选择从直供支路吸氢或从所述储氢节点集吸氢；

14、重复上述步骤，实现各组增压单元序列的循环交替供氢。

15、根据本发明提供的技术方案，所述为所述供氢序列生成供氢健康度评估值，包括：

16、采集供氢序列中末级增压单元的实时剩余储氢量、当前工作温度以及累积循环次数，基于累计循环次数匹配预设的材料衰减系数，结合当前工作温度计算温度速率因子；

17、根据末级增压单元的出口设定压力与实时出口压力的差值，计算级间压降损耗系数；

18、将剩余储氢量、材料衰减系数、温度速率因子以及级间压降损耗系数代入预设健康度模型，计算得到供氢健康度评估值；

19、所述为各就绪序列生成就绪健康度评估值，包括：

20、采集就绪序列中各级增压单元的实际储氢量与额定储氢量的比值，得到各级储氢饱和度，并识别各级增压单元的当前待机温度；

21、基于各级增压单元的吸氢平衡压力与放氢平衡压力，结合待机温度计算就绪序列的压力建立时长预测值；

22、根据各级储氢饱和度的加权求和值与压力建立时长预测值的倒数，计算得到就绪健康度评估值。

23、根据本发明提供的技术方案，所述根据所述接管序列的健康度评估值确定补氢时间窗口，包括：

24、基于合成反应器的历史用氢速率与当前工况参数，预测未来时段的用氢复合曲线，结合接管序列的就绪健康度评估值，计算接管序列的最长可持续供氢时长；

25、采集原供氢序列中各级增压单元的当前储氢量与目标储氢量的差值，结合各级增压单元在对应换热功率下的吸氢速率，计算各级补氢所需的基础时长；

26、在最长可持续供氢时长的约束下，预留预设的安全衔接时长，将各级补氢基础时长的最大值与级间切换缓冲时长之和确定为补氢时间窗口。

27、根据本发明提供的技术方案，所述在所述补氢时间窗口内对供氢序列执行级间补氢，包括：

28、当补氢时间窗口启动时，判定末级增压单元仍处于向合成反应器放氢的工作状态，锁定末级增压单元禁止补氢操作；将首级至次末级的所有前级增压单元划定为预补氢区间，所述预补氢区间内各级单元预先对应设有安全待命储氢阈值，所述安全待命储氢阈值为低于额定满氢量的闲时最低储氢值，满足单次向次级单元补氢的基础用量要求；

29、在末级停止放氢前的剩余供氢时长内，按照从前往后的逐级传递时序，由首级增压单元从外部吸氢并依次向后级放氢，优先将次末级增压单元补至额定满氢量；同步检测其余前级增压单元的当前储氢量，若低于所述安全待命储氢阈值，则补足至所述安全待命储氢阈值；

30、当末级增压单元供氢结束、供氢任务切换至接管序列后，将末级增压单元切换为低温吸氢状态，次末级增压单元立即升温放氢，向末级增压单元连续补氢，直至末级储氢量达到额定就绪储氢量或者补氢时间窗口终止时刻。

31、根据本发明提供的技术方案，所述当原供氢序列的首级增压单元需要从外部吸氢时，选择从直供支路吸氢或从所述储氢节点集吸氢，包括：

32、获取未来预设时段内可再生能源的出力预测值，换算得到氢源的制氢速率预测曲线，同时采集各储氢单元的当前荷氢状态；

33、若当前制氢速率大于首级增压单元的吸氢速率，且预测未来时段制氢功率持续稳定，则选择直供支路向首级增压单元供氢，同时将多余制氢量分配至储氢节点集进行储氢；

34、若当前制氢速率小于首级增压单元的吸氢速率，或预测制氢功率即将出现下跌，则计算制氢缺口量，从储氢节点集中选取储氢单元补充制氢缺口；

35、若当前处于可再生能源低谷时段且储氢节点集整体荷氢状态高于设定阈值，则优先从储氢节点集吸氢，保留直供支路的制氢能力用于平抑后续用氢波动。

36、根据本发明提供的技术方案，当选择从储氢节点集吸氢时，选择目标储氢单元的步骤包括：

37、采集各储氢单元的当前温度对应的放氢平衡压力，计算其与首级增压单元吸氢平衡压力的差值，得到压力匹配度参数；

38、获取各储氢单元至增压总管的管路长度与管径，计算管路压降损耗值，同时采集各储氢单元的累计循环次数与当前荷氢状态；

39、以压力匹配度、管路压降损耗、累计循环次数以及当前荷氢状态为评价因子，分别赋予对应权重，计算各储氢单元的综合遴选得分；其中荷氢状态越高、累计循环次数越少，对应得分权重正向占比越高；

40、选取综合遴选得分最高的储氢单元作为目标供氢单元，若单台储氢单元供氢速率不足，则按得分排序依次增选储氢单元并联供氢。

41、根据本发明提供的技术方案，所述供氢序列停止供氢后，由所述接管序列接替供氢序列的供氢任务并标记为新的供氢序列，包括：

42、获取所述供氢序列出口压力的实时衰减速率，并依据所述实时衰减速率预测所述供氢序列的剩余有效供氢时长；

43、根据所述剩余有效供氢时长和所述接管序列末级增压单元的预设热惯性时间常数，确定所述接管序列末级增压单元的升温动作超前启动时刻；

44、在所述超前启动时刻，以合成反应器的目标供氢压力为基准，按照与所述供氢序列实时衰减速率呈正相关的补偿斜率，调节所述接管序列末级增压单元的换热温度，以升高其放氢平衡压力；其中，在所述剩余有效供氢时长内，所述供氢序列与所述接管序列的实时供氢压力之和恒定保持于所述目标供氢压力；

45、当所述供氢序列的出口压力降至预设退出阈值时，所述接管序列末级增压单元的出口压力达到所述目标供氢压力，所述接管序列完全接管供氢任务。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过将储氢单元组设置为并联结构、增压单元组设置为串联结构，并使两者通过汇接结构实现选择性连通，实现了储氢功能与增压功能的系统级解耦：并联的储氢单元组使得储氢容量可根据需求独立扩展，无需增加增压级数，克服了现有技术中储氢容量与增压级数强绑定的缺陷；任一并联储氢单元故障或检修时，其他储供氢支路仍可正常供氢，避免了单点故障导致全链路中断的问题，显著提升了系统运行可靠性；同时，增压单元组独立完成梯级增压功能，无需依赖储氢单元参与逐级升压，系统架构清晰、扩展灵活。此外，换热系统分别与各储氢单元和各增压单元独立换热连接，可精准调控各单元温度，使各储氢单元能够独立进行充放氢操作。整体而言，本技术在避免机械压缩机运动部件磨损、振动噪音和氢气污染风险的同时，大幅提升了系统的扩展性、运行可靠性和对可再生能源波动性的自适应能力。