3MW碱性电解制氢系统循环质量平衡试验研究

3MW 碱性电解制氢系统循环质量平衡试验研究（基于水平气-液分离器出口实测数据）

在“双碳”目标驱动下，大规模绿氢制备技术亟需验证其长期稳态运行可靠性。下文依托国内首套 3 MW 级碱性电解水制氢示范装置，在 100 % 循环泵功率、稳态产氢工况下，以水平气-液分离器出口质量流量为基准，首次系统对比了阴极/阳极循环回路电解液流量的仿真值与实测值，为后续变负荷运行及系统优化提供数据支撑。

一、试验条件

系统规模：3 MW 碱性电解槽，产氢量 ≈ 650 Nm³/h。

运行工况：直流电流 0–9 kA，稳态时设定 100 % 循环泵额定功率。

初始参数：启动前一次性注入除盐水 71.7 m³/h，该流量既满足电解槽启动液位，也贴近辅助系统充满后的实际补水平衡值。

测量方案：在阴极/阳极循环泵出口分别安装科里奥利质量流量计，采样频率 1 Hz，数据取 30 min 平均值。

二、质量平衡模型

基本假设– 电解槽入口前阴、阳极电解液已充分混合，入口流量相等；

– 循环回路总质量变化仅受两部分影响：

a) 水分解反应消耗（法拉第定律）；

b) 气-液分离器液位控制的间歇补水。

关键方程

– 反应耗水量（式 7.29）

ṁ_H₂O,react = I · M_H₂O / (2F)

其中 I 为直流电流，F = 96 485 C/mol。

– 循环泵出口总质量流量（式 7.12、7.28）

ṁ_pump = ρ · Q_pump − ṁ_H₂O,react + ṁ_make-up

其中 ρ 为碱液密度，Q_pump 为泵体积流量，ṁ_make-up 由分离器液位 PID 控制。

三、结果与讨论

流量-电流特性

图 7.9 显示，当直流电流从 0 A 升至 9 kA 时：

– 实测阴极出口流量由 9.3 kg/s 缓慢降至 9.1 kg/s；– 实测阳极出口流量与阴极基本重合，验证了“充分混合”假设；– 仿真曲线与实测值最大相对偏差 < 2 %，表明模型可准确预测稳态质量平衡。

泵功率与电源解耦现象

试验发现，在 100 % 固定泵功率策略下，循环流量几乎不随直流电流变化（斜率 ≈ 0）。这是因为：

– 泵出口已预先优化为恒流量模式，确保极板间流速始终高于气泡脱离临界值，避免气体累积；

– 系统通过分离器液位信号间歇补水，实时弥补反应耗水，从而维持总量平衡。

该策略牺牲了部分电耗，但极大简化了控制逻辑，适用于基础负荷工况。

模型扩展性

本文模型额外引入“电流-耗水”耦合项，虽然当前泵功率恒定，但已将 ṁ_pump 写成 I 的显函数。后续仅需调整泵转速曲线，即可无缝切换至“变流量”运行，为可再生能源波动场景下的快速响应奠定仿真基础。

图：3MW电解槽出口处的质量流量，以及泵后阴极和阳极循环质量流量的仿真和实测曲线

四、结论

(1) 在 3 MW 级碱性电解系统上，首次验证了水平气-液分离器出口质量流量作为基准的循环质量平衡方法，实测与仿真偏差 < 2 %。

(2) 100 % 恒定泵功率策略可确保宽电流范围内循环流量稳定，控制简单，适合基础负荷制氢。

(3) 所建模型已嵌入电流-耗水耦合项，为未来变负荷、变流量及可再生能源直连场景提供了高保真度预测工具。