Водородная станция серия М

Proton OnSite, мировой лидер в сфере разработки систем для локального производства водорода и инновационных решений для производства газов, открыта для сотрудничества и готова в рамках совместного проекта осуществить поставку своих платформ серии M - 100/200/400 с выходным давлением 30 бар.

В водородной станции серии M с выходным давлением 30 бар используется электролитическая технология на основе протонообменной мембраны (ПОМ) для производства водорода чистотой до 99.9995% со скоростью от 100 до 400 м3/ч при полном избыточном давлении 30 бар. Данная установка для локального получения водорода представляет собой безопасное и надежное решение, исключающее использование щелочи, благодаря чему она полностью удовлетворяет требованиям различных производств. Кроме того, водородные электролитические системы серии M компактны, просты в установке и благодаря своей передовой технической конструкции требуют минимального обслуживания и наблюдения на протяжении всего срока эксплуатации.
В наших водородных системах серии M используется передовая технология на основе ПОМ для удовлетворения потребностей клиентов в локальном производстве водорода по запросу и предоставления высокоэффективных индивидуализированных решений. Конструкция установки предусматривает возможность как непрерывной, так и периодичной работы, и подходит для стандартных производственных процессов, требующих непрерывного снабжения газом, а также для аккумуляторов энергии, работающих на импульсных источниках питания. Универсальная в этом плане система производства водорода создает выходной поток водорода, который автоматически регулируется для соответствия потреблению технологического пользовательского процесса. Требования к техобслуживанию значительно проще, чем для альтернативных технологий, а конфигурация с избыточным выходным давлением 30 бар обеспечивает непревзойденную безопасность и надежность. Применяя на практике наш опыт работы с ПОМ-технологией для поддержки различных промышленных приложений во всем мире, мы предлагаем электролизеры, расход которых варьируется в диапазоне от 5 до 7000 л/мин с возможностью расширения посредством модульной конструкции для обеспечения практически неограниченной производственной мощности.


Водородная станция, схематическое изображение
Модуль для производства водорода.

Выходная производительность по водороду: 0-400 м3/ч
Система серии M имеет модульный дизайн, который позволяет легко конфигурировать платформу из электролитических модулей мощностью 250 кВт и производительностью 50 м3/ч. Эти модули могут быть добавлены к уже установленной базовой конфигурации для увеличения максимальной производительности системы по водороду в случае роста потребности с течением времени. Выходная производительность, независимо от максимальной производительности полной конфигурации, может регулироваться напрямую в соответствии с требованиями процесса в диапазоне 0-100% от номинальной мощности. Установки серии М могут быть сконфигурированы для работы в режиме следования за командой, позволяя пользователю эксплуатировать систему с учетом доступного источника энергии. Помимо этого, система может быть сконфигурирована для производства водорода партиями (например, для заполнения резервуара) или в режиме подачи непрерывного потока (следование за нагрузкой). Контроль за производством водорода можно осуществлять посредством дистанционного управления с очень быстрым временем отклика. Время отклика на внешние нагрузки проиллюстрировано на диаграмме, представленной ниже, которая демонстрирует превосходные показатели электролиза с ПОМ в приложениях возобновляемой энергии. Компания Proton OnSite - единственный изготовитель газогенераторных систем, обладающий техническими знаниями и опытом разработки конструкций ПОМ-модулей с высоким избыточным давлением, что практически исключает риск попадания кислорода в поток водорода. Таким образом, понятие опасности, обусловленной наличием кислорода, фактически устаревает, свидетельствуя, что разработанный компанией Proton метод с использованием ПОМ является безопасным, современным методом газового производства.



Чистота водорода: 99.9998%
Реализация технологии на основе ПОМ компании Proton, а именно, работа батареи электролитических элементов при высоком избыточном давлении газа устраняет необходимость в использовании улавливающего кислород катализатора благодаря крайне низкому содержанию кислорода (<1 ppm) в получаемом потоке водорода. Содержание других примесей, таких как азот, СО, СО2 или углеводороды также не превышает 1 ppm. Единственным загрязнителем водорода на выходе из электролизного модуля является водяной пар, который удаляется встроенными автоматически регенерируемыми осушителями, что позволяет получать на выходе водород чистотой 99,9998% и с точкой росы – 70 °С.

Сертифицировано по ISO22734-1:2008
Система производства водорода серии M прошла независимую сертификацию (TUV Rhineland) на соответствие техническим требованиям, изложенным в стандарте ISO 22734-1:2008. Стандарт ISO 22734-1:2008 определяет требования к конструкции, безопасности и производительности полностью укомплектованных устройств и установок, изготавливаемых для нужд предприятий, производящих водород посредством электрохимических реакций, а именно, электролизом воды с образованием газообразных водорода и кислорода.

Современные операционная система и система безопасности
В генераторе водорода серии M для безопасного контроля за ходом электролиза используется комбинация инструментов, мониторинг которых производится ПЛК аварийной защиты (SIL3/Cat.3/PLe) и ПЛК операционной системы. ПЛК аварийной защиты отслеживает состояние таких устройств, как вентиляция и кнопка аварийного отключения, детекторы дыма, горючего газа и огня, а также некоторых датчиков давления и температуры. ПЛК операционной системы отвечает за выполнение последовательности автоматического запуска системы и отслеживает примерно 130 параметров, отклонения которых могут привести к возникновению в системе аварийной ситуации или ее отключению. В техническом решении системы реализована концепция аварийной безопасности, которая гарантирует, что система находится в нейтральных и безопасных условиях после отключения по какой бы то ни было причине не прибегая к использованию блока бесперебойного питания (UPS).

Сигнал удаленного доступа для контроля выходных параметров водорода.
Система производства водорода серии M принимает сигнал, подаваемый конечным пользователем для запроса выработки водорода исходя из желаемой электрической нагрузки. Этот сигнал подобен сигналу датчика давления продукта, который используется в режиме "следования за нагрузкой", за исключением того, что, чем выше сигнал команды, тем большая производительность по водороду требуется. Схема регулировки режима следования за командой подобна режиму "полного заполнения резервуара", который предполагает следующий механизм действий: когда давление продукта достигает заданного значения, система постепенно снижает количество производимого продукта и переходит в состояние Подготовка / Готов к запуску.

Модульный дизайн и комплектация позволяют легко интегрировать установку на предприятии заказчика.
Система производства водорода серии М спроектирована таким образом, что ее основные функции разделены на соответствующие модули, которые изготавливаются и тестируются независимо, но в то же время могут быть быстро соединены при подключении по месту на предприятии заказчика. Главный модуль системы – электролитический, состоит из восьми батарей электролитических элементов, резервуара для воды, сепаратора газообразного кислорода, теплообменника основного процесса и водяного циркуляционного насоса. Каждый из 250-киловаттных электролитических модулей оснащен соответствующим выпрямителем и блоком распределения электропитания, которые регулируют уровень тока, подаваемого к каждой из батарей. Пара 250-киловаттный электролитический модулей / выпрямитель дает возможность в определенной мере снизить степень операционного риска для мегаваттной и мультимегаваттной платформ серии М, а также обеспечить существенный уровень дублирования. Водород отводится из электролитического модуля в систему контроля и обработки газообразного водорода, где производится его отделение и сжатие. По требованию пользователя газообразный водород подается на осушитель для дальнейшей очистки. Система поставляется со всей сопутствующей трубной развязкой и электропроводкой, необходимой для подключения главных электролитических модулей во время инсталляции у конечного пользователя.


Комплект для установки в помещении включает следующее оборудование:

  • Трансформатор среднего напряжения поставляется для перехода от напряжения, обеспечиваемого пользователем (обычно 10 кВ или 20 кВ, трехфазное, 50/60 Гц с допустимым колебанием входного напряжения ±10% от номинального) к низкому напряжению, от которого питается распределительное устройство (поставляемое компанией Proton), подающее электричество к выпрямителям батареи электролитических элементов.
  • Модули водородного и кислородного процессов
  • Функции системы контроля и обработки воды и кислорода:
  • Прокачивает воду через батарею электролитических элементов
  • Подает воду для электролиза к батарее элементов
  • Отводит тепло от батареи элементов для поддержания в них стабильной температуры
  • Регулирует давление кислорода
  • Отделяет жидкую водную фазу от газообразного кислорода, образующегося в процессе электролиза
  • Отслеживает чистоту воды, минимальный расход воды в батарее, количество/уровень воды, температуру воды/кислорода на выходе из батареи, давление в модулях, содержание горючего газа в производимом газообразном кислороде и давление воды во входном трубопроводе каждой батареи элементов.
  • Обеспечивает выбор и подачу газов из отдельных камер вручную для периодического проведения техобслуживания
  • Обеспечивает водоподготовку с целью удаления из нее следовых количеств ионов.
  • Реле расхода гарантируют надлежащую подачу потоков к батарее электролитических элементов.



Функции системы контроля и обработки газообразного водорода:
  • Отделяет жидкую «протонированную воду» (прошедшую через мембраны батареи элементов вместе с газообразным водородом, полученным во время электролиза) от водорода
  • Охлаждает газ и конденсирует водяной пар из потока газообразного водорода, возвращая его в систему обработки газа для повторного использования
  • Осушает водород до требуемого значения точки росы при помощи опционального осушителя, работающего по принципу короткоцикловой адсорбции
  • Создает и регулирует противодавление в системе с водородной стороны батареи элементов
  • Возвращает протонированную и конденсированную воду в систему обработки воды и кислорода для повторного использования в процессе
  • Следит за давлением водорода в системе, температурой и содержанием протонированной воды
  • Предотвращает противоток выходящего водорода обратно в систему
  • Опционально возможен мониторинг расхода водорода и точки росы водорода
  • При необходимости выбрасывает часть водорода в систему вентиляции в условиях низкого уровня тока



Батареи элементов и выпрямители

Батареи образованы элементами, состоящими из слоев протонообменных мембран (ПОМ), имеющих последовательное электрическое соединение и внутреннюю трубную обвязку с параллельным подключением для подачи жидкости к каждому элементу. Батарея элементов имеет вход для воды, выход воды/водорода, контакт положительной шины, контакт отрицательной шины, монтажные крепежи. Поток деионизированной дистиллированной воды попадает в батарею через входной порт для воды и далее разделяется внутри батареи, поступая по входной трубной обвязке к каждому из электролитических элементов. Небольшая порция воды, протекающей через каждый элемент, попадает на анод (+) и расщепляется на ион кислорода и протоны при пропускании постоянного тока через контакты шин батареи; пузырьки кислорода, формирующиеся на аноде, вовлекаются в основной поток. Основная часть воды, протекающей через каждый элемент, уносит кислород и отводит от элементов тепло, вытекая через выходную трубную обвязку батареи.

Водород образуется внутри камеры с катодом каждого ПОМ-элемента при поступлении на анод элемента воды и подаче тока на шину батареи. Когда постоянный ток подается к батарее элементов, идет производство водорода. Притяжение молекул воды к положительному заряду протонов, прошедших через протонообменную мембрану, приводит к формированию потока жидкой воды, также транспортируемой через мембрану. Она носит название «протонированная вода». Водород и вода от каждого действующего элемента собираются во внутренней трубной обвязке катода батареи элементов и выходят из нее за счет давления в системе.

Выпрямители тока (AC/DC) превращают входной переменный ток в постоянный, необходимый для питания батарей электролитических элементов. Постоянный выходной ток выпрямителя регулируется системным ПЛК с целью контроля объема производимого газообразного водорода. Существует три основных режима работы:

Режим следования за командой: Если необходим локальный контроль, пользователь вводит желаемое значение выработки продукта в процентах от производительности системы. В режиме следования за командой для представления требуемого процента производительности также можно использовать внешний сигнал 4 - 20 мА, подаваемый пользователем. При этом источнику питания батареи электролитических элементов дается команда вырабатывать ток пропорционально команде. При достижении максимального давления продукта установка перейдет в режим остановки работы.

Режим заполнения резервуара: Источнику питания батареи электролитических элементов дается команда обеспечить подачу максимально возможного тока. При достижении установленного максимального значения давления продукта (т.е. соответствующего полностью заполненному резервуару) установка переходит в холостой режим. Когда давление продукта упадет ниже заданного порогового значения давления для наполнения резервуара, снова будет подан максимальный ток.

Режим следования за нагрузкой: Выходной ток варьируется на основе обратной связи от датчика, детектирующего рабочее давление. Ток снижается, когда датчик показывает, что давление приближается к заданной величине. Ток увеличивается при уменьшении давления.

Режим сниженной производительности:
Цель режима сниженной производительности заключается в том, чтобы поддержать функционирование системы в случае отказа некоторых компонентов системы. В случае сбоя в работе системы электроснабжения батареи элементов, переключателя потока воды либо в условиях высокой температуры воды система продолжит работать таким образом, чтобы поддержать работоспособность оборудования системы безопасности, уменьшив в то же время объем производимого водорода.

Система управления на базе ПЛК
В водородных установках серии М управление работой системы и контроль безопасности осуществляются при помощи ПЛК.

Технические характеристики водородной станции серия М

Модели серии М

M100

M200

M400

Описание

Крупномасштабный, модульный, имеющий рамочное основание генератор водорода для локального производства газа. Работа в режиме следования за нагрузкой предполагает автоматическую регулировку подаваемого на вход потока для соответствия питанию, либо выходящего продукта для соответствия потреблению.

Электролит

Протонообменная мембрана (ПОМ) – бесщелочной

Производительность по водороду *:

105 м3
226 кг за 24 часа

209 м3
452 кг за 24 часа

419 м3
905 кг за 24 часа

Давление на выходе

30 бар

Чистота водорода*

> 99.9998%
(водяной пар < 5 ppm -65°C точка росы, N2 < 2 ppm, O2 < 1 ppm, все остальные ниже предела обнаружения)

Количество батарей элементов

2

4

8

Энергопотребление

0.52 МВт @ батареи элементов

1 МВт @ батареи элементов

2.1 МВт @ батареи элементов

КПД

5.4 кВт/м3
60.3 кВт ч/кг

5.3 кВт/м3
59.1 кВт ч/кг

5.3 кВт/м3
59.1 кВт ч/кг

Максимальный расход деионизированной воды

93 л/ч

187 л/ч

373 л/ч

Электрические спецификации

Типичная установка: 10 кВ и 20 кВ, 3 фазы + нейтраль, 50 Гц/60 Гц; для подключения к более низкому напряжению проконсультируйтесь с отделом разработки и применения компании Proton насчет особых требований и опций, а также насчет вспомогательного оборудования, питание которого обеспечивает сам пользователь или опционально Proton OnSite.

Модель M100 M200 M400
Размеры
Классифицированное помещение Модуль циркуляции воды (мм) 5649 Ш x 813 Г x 2235 В 10160 Ш x 813 Г x 2235 В
Модуль контроля состояния и обработки газообразного водорода (мм) 3505 Ш x 610 Г x 2235 В 3505 Ш x 610 Г x 2235 В
Неклассифицированное помещение Источник питания (каждый) (мм) 1200 Ш x 675 Г x 2410 В
No. источника питания 2 4 8
Блок распределения переменного тока (мм) 1005 Ш x 699 Г x 2413 В
ЩУЭ (мм) 2000 Ш x 490 Г x 2200 В
Блок управления (мм) 1800 Ш x 290 Г x 1800 В
Вес
Классифицированное помещение Модуль циркуляции воды (kg) 5532 6242 10403
Модуль контроля состояния и обработки газообразного водорода (кг) 591 591 591
Неклассифицированное помещение Источник питания (каждый) (кг) 1250 1250 1250
Блок распределения переменного тока (кг) 1500 1500 1500
ЩУЭ (кг) 909 909 909
Блок управления (кг) 275 275 275

Генераторы водорода меньшей производительности

Серия G

Лабораторный генератор водорода
Модель
G200
G400
G600
Производительность:
см3/мин
200
400
600
Чистота
99.9995%
Выходное давление
8 бар

Серия S

Модель S10 S20 S40
Производительность:
л/час
250 500 1000
Чистота 99.9995%
Выходное давление 13,8 бар

Серия Н

Модель H2 H4 H6
Производительность:
м3/час
2 4 6
Чистота 99.9995%
Выходное давление 15 бар / 30 бар

Серия С

Модель С10 С20 С30
Производительность:
м3/час
10 20 30
Чистота 99.9998%
Выходное давление 30 бар