СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ПО ЗАМКНУТОМУ КОНТУРУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОТРЕБНОСТИ
METHOD FOR CONTROL OF ELECTROCHEMICAL INSTALLATION IN CLOSED LOOP DEPENDING ON NEEDS

Настоящее изобретение относится к способу управления по замкнутому контуру в зависимости от потребности электрохимической установкой, которая включает в себя модули и блок управления, причем каждый модуль управляется блоком управления индивидуально и снабжается специфичным для каждого модуля электрическим рабочим током, чтобы каждый модуль генерировал отдельный поток продукта, при этом потоки продукта индивидуальных модулей, соединенных параллельно относительно их потоков продукта, объединяются для формирования общего потока продукта установки.
Энергопотребление химических предприятий занимает значительную долю в энергопотреблении всей промышленности, поэтому существует выраженный интерес к снижению энергопотребления химических предприятий как по экономическим, так и по экологическим причинам.
Одним из примеров особенно энергоемких установок являются электролизные установки, например, установки электролиза воды или установки хлорно-щелочного электролиза. Основу таких установок составляют последовательно соединенные ячейки, которые образуют модули, также называемые стеками. Такая структура также используется в технологии топливных элементов или батарей. На типичных крупномасштабных химических предприятиях большое количество таких модулей работает параллельно для создания желаемого общего потока продукта, например, потока материала или электрического тока, т.е. для осуществления управления электрохимической установкой по замкнутому контуру в зависимости от потребностей. Если общий поток продукта установки должен покрываться только за счет возобновляемых источников энергии, необходимо, чтобы установка была достаточно гибкой. Высокая степень гибкости установки обеспечивает максимально полное и быстрое преобразование сильно меняющейся энергии, поступающей от возобновляемых источников, в общий поток продукта. В качестве положительного побочного эффекта, такие гибкие установки могут также использоваться для эффективного и практичного сглаживания пиков мощности, вызываемых сильным ветром или интенсивной солнечной радиацией, чтобы поддерживать стабильность сети. В этом отношении от таких установок требуется как особая энергоэффективность, так и способность реагировать как можно более гибко.
В документе EP 2350352 B1 раскрывается система подачи электроэнергии для электролитического производства водорода из энергии ветра, а также раскрывается способ управления распределением электроэнергии от ветряной электростанции по множеству электролизных модулей для производства водорода. Используемая система управления настроена на поддержание степени использования модулей как можно ближе к уровню электрической энергии, поставляемой ветряной электростанцией, что особенно проблематично в случае значительных колебаний силы ветра, т.е. на использование как можно большей части возобновляемой энергии для производства водорода. Для этого рабочий ток модуля выбирается на основе доступной энергии постоянного тока, генерируемой ветряной электростанцией, чтобы иметь возможность использовать как можно больше энергии ветра в производстве водорода.
Недостатком таких установок является то, что они эксплуатируются далеко от оптимальной рабочей точки энергоэффективности, так что такие установки предшествующего уровня техники имеют повышенное общее энергопотребление, что ни экономически, ни экологически нецелесообразно. В частности, в известных из уровня техники системах или при управлении такими системами по замкнутому контуру не учитываются индивидуальные возрастные характеристики и режимы работы индивидуальных модулей, хотя они оказывают значительное влияние на КПД всей установки и, соответственно, на ее общее энергопотребление.
В документах US 20190127867 A1 и US 20180291516 A1 описывается электролитическая система, включающая в себя генератор энергии, который выдает первую энергию постоянного тока, множество преобразователей, каждый из которых преобразует первую энергию постоянного тока во вторую энергию постоянного тока в соответствии с целевым рабочим циклом и выдает информацию о напряжении и токе второй энергии постоянного тока, множество электролизеров, схему управления и схему выбора. Каждый из электролизеров получает вторую энергию постоянного тока, которая выдается соответственно назначенным преобразователем. Схема управления выдает управляющую информацию, с помощью которой первая энергия постоянного тока приближается к максимальному уровню энергии, на основе величины напряжения и величины тока первой энергии постоянного тока. Схема выбора выдает целевой рабочий цикл и сигнал выбора, чтобы выбрать каждый из множества электролизеров и каждый из множества преобразователей, на основе информации управления и информации о напряжении и токе.
В связи с этим, в основу изобретения положена задача предложить способ управления электрохимической установкой по замкнутому контуру в зависимости от потребности, характеризующийся минимально возможным общим потреблением энергии, максимально экономичной и экологичной работой, а также высокой степенью гибкости, позволяющей удовлетворять сильно меняющуюся общую потребность в потоке продукта.
Эта задача решается с помощью упомянутого в начале общего способа, который характеризуется тем, что при выполнении начального условия блоком управления выполняются этапы, на которых:
- регистрируют общую текущую потребность в потоке продукта,
- регистрируют КПД по току модулей электрохимической установки в зависимости от соотношения соответствующего рабочего тока и потока продукта,
- идентифицируют готовые к использованию модули,
- определяют специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи готовых к использованию модулей для покрытия общей текущей потребности в потоке продукта из диапазона специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов в зависимости от КПД модулей и общей текущей потребности в потоке продукта,
- устанавливает рабочие токи готовых к использованию модулей в соответствии с определенными специфичными для каждого модуля целевыми рабочими токами.
Отличительным признаком модулей, рассматриваемых в контексте настоящего изобретения, является то, что они могут быть охарактеризованы с точки зрения их КПД. Такими модулями могут быть, например, электролизные модули, вольт-амперная характеристика которых представляет собой целое семейство различных рабочих точек модуля. Кроме того, процесс старения модулей также отражается на вольт-амперной характеристике, поскольку старые и, следовательно, менее энергоэффективные модули требуют более высокого напряжения для обеспечения того же тока или потока продукта.
Существенным отличительным признаком предлагаемого в настоящем изобретении способа является то, что химическая установка, управляемая по замкнутому контуру в зависимости от потребности, включает в себя помимо отдельных модулей блок управления, предназначенный для индивидуальной активации модулей. Такая активация заключается, в частности, в том, что блок управления снабжает каждый модуль специфичным для каждого модуля электрическим рабочим током. Установка построена таким образом, что потоки продукта индивидуальных модулей объединяются в установке в общий поток продукта.
Для предлагаемого в настоящем изобретении способа характерно, что при выполнении начального условия блок управления выполняет следующие этапы:
Регистрирует общую текущую потребность в потоке продукта. Это необходимо постольку, поскольку химическая установка должна покрывать общую потребность в потоке продукта.
Кроме того, регистрируется КПД каждого модуля. Это важный этап предлагаемого в настоящем изобретении способа для того, чтобы иметь возможность управлять химической установкой по замкнутому контуру как можно более энергоэффективно. КПД каждого модуля зависит от соотношения рабочего тока каждого модуля и соответствующего потока продукта, генерируемого модулем. КПД модулей не является постоянной величиной, и зависит, например, от старения модуля или от рабочей температуры.
Кроме того, частью предлагаемого в настоящем изобретении способа является регистрация имеющихся в распоряжении модулей. В частности, также возможно учитывать только готовые к использованию модули: неисправные или находящиеся на обслуживании модули не могут вносить вклад в покрытие общей потребности в потоке продукта и поэтому не учитываются, так что выпадающие вклады таких модулей должны, по возможности, компенсироваться готовыми к использованию модулями. Не готовым к использованию модулям назначается целевой рабочий ток, практически равный нулю, так что такие модули по сути отключаются. Согласно изобретению, может предусматриваться, что при идентификации модулей могут определяться не только модули как таковые, но и общая текущая способность генерировать поток продукта. Такая информация ценна для управления установкой по замкнутому контуру, например, для буферизации избытка поступающей энергии, в частности, возобновляемой энергии. В этом контексте, в рамках предпочтительного усовершенствования может предусматриваться, что в течение некоторого периода времени индивидуальные модули будут работать с перегрузкой, например, 110%, чтобы иметь возможность внести особенно большой вклад в стабильность сети.
На следующем этапе предлагаемого в настоящем изобретении способа определяют специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи, чтобы покрыть общую потребность в потоке продукта. Такое определение осуществляется на специфичной для каждого модуля основе, т.е. в данном способе предусмотрено, что каждому модулю назначается индивидуальный целевой рабочий ток. Целевые рабочие токи выбираются из диапазона допустимых специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов. Нижняя граница такого диапазона задается, например, целевым рабочим током, который необходим для того, чтобы модуль вообще начал работать. Верхняя граница целевого рабочего тока задается, например, током, при котором модуль работает на пределе своей максимальной нагрузки без получения неприемлемого ущерба, т.е. за пределами нормальных эффектов старения.
Однако специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи определяются не только на основании того, что поддерживается допустимый диапазон целевых рабочих токов и удовлетворяется общая потребность в токе продукта. Вместо этого, специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи определяются как функция КПД модулей и общей текущей потребности в потоке продукта. В то время как зависимость целевых рабочих токов от общей потребности в потоке продукта объясняется тем, что существует прямая зависимость между снабжением модулей некоторым целевым рабочим током и общим генерируемым потоком продукта, и поэтому целевые рабочие токи должны всегда определяться с учетом общей потребности в потоке продукта, при этом зависимость целевых рабочих токов модулей от КПД модулей является нетривиальной зависимостью. Такой учет КПД модулей при определении целевых рабочих токов позволяет особенно выгодным способом эксплуатировать установку в энергосберегающем режиме.
После того как рабочие токи модулей будут установлены на специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи для удовлетворения общей потребности в потоке продукта энергоэффективным способом, предлагаемый в настоящем изобретении способ может быть запущен снова с самого начала, например, с помощью блока управления, контролирующего установку на наличие нового начального условия.
Таким образом, предлагаемый в настоящем изобретении способ не только обеспечивает энергоэффективную работу, но и основанное на потребности управление электрохимической установкой по замкнутому контуру для удовлетворения общей потребности в потоке продукта также вносит значительный вклад в стабильность сети, поскольку пики напряжения и/или тока, вызванные избытком энергии, в частности энергии, получаемой из возобновляемых источников, могут быть буферизованы путем выбора общего потока продукта или общей потребности в потоке продукта, генерируемого предлагаемым в изобретении способом, таким образом, что для этой цели используется конкретное количество электрической энергии, в частности энергии, подлежащей буферизации.
В усовершенствованном варианте предлагаемого в настоящем изобретении способа для определения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов соответствующие модули сортируют в соответствии с их текущими уровнями КПД и повышают или понижают в этом порядке до тех пор, пока не будет удовлетворена общая текущая потребность в потоке продукта. В результате, в случае увеличения или уменьшения общей потребности в потоке продукта, наиболее эффективные или наименее эффективные модули снабжаются большим или меньшим целевым рабочим током. Это гарантирует, что модули, которые в настоящее время характеризуются особенно высоким КПД, будут работать с высоким коэффициентом использования или с большим целевым рабочим током, а неэффективные модули будут работать с низким коэффициентом использования или маленьким целевым рабочим током.
Упорядочение или сортировка модулей в соответствии с их КПД для упорядоченного увеличения или уменьшения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов может потребовать много времени, так что гибкость в отношении покрытия сильно меняющейся общей потребности в потоке продукта больше не может быть гарантирована. Эта проблема может быть решена предлагаемым в настоящем изобретении предпочтительным усовершенствованием, предусматривающим минимизацию времени, необходимого для сортировки n модулей с помощью алгоритма, который масштабируется согласно выражению n*log(n). Например, в качестве алгоритма сортировки может использоваться так называемый алгоритм быстрой сортировки, который масштабируется, как упоминалось выше, и позволяет предлагаемому в настоящем изобретении способу достаточно быстро реагировать на изменение общей потребности в потоке продукта даже при применении на установках с большим количеством модулей.
m
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения, для определения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов (I), соответствующие модули (M) сортируются в соответствии с параметром жизненного цикла каждого модуля и повышаются или понижаются в этом порядке до тех пор, пока не будет покрыта общая текущая потребность в потоке (B) продукта. Параметр жизненного цикла рассчитывается исходя из текущего КПД модулей и поправочного коэффициента, учитывающего затраты на техническое обслуживание электрохимической установки. Учет затрат на техническое обслуживание позволяет улучшить эксплуатацию установки с точки зрения ее общей стоимости эксплуатации (общей стоимости владения). Поправочный коэффициент генерирует отклонение от наиболее эффективной на данный момент рабочей точки установки, что допускает неравномерное старение модулей с точки зрения их КПД. Расходы на техническое обслуживание установки зависят от способа ее эксплуатации. Например, затраты на техническое обслуживание могут быть снижены за счет требования проводить осмотр системы только через конкретные интервалы технического обслуживания и избегать простоев и остановок. Для снижения затрат на обслуживание, выгодно обслуживать или заменять часть модулей, например, от 10% до 20% модулей по скользящему графику по истечении интервала между техническими обслуживаниями несмотря на то, что установка работает. Для этой цели выгодно, если модули, подлежащие замене, имеют больший срок службы и, следовательно, меньший КПД, чем остальные модули установки. Кроме того, выгодно, чтобы после технического обслуживания или замены, в режиме частичной нагрузки использовались не только те модули, которые обслуживались последними, вследствие того, что они имеют более высокий КПД. Эти преимущества достигаются благодаря поправочному коэффициенту, учитывающему затраты на обслуживание установки.
Предпочтительно, поправочный коэффициент определяется в зависимости от общего количества заряда, прошедшего через соответствующий модуль в течение срока его службы, и/или в зависимости от возраста соответствующего модуля, и/или в зависимости от положения модуля в электрохимической установке. В электрохимических ячейках модулей происходят различные процессы старения, прогрессирование которых требует обслуживания или замены в некоторый момент времени. Одна группа явлений старения в основном зависит от общего количества заряда, прошедшего через модуль. К ней относятся, например, снижение ионной проводимости сепараторов и качества покрытий электродов. Другие явления старения, например коррозионные явления старения, зависят в первую очередь от возраста модуля. Принимая во внимание положение модуля в электрохимической установке, можно также повлиять на то, чтобы модули, подлежащие обслуживанию или замене, были пространственно максимально сконцентрированы, например, в одном блоке или секции установки. Таким образом, можно еще больше снизить затраты на техническое обслуживание.
Определение специфичных для каждого из готовых к использованию модулей целевых рабочих токов для покрытия общей потребности в потоке продукта предпочтительно выполняется итеративно, используя предварительный расчет КПД, который может быть достигнут каждым индивидуальным модулем, и предполагая пошаговое изменение соответствующего рабочего тока для каждого модуля. Итерационные методы хорошо подходят для оптимизации работы сложных установок в меняющихся условиях эксплуатации, поскольку они позволяют быстро и эффективно адаптироваться к меняющимся условиям, начиная с текучего рабочего состояния.
В предпочтительном варианте осуществления итерация основана на жадном алгоритме, т.е. на алгоритме, который пошагово выбирает последующее состояние, которое обещает наилучшее изменение КПД установки на момент выбора.
Кроме того, итерация предпочтительно выполняется с адаптивным размером шага, который выбирается в зависимости от текущего отклонения общего потока продукта от общей потребности в потоке продукта. Это позволяет улучшить конечное состояние, достижимое с помощью итерации, по отношению к теоретическому оптимуму.
В предпочтительном усовершенствованном варианте, при определении специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов, КПД модулей взвешивается с использованием весового коэффициента, который зависит от отношения специфичного для каждого модуля целевого рабочего тока к сумме специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов всех модулей. Это позволяет эксплуатировать химическую установку еще ближе к оптимуму энергоэффективности, поскольку учитывается влияние изменения КПД индивидуального модуля на общий КПД.
При практической эксплуатации химической установки, в соответствии с усовершенствованием предлагаемого в настоящем изобретении способа основное внимание уделяется не только хорошей энергоэффективности, но и способности достаточно быстро обрабатывать сильные изменения общей потребности в потоке продукта, т.е. возможности достаточно гибко адаптировать степень использования установки к сильно меняющейся потребности. В рамках усовершенствования предлагаемого в настоящем изобретении способа, это достигается тем, что блок управления назначает всем модулям минимальный рабочий ток, соответствующий базовой нагрузке. Минимальный рабочий ток обеспечивает, среди прочего, поддержание минимальной температуры всех модулей, например, модулей электролизной установки, что позволяет всем модулям иметь некоторый минимальный КПД. В противном случае, холодные электролизные модули могли бы не учитываться блоком управления из-за их слишком низкого КПД, так что общая потребность в потоке продукта могла бы быть не удовлетворена.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа, блок управления является блоком управления установкой. Только из соображений безопасности такой блок управления установкой в любом случае требуется почти для всех химических установок, поэтому для осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа не требуется дополнительных аппаратных средств управления. В дополнение к преимуществам, описанным выше в отношении энергоэффективной работы установки, это делает использование предлагаемого в настоящем изобретении способа особенно привлекательным на широком спектре химических предприятий.
Этапы предлагаемого в настоящем изобретении способа не выполняются до тех пор, пока не будет выполнено начальное условие. Такое начальное условие может заключаться в том, что генерируемый в данный момент поток продукта отклонился от общей потребности в потоке продукта на заранее заданную величину. Такое начальное условие охватывает как изменение КПД модулей, что приводит к изменению общего потока продукта, так и изменение общей потребности в потоке продукта. В качестве начального условия также можно рассматривать ввод в эксплуатацию или вывод из эксплуатации индивидуальных модулей. Если, например, индивидуальные модули выводятся из эксплуатации для проведения технического обслуживания, то эти модули уже не могут покрывать общую потребность в токе продукта. Обеспечивая описанное выше начальное условие, предлагаемый в настоящем изобретении способ оценивает модуль, выведенный из эксплуатации, как неготовый к использованию, так что вклад выведенного из эксплуатации модуля принимает на себя другой модуль. Процедура аналогична для дополнительно вводимых в эксплуатацию модулей, например, при оснащении системы новыми модулями.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа в качестве начального условия используется повышение или понижение температуры модулей, определяемое блоком управления, на заранее заданную максимальную величину. Это означает, что предлагаемый в настоящем изобретении способ может предотвращать перегрев отдельных модулей или работу модулей при температуре, ниже желаемой рабочей температуры, что не позволяет достичь наилучшего КПД. Аналогичным образом, истечение заранее заданного периода времени может использоваться в качестве особенно простого начального условия.
В особенно предпочтительном усовершенствовании предлагаемого в настоящем изобретении способа, электрохимическая установка представляет собой установку электролиза воды. Поскольку энергоэффективность играет особенно важную роль в установке электролиза воды, а различные модули могут иногда демонстрировать огромные различия и колебания в КПД, преимущества предлагаемого в настоящем изобретении способа применительно к установке электролиза воды могут быть особенно заметными.
В рамках еще одного варианта осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа, КПД индивидуальных модулей может определяться на основе вольт-амперной характеристики. Это может быть характерно, например, для электролизных модулей или также для батарей. Чем выше КПД таких электролизных или батарейных модулей, тем ниже рабочее напряжение при конкретном целевом рабочем токе. Старение модулей проявляется, например, в том, что кривая вольт-амперной характеристики смещается в сторону более высоких напряжений по оси ординат.
В предпочтительном варианте усовершенствования предлагаемого в настоящем изобретении способа, КПД индивидуальных модулей сохраняется в блоке управления для документирования старения модулей. Преимущество такого подхода заключается в том, что старение модуля постоянно регистрируется, и можно своевременно начать закупку новых или восстановление старых модулей. Таким образом можно эффективно избегать отказов модулей и неэффективной работы чрезмерно состарившихся модулей. Кроме того, такая функция сохранения позволяет особенно просто назначать холодным и, следовательно, неэффективным модулям последнее сохраненное значение КПД, так что назначается более реалистичное значение КПД модулей с учетом температурной зависимости электрохимической реакции, чем это было бы в случае использования КПД холодных модулей.
В предпочтительном варианте осуществления, измеренные блоком управления КПД добавляются в качестве точек данных в специфичную для каждого модуля модель прогнозирования текущей вольт-амперной характеристики соответствующего модуля. Добавление точек данных обновляет модель по мере старения модуля. Модель прогнозирования вольт-амперной характеристики позволяет прогнозировать и учитывать КПД соответствующего модуля в любой рабочей точке.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа, на конкретные модули в течение заранее заданного времени подается заранее заданный балансировочный рабочий ток, чтобы повысить КПД готовых к использованию модулей, причем это повышение КПД учитывается при определении специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов. С помощью такого балансировочного рабочего тока можно более точно определять индивидуальные КПД модулей, что еще больше повышает точность способа.
Предпочтительные усовершенствования изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, нижеследующего описания и чертежей.
Далее изобретение описывается более подробно на примере вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. На чертежах показано:
на фиг. 1 – блок-схема этапов предлагаемого в настоящем изобретении способа;
на фиг. 2 – блок-схема этапов предлагаемого в настоящем изобретении способа в предпочтительном усовершенствованном варианте осуществления, в котором модули сортируются в соответствии с их текущим КПД и поднимаются или опускаются в соответствии с этим порядком; и
на фиг. 3 – блок-схема этапов предлагаемого в настоящем изобретении способа в альтернативном предпочтительном усовершенствованном варианте осуществления, в котором определенный специфичный для каждого модуля целевой рабочий ток изменяют путем умножения на весовой коэффициент; и
на фиг. 4 – схематическое изображение предлагаемого в настоящем изобретении способа, реализуемого на базе установки электролиза воды, которая включает в себя блок управления и множество параллельно соединенных модулей, которые сформированы из последовательно соединенных электролизных ячеек.
На различных чертежах одни и те же элементы всегда обозначены одинаковыми ссылочными позициями и поэтому обычно называются или упоминаются в каждом случае только один раз.
Предлагаемый в настоящем изобретении способ управления электрохимической установкой по замкнутому контуру в зависимости от потребности применим к установкам, которые состоят из модулей и блока управления. Каждый модуль индивидуально управляется блоком управления и снабжается специфичным для каждого модуля электрическим рабочим током. Поток продукта генерируется путем снабжения модулей электрическим рабочим током. Такой поток продукта может представлять собой, например, хлор и гидроксид натрия в случае хлорно-щелочного электролиза или водород в случае электролиза воды. В случае, когда установка представляет собой батарею, поток продукта представляет собой просто электрический ток. В любом случае, потоки продуктов, генерируемые отдельными модулями, объединяются в общий поток.
На фиг. 1 схематично показаны основные этапы способа, выполняемые блоком управления. Если начальные условия выполняются, этапы включают в себя:
регистрацию общей текущей потребности в потоке продукта (1). Общая текущая потребность в потоке продукта может сильно меняться. Возможны чрезвычайно сильные колебания общей потребности в потоке продукта, особенно в случае с батареями.
Как только зарегистрирована общая потребность в потоке продукта, определяют КПД модулей электрохимической установки (2). КПД зависит от соотношения соответствующего рабочего тока и потока продукта.
На следующем этапе идентифицируют модули (3), в частности, какие модули действительно доступны. В ряде случаев могут также идентифицироваться готовые к использованию модули: модули, не готовые к использованию – это, например, неисправные модули или модули, выведенные из эксплуатации для технического обслуживания. Нерабочим модулям на период устранения дефектов или технического обслуживания может также назначаться фиксированный рабочий ток, например ток, по существу равный нулю.
Следующий этап предлагаемого в настоящем изобретении способа связан с определением специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов, чтобы покрыть общую текущую потребность в потоке продукта. Специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи определяются из диапазона допустимых специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов, что позволяет предотвращать, например, повреждение модуля при выборе слишком большого рабочего тока. В качестве альтернативы, специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи определяются в зависимости от КПД модулей и общей текущей потребности в потоке продукта (4). Учет КПД модулей представляет собой важный этап предлагаемого в настоящем изобретении способа, поскольку это позволяет эксплуатировать химическую установку вблизи точки минимального общего энергопотребления.
После определения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов, рабочие токи модулей устанавливаются на определенные специфичные для каждого модуля целевые рабочие токи (5).
Предпочтительный усовершенствованный вариант предлагаемого в настоящем изобретении способа схематично показан на фиг. 2. Этот усовершенствованный вариант характеризуется тем, что для определения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов соответствующие модули сортируют в соответствии с их текущим КПД и поднимают или опускают в этом порядке, пока не будет покрыта общая текущая потребность в потоке продукта (3a). Таким образом, энергопотребление установки может быть снижено в случае увеличения или уменьшения общей потребности в потоке продукта путем назначения большего или меньшего рабочего тока эффективным или неэффективным модулям соответственно. Сортировка модулей в зависимости от их КПД необходима для того, чтобы иметь возможность соответственно поднимать и опускать их в этом порядке. Поскольку такая сортировка может требовать немалых вычислительных или временных затрат, в усовершенствованном варианте предлагаемого в настоящем изобретении способа предусмотрено, что для сортировки n модулей по их КПД используется алгоритм, который масштабируется в соответствии с выражением n*log(n), таким образом обеспечивая управляемое время вычислений даже для больших установок с большим количеством модулей. Это может быть, например, жадный алгоритм.
Альтернативно, как также показано на представленной на фиг. 2 блок-схеме, на этапе (3a) определения специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов, соответствующие модули могут сортироваться в соответствии с параметром жизненного цикла каждого модуля и повышаться или понижаться в соответствии с этим порядком до тех пор, пока не будет покрыта текущая общая потребность в потоке продукта. Параметр жизненного цикла рассчитывается исходя из текущего КПД модулей (M) и поправочного коэффициента, учитывающего затраты на обслуживание электрохимической установки. В предпочтительном варианте осуществления, поправочный коэффициент определяется как функция общего количества заряда, прошедшего через соответствующий модуль в течение предшествующего срока его службы, и/или как функция возраста соответствующего модуля, и/или как функция положения модуля в электрохимической установке.
m
Определение специфичных для готовых к использованию модулей (M) целевых рабочих токов (I) для покрытия общей потребности (B) в потоке продукта в вышеописанных способах предпочтительно осуществляется итеративно, используя предварительный расчет КПД, достижимый для каждого индивидуального модуля (M), и предполагая постепенное изменение соответствующего специфичного для каждого модуля целевого рабочего тока. Особенно предпочтительно использовать для итерации жадные алгоритмы. Итерация предпочтительно выполняется с адаптивным размером шага, который выбирается в зависимости от текущего отклонения общего потока продукта от общей потребности (B) в потоке продукта.
m
m
При определении специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов (I), КПД модулей (M) предпочтительно взвешивается с весовым коэффициентом, который зависит от соотношения специфичного для каждого модуля целевого рабочего тока и суммы специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов всех модулей (M). Т.е. влияние изменения КПД индивидуального модуля на общий КПД уже учтено при определении специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов (I).
Предпочтительный альтернативный вариант усовершенствования предлагаемого в настоящем изобретении способа показан на фиг. 3. В этом случае определенный специфичный для каждого модуля целевой рабочий ток модифицируют путем умножения на весовой коэффициент, который зависит от соотношения специфичного для каждого модуля целевого рабочего тока и суммы специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов всех модулей (4a). Это еще больше приближает рабочую точку установки к точке оптимальной энергоэффективности.
m
m,g
m,g
На фиг. 4 схематически представлен предлагаемый в настоящем изобретении способ на примере установки (E) электролиза воды, которая включает в себя блок (C) управления и большое количество параллельно соединенных модулей (M), которые образованы из последовательно соединенных электролизных ячеек для производства водорода. Блок (C) управления регистрирует общую текущую потребность (B) в потоке продукта и регистрирует КПД индивидуальных модулей (M), сортирует их по КПД и определяет готовность модулей (M) к использованию (визуализируется галочкой или крестиком). Затем определяют целевые рабочие токи (I) модулей, которые умножаются на весовой коэффициент для получения взвешенных целевых рабочих токов (I) модулей, чтобы приблизить всю установку к ее наиболее энергоэффективной рабочей точке. После приведения рабочих токов к взвешенным целевым рабочим токам (I), блок управления может контролировать установку на наличие нового начального условия.
Перечень ссылочных позиций
1
Регистрация общей текущей потребности в потоке продукта
2
Регистрация КПД модуля
3
Идентификация модулей
3a
Сортировка и изменение в соответствии с КПД/параметром жизненного цикла
4a
Умножение специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов на весовой коэффициент
4
Определение специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов
5
Установка специфичных для каждого модуля целевых рабочих токов
B
Общая потребность в потоке продукте
C
Блок управления
E
Установка электролиза воды
М
Модуль
I<sub>m</sub>
Целевой рабочий ток модуля
I<sub>m,g</sub>
Целевой рабочий ток модуля после взвешивания