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溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)在水電解制氫中的應(yīng)用
摘要：隨著新能源不斷地被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，作為清潔能源在工業(yè)中的廣泛需要，氫氣成為工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目。水電解質(zhì)制氫過(guò)程中具有環(huán)保和簡(jiǎn)便的工藝特點(diǎn)，成為工業(yè)領(lǐng)域制備氫最常用制備手段。在氫制備過(guò)程中，其易燃易爆的特點(diǎn)對(duì)制備環(huán)境的要求較高。在現(xiàn)階段高科技發(fā)展下，溫度自動(dòng)控制裝置帶著穩(wěn)定可靠的安全性融入到工業(yè)水電解制氫技術(shù)中。本文針對(duì)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)在水電解制氫中的應(yīng)用做詳細(xì)分析，希望對(duì)相關(guān)工作人員起到參考作用。
關(guān)鍵詞：溫度自動(dòng)控制；水電解；制氫；應(yīng)用
隨著工業(yè)領(lǐng)域不斷開(kāi)發(fā)，能源的過(guò)度消耗成為造成生態(tài)平衡破壞的主要原因，對(duì)開(kāi)發(fā)可持續(xù)能源成為現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域中技術(shù)人員的重點(diǎn)和挑戰(zhàn)。在可再生能源當(dāng)中，所提供的能力在應(yīng)用過(guò)程上會(huì)產(chǎn)生不確定因素，導(dǎo)致能源無(wú)辜損耗時(shí)有發(fā)生，這就需要找到另一種能源改變這種損耗發(fā)生率。而氫能可以有效將這些損耗的能源集聚起來(lái)，氫氣由于其具有較高的單位熱值，在燃燒后的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成水，作為了工業(yè)生產(chǎn)中清潔能源。而制作氫能最常用的方式就是水電解，在水電解制氫過(guò)程中最主要的影響參數(shù)為溫度的控制，本文通過(guò)研究溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)槽體溫度測(cè)量和控制，達(dá)到最大限度在水電解制氫中的應(yīng)用。
1 水電解制氫裝置介紹
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- 水電解制氫工藝流程
水電解制氫主要是在電解槽中生成，制氫過(guò)程中是通過(guò)氧側(cè)溫度變送器將溫度產(chǎn)生的信號(hào)傳送到PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)中。在溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析后，就可以控制氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，通常溫度通過(guò)堿液溫度實(shí)現(xiàn)控制，在監(jiān)控上保持80-90℃，而電解液中的水沸點(diǎn)是在100℃。如果溫度過(guò)高會(huì)對(duì)水電解槽內(nèi)隔膜材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕，減少隔膜使用壽命，而溫度過(guò)低則會(huì)在阻礙電解液功效加大，電壓也會(huì)隨之增高，消耗大量能量[1]。電解槽在運(yùn)行過(guò)程中，隔板間做伸縮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)停止運(yùn)行時(shí)，堿液的溫度要求在50℃以下，堿泵再停止循環(huán)運(yùn)行。避免影響電解槽壽命，溫度要慢升慢降。電解槽在安裝時(shí)是一側(cè)固定，另一側(cè)是可以移動(dòng)如圖1所示：
圖1：電解槽運(yùn)行固定情況
在水電解過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣和氧氣會(huì)帶著氫氧化鉀溶液進(jìn)入分離器，在分離器中讓氫氣、氧氣與堿液分離，在通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥門(mén)，冷卻分離，最后進(jìn)入制氫工序，堿液在與氣體分離后，會(huì)進(jìn)入堿液循環(huán)泵后，再進(jìn)入冷卻器換冷卻，這個(gè)過(guò)程后進(jìn)入電解槽可以繼續(xù)電解。整個(gè)工藝流程如下圖2所示：
圖2：制氫工藝流程
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- 溫度對(duì)水電解制氫的影響
在水電解制氫的電解槽中會(huì)形成化學(xué)反應(yīng)，主要反應(yīng)方程式如下：
陰極：4e-+4H2O=2H2↑+4OH-
陽(yáng)極：4OH-=O2↑+2H2O+4e-
總反應(yīng)方程式：2H2O=2H2↑+O2↑+熱量Q
通過(guò)反應(yīng)方程式就可以知道，電解反應(yīng)在不斷持續(xù)作用下，電解槽會(huì)通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱能量，這些熱能量就可以達(dá)到溫度升高的作用。在電解反應(yīng)中就會(huì)隨著溫度產(chǎn)生以下影響：
1.2.1電解液隨著電解槽內(nèi)溫度的升高，電導(dǎo)率就會(huì)隨著上升，電極反應(yīng)也會(huì)增加。而氣體在這個(gè)過(guò)程中會(huì)生成超電壓，當(dāng)電解槽內(nèi)溫度每升高1℃，超電壓會(huì)降低0.25%，從而有效提高電解速率。
1.2.2當(dāng)溫度過(guò)高情況下，電解液就會(huì)對(duì)電解槽產(chǎn)生腐蝕作用，這時(shí)候?qū)υO(shè)備的運(yùn)行會(huì)有損傷，導(dǎo)致出現(xiàn)安全隱患，同時(shí)也會(huì)減少設(shè)備使用年限。因此，在電解槽的溫度要保持在80-90℃，確保在電解槽內(nèi)的水電解制氫運(yùn)行安全穩(wěn)定[2]。
2 水電解制氫裝置溫度控制
2.1 溫度定標(biāo)
在水電解制氫裝置運(yùn)行時(shí)，電解槽內(nèi)各小室的兩極生成外加電壓，這種電壓是從0開(kāi)始，慢慢上升，電壓在比較小時(shí)基本是不會(huì)有電流產(chǎn)生，電解現(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生。而當(dāng)電壓達(dá)到一定高度值時(shí)，兩極產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)遭到影響，產(chǎn)生明顯電流，從庫(kù)侖定律就可以得出氫氣量與電流成正比。在電解槽中氫氧化鉀的作用主要是提高水電解的電導(dǎo)，電解反應(yīng)上沒(méi)有氫氧化鉀的關(guān)系，因此在制氫過(guò)程中是不會(huì)產(chǎn)生損耗。而電解槽小室的電壓還會(huì)影響單位氣體產(chǎn)量的電耗，在電壓處于恒定狀態(tài)下，電解槽的溫度越高，氫氣產(chǎn)量就會(huì)隨著增加，但一定要控制溫度，溫度過(guò)高會(huì)對(duì)電解槽產(chǎn)生腐蝕，主要會(huì)腐蝕槽內(nèi)隔膜材料。隔膜材料無(wú)法在高溫的堿液中長(zhǎng)時(shí)間使用，為確保隔膜材料使用正常，電解槽內(nèi)水電解制氫運(yùn)行正常，溫度一定要掌控好[3]。
2.2 溫度控制
在氫氧分離器流出的堿液由于是高溫液體，要在冷卻器和低溫冷卻水中做熱交換，讓其溫度控制在60-70℃左右。冷卻后在將堿液流入電解槽，與槽內(nèi)依然存在的高溫堿液做熱交換，如此重復(fù)循環(huán)，不斷做電解熱量和堿液的低溫冷卻熱交換工作。再利用調(diào)節(jié)堿液冷卻水流量，達(dá)到控制流出冷卻器堿液的溫度，讓電解槽始終保持在80-90℃范圍。具體熱交換原理操作如下圖3所示：
圖3：水電解制氫熱交換示意圖
3 自動(dòng)控制系統(tǒng)器材選擇
現(xiàn)階段水電解制氫通常是利用合理設(shè)置PID控制器作為參數(shù)調(diào)整工作，在控制器作用下溫度控制系統(tǒng)持續(xù)處于穩(wěn)定，當(dāng)設(shè)置的參數(shù)發(fā)生不合理情況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，讓控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂的問(wèn)題。通常對(duì)于水電解制氫參數(shù)的PLC或DCS控制系統(tǒng)，PLC包括，美國(guó)Rockwell Allen-Bradley(AB)冗余，德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等供客戶選用。
溫度調(diào)節(jié)用程序中PID模塊控制通過(guò)4~20ma電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電氣轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)薄膜冷卻水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制來(lái)制氫系統(tǒng)的堿液溫度保持在60~70℃左右，槽溫穩(wěn)定在80℃。在水電解制氫中應(yīng)用廣泛的大連帝國(guó)屏蔽泵，需要選擇密封性好，運(yùn)行穩(wěn)定的，才能最大化提高屏蔽循環(huán)泵工作效率[4]。現(xiàn)階段常用的PLC控制系統(tǒng)依靠其強(qiáng)大功能可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行的控制功能，同樣也可以實(shí)現(xiàn)相連成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性控制功能，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比有著極高的性能比對(duì)。在應(yīng)用過(guò)程上主要高性能體現(xiàn)在強(qiáng)大的可靠性、豐富指令集、操作方便、具有內(nèi)置集成功能、強(qiáng)力的通訊能力和豐富的擴(kuò)展模塊。利用豐富的性能實(shí)現(xiàn)水電解制氫的溫度自動(dòng)控制。
4 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定方法
控制要求：通常在控制上會(huì)通過(guò)上位機(jī)組態(tài)軟件，做溫度控制的設(shè)定，在系統(tǒng)中還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況的監(jiān)控與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集。系統(tǒng)控制界面通常有SB0代表啟動(dòng)，是運(yùn)行指示燈；SB1代表停止，是停止指示燈；SB2代表復(fù)位，是聲光報(bào)警器。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度達(dá)到上限，就會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警器，這時(shí)按SB2可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能消除警報(bào)系統(tǒng)。
硬件選擇：通常會(huì)采用上文所說(shuō)的西門(mén)子系列的PLC系統(tǒng)，可提供4個(gè)不同基本型號(hào)的8中CPU供客戶使用。MPD461C氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥如圖4所示，由調(diào)節(jié)型座閥、單作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行器、智能電氣閥門(mén)定位器、過(guò)濾減壓閥構(gòu)成，具備保位功能的型號(hào)帶有氣動(dòng)保位閥。
圖4：MPD461C氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥
注意：
以西門(mén)子調(diào)節(jié)閥為例
1. 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的定位器使用 4…20 mA 電流源供電。如果連接電壓源，定位器會(huì)被損壞。
2. 電源和控制信號(hào)線是同一條電線。
3. 依照海拔高度選擇適當(dāng)?shù)碾娫�。大�?2000 米海平面處，請(qǐng)選用高原專用電源。詳情應(yīng)詢問(wèn)高 原專用電源的提供商。
上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面可以對(duì)水電解制氫整體工藝流程做出顯示。在監(jiān)控界面就可以自動(dòng)控制和安排水電解制氫的布局情況，并且可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便技術(shù)人員操作。
5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，通過(guò)利用PLC程序控制溫度自動(dòng)系統(tǒng)在水電解制氫中的應(yīng)用，提高制氫設(shè)備運(yùn)行效率，對(duì)水電解制氫得到高效控制和操作，提高產(chǎn)氫量的同時(shí)對(duì)能源的損耗最也大幅度降低。在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)下，制氫過(guò)程中設(shè)備內(nèi)堿液和水可以長(zhǎng)期循環(huán)利用，降低水資源浪費(fèi)，并且滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)氫清潔的需求。
參考文獻(xiàn)：
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[3]高鵬飛,張國(guó)奇,蒲曉龍,高海陽(yáng).水電解制氫裝置運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題及改進(jìn)措施[J].中國(guó)氯堿,2020(09):43-45.
[4]劉軍,梁艷,凌云志.水電解制氫改造技術(shù)工藝研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2019,39(23):194-195.
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