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組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置,水電解制氫中的應(yīng)用
摘要：堿性電解水制氫是目前制氫的主要技術(shù)之一，國內(nèi)很多化工企業(yè)都采用該技術(shù)，但能耗高、系統(tǒng)壓力、流量波動(dòng)大是缺點(diǎn)。本文通過論述當(dāng)前堿性電解水制氫系統(tǒng)及控制存在的問題，指出可以在電解水制氫系統(tǒng)中采用組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置，同時(shí)分別設(shè)置不同的流量調(diào)節(jié)分支，根據(jù)系統(tǒng)流量自動(dòng)開啟相應(yīng)的分支調(diào)節(jié)壓力，從而讓制氫系統(tǒng)生產(chǎn)更加穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：組合式隔膜；調(diào)節(jié)閥裝置；堿性水電解；控制方法
隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，氫能已經(jīng)成為世界能源與動(dòng)力轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向之一，受到了各國的關(guān)注。電解水制氫是目前制氫較為常用的方法，原理是在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子就在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。而在電解水制氫工藝中，最為成熟和可靠的就是堿性電解水技術(shù)，其設(shè)備造價(jià)低，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫，目前存在的唯一缺點(diǎn)就是能耗太大。在堿性電解水制氫系統(tǒng)中，隔膜是堿水制氫電解槽的核心組件，分隔陰陽小室，實(shí)現(xiàn)隔氣性和離子穿越的功能，因此開發(fā)新型隔膜是降低單位制氫能耗的主要突破點(diǎn)。本文探討組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置,堿性電解水制氫系統(tǒng)及控制方法，旨在解決傳統(tǒng)堿性電解水制氫系統(tǒng)氣液分離模塊的氣體隔膜閥無法精確調(diào)節(jié)壓力，缺少對隔膜閥進(jìn)行組合式設(shè)計(jì)的問題。
一、當(dāng)前堿性電解水制氫系統(tǒng)及控制存在的問題
目前對于堿性電解水制氫系統(tǒng)及控制方法的研究較多，研究者都提出了一些調(diào)節(jié)閥控制方法。比如有的研究將電解水制氫裝置設(shè)置了若干個(gè)并聯(lián)支路，為了發(fā)揮更大的制氫效果，在每個(gè)支路上又設(shè)置了幾個(gè)串聯(lián)的制氫單元，該種方法能方便的調(diào)節(jié)制氫裝置的功率從而減小能耗，還可以良好的適配于具有間歇性質(zhì)的新能源(如風(fēng)電、光伏等)發(fā)電作為制氫電源時(shí)輸入功率的波動(dòng)變化。還有的研究在酸性水電磁閥與堿性水電磁閥中設(shè)置了形成氣栓的電解槽排氣裝置，有利的優(yōu)化了兩端出水不均，解決了酸性腐蝕問題。但是所有的研究都是在堿性電解水制氫系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)電解水制氫單元來滿足功率波動(dòng)的要求，沒有考慮到堿性電解水制氫設(shè)備在不同功率下工作時(shí)產(chǎn)生氣體流量量不同，使得調(diào)節(jié)閥不能準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)壓力，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
二、堿性電解水制氫系統(tǒng)組成
（一）隔膜調(diào)節(jié)閥裝置
為了保證堿性電解水制氫過程中系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性，快速的將電解水制氫中產(chǎn)生的氣體排出系統(tǒng)，隔膜調(diào)節(jié)閥裝置就非常重要。隔膜調(diào)節(jié)閥裝置可對制氫系統(tǒng)壓力、溫度、氫氧液位差等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和顯示，如果氫閥后壓力、冷卻水壓力、氣源壓力、氫氧純度等產(chǎn)生一定的偏差，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聲光報(bào)警。為了讓制氫系統(tǒng)高效運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥裝置可以包括多個(gè)具有不同氣體流量范圍的隔膜調(diào)節(jié)閥支路和用于各支路流量分配的流量分配器，隔膜調(diào)節(jié)閥的各支路可以采用并聯(lián)的形式，各個(gè)流量分配器可以連接各個(gè)調(diào)節(jié)閥的支路，在制氫的過程中，至少有一個(gè)支路處在運(yùn)行狀態(tài)中，其它的則處在備用狀態(tài)中。這樣設(shè)計(jì)的隔膜調(diào)節(jié)閥裝置，當(dāng)系統(tǒng)中氣體產(chǎn)生量較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥傳感器感受壓力變化，閥門開度自動(dòng)調(diào)大，將氣體排出，讓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。堿性電解水制氫系統(tǒng)的HMI上位機(jī)控制如下圖1所示。以以西門子調(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，定位器會被損壞。
2. 電源和控制信號線是同一條電線。
3. 依照海拔高度選擇適當(dāng)?shù)碾娫�。大�?2000 米海平面處，請選用高原專用電源。詳情應(yīng)詢問高 原專用電源的提供商。
圖1堿性電解水制氫系統(tǒng)的HMI上位機(jī)控制流程及西門子調(diào)節(jié)閥
圖HMI上位機(jī)控制西門子調(diào)節(jié)閥PID控制界面
隔膜調(diào)節(jié)閥裝置設(shè)置，當(dāng)遇到調(diào)節(jié)閥故障的時(shí)候可以方便停車檢修或更換，降低停車損失，基本降低了當(dāng)需要更大的量時(shí)，而調(diào)節(jié)閥動(dòng)作又達(dá)不到的情況，為了讓各調(diào)節(jié)閥更精確的控制和顯示，每個(gè)調(diào)節(jié)閥都可以單獨(dú)設(shè)置開度，通過反饋使分配器形成閉環(huán)精確調(diào)節(jié)回路，這樣當(dāng)系統(tǒng)流量發(fā)生變化時(shí)，就能通過電氣轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)并顯示出來�？梢杂行У恼{(diào)節(jié)閥流量，達(dá)到設(shè)置要求，這樣設(shè)置能讓每個(gè)調(diào)節(jié)范圍不同，當(dāng)需要精確控制系統(tǒng)流量時(shí)，就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)流量控制壓力液位和溫度，實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。
（三）堿性電解水制氫系統(tǒng)的基本組成
本文所述的堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括電解槽、氧氣側(cè)氣液分離器和氫氣側(cè)氣液分離器，堿性循環(huán)裝置則包括堿性電解水制氫裝置（組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置、氫氣和氧氣側(cè)氣體輸出端）。堿性循環(huán)裝置是制氫系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了制氫系統(tǒng)更加穩(wěn)定，設(shè)置有補(bǔ)水泵、過濾器、堿性循環(huán)泵、堿液箱、堿液循環(huán)換熱器等，通過這樣的設(shè)置就能讓制氫系統(tǒng)的堿液不斷處在循環(huán)中，而且通過換熱的方式提高進(jìn)裝置的溫度，有助于減少能耗。
三、堿性電解水制氫系統(tǒng)控制方法
（一）控制基本流程
首先，判斷是靠有沒有電流來確認(rèn)氣體產(chǎn)生的，當(dāng)直流電壓加在電解槽上并不會馬上有電流和氣體，當(dāng)電壓到一定時(shí)才會有電流和氣體。其次堿性電解水制氫系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，首先，通過壓力設(shè)置與系統(tǒng)壓力比較控制氧側(cè)調(diào)節(jié)閥的開度穩(wěn)定系統(tǒng)壓力；其次，氫液位和氧液位的比較來調(diào)節(jié)氫側(cè)調(diào)節(jié)閥的液位平衡，最后是設(shè)置堿液溫度的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)冷卻水的開度達(dá)到堿溫保持在80°穩(wěn)定運(yùn)行。
是否在精確控制壓力的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)，根據(jù)堿性電解水制氫系統(tǒng)設(shè)定壓力和壓力變送器比較，控制氧側(cè)隔膜調(diào)節(jié)閥門開度自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體流量穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行壓力，同時(shí)也減少由于分析儀的取樣口的分流影響造成的壓力波動(dòng)；通過上述的控制過程，系統(tǒng)能自動(dòng)識別制氫系統(tǒng)內(nèi)氣體的壓力，根據(jù)調(diào)節(jié)閥的開度控制流量穩(wěn)定了制氫系統(tǒng)的壓力。組合式隔膜調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場控制圖如下圖2所示。
圖2組合式隔膜調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場控制流程
（二）隔膜調(diào)節(jié)閥控制下的電解過程
制氫系統(tǒng)在工作的過程中，交流電通過整流變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娺M(jìn)入電解槽，堿液中的水在電解槽中被電解為氧氣和氫氣，這些氣體從電極表面析出，氫氣與氧氣的體積比大概為2：1，混合氣體進(jìn)入氣液分離器，再經(jīng)過氫氣洗滌冷卻器洗滌冷卻之后，在重力的作用下氣液分離。雖然體積比為2：1，但是在閥門直徑上，氧側(cè)調(diào)節(jié)閥直徑可適當(dāng)大于氫側(cè)調(diào)節(jié)閥直徑，原因?yàn)橐粋�(gè)氧原子比兩個(gè)氫原子大。氫氣通過裝置中的氫氣側(cè)組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置排出，而氧氣則通過裝置中的氧氣側(cè)組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置排出，氧側(cè)調(diào)節(jié)閥是PLC程序中使用PID模塊調(diào)節(jié)，壓力是與設(shè)定值比較，當(dāng)氧側(cè)壓力小于設(shè)定值時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)打開調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量控制。氫側(cè)調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)氧和氫分離器液位平衡。
（三）控制系統(tǒng)的優(yōu)勢
本文的控制系統(tǒng)隔膜調(diào)節(jié)閥主要用于PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)中P值在系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的條件下盡量選擇小的數(shù)值。PID 調(diào)節(jié)中I值為時(shí)間常數(shù)選擇數(shù)值大點(diǎn)比較穩(wěn)定，為了保證穩(wěn)定性，數(shù)值可數(shù)值大一些。本組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置通過設(shè)置4個(gè)支路，相比其它組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置可以起到精確控制流量的目的，同時(shí)保持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)氣體流量小于隔膜閥調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)，需要啟用更低一級隔膜調(diào)節(jié)閥，這樣就能保證系統(tǒng)始終能精確的控制流量，從而實(shí)現(xiàn)制氫裝置壓力穩(wěn)定。在實(shí)際現(xiàn)場管理及參數(shù)調(diào)整中，可根據(jù)堿性電解水制氫系統(tǒng)的進(jìn)料量，從人、機(jī)、物、料、環(huán)等五個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化，提高內(nèi)操和外操人員的基本技能，進(jìn)而穩(wěn)定生產(chǎn)。
結(jié)語
綜上所述，新能源產(chǎn)業(yè)在我國正處在初級發(fā)展階段，氫能源作為高效、潔凈和理想的二次能源，受到了全世界的廣泛重視。大規(guī)模、廉價(jià)制氫是開發(fā)和利用氫能的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的堿性水電解系統(tǒng)雖然產(chǎn)量較大，但是能耗較高，而且系統(tǒng)的壓力波動(dòng)較大，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，限制了產(chǎn)量的進(jìn)一步提升。組合式隔膜調(diào)節(jié)閥裝置應(yīng)用在堿性電解水制氫系統(tǒng)中，通過設(shè)置不同的調(diào)節(jié)閥支路，能精確控制系統(tǒng)的壓力和流量，讓制氫系統(tǒng)在生產(chǎn)的時(shí)候更加穩(wěn)定，提高運(yùn)行質(zhì)量。
作者：陸澗
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