电解水制氢系统中自动控制的应用

电解水制氢系统中自动控制的应用第1页，共22页，2023年，2月20日，星期二目录研究背景氢能制备方法电解水制氢设备组成及工艺流程电解水系统控制要求控制系统的策略确定控制系统的组成结论参考文献致谢第2页，共22页，2023年，2月20日，星期二研究背景氢能概述(1)氢的放热效率高,约为汽油放热的3倍。(2)氢气在燃烧过程中,产生的废物只有水,不会造成环境污染。(3)氢气的密度小、能够储藏,具有显著的存储优越性。(4)氢的用途极为广泛,能燃烧生热,产生化学能,并作为吸热的介质等。新型替代型清洁能源的开发与应用是大势所趋,氢能作为理想的清洁能源之一,已引起人们的广泛重视。第3页，共22页，2023年，2月20日，星期二研究背景加快开发氢能源的必要性（1）人类进入21世纪,未来经济节能型经济和清洁型经济。专家预测,新世纪能源消耗将减少70%～80%,并且要求尽量使用清洁能源,如太阳能、风能、水力能、生物质能、氢能等。（2）我国汽车工业进入了一个高速发展的阶段,氢燃料电池电动汽车的成功开发为氢能的利用开辟了无限广阔的发展空间。第4页，共22页，2023年，2月20日，星期二氢能的制备方法制氢的方式主要包括电解水制氢、化学制氢和生物制氢三类。其中化学制氢包括：催化重整制氢、生物质制氢、金属置换制氢、太阳能制氢、金属氢化物制氢五类。生物制氢主要包括：光解水产氢、光合细菌产氢、厌氧发酵产氢、厌氧与光合细菌联合产氢四类。第5页，共22页，2023年，2月20日，星期二氢能的制备方法水电解制氢制氢原理：当两个电极分别通上直流电并浸入水中时,水被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气,这个过程就是水电解。水电解由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成:阴极:4e+4H2O=2H2+4OH一阳极:4OH一=O2+2H2O+4e其总反应式:2H2O=2H2+O2第6页，共22页，2023年，2月20日，星期二电解水制氢设备组成及工艺流程水电解制氢装置，由电解槽、气液处理器、整流柜、控制柜等组成。装置主要有以下几个主要系统:(l)碱液循环系统

电解槽内和氢、氧气液处理器的下半部的碱液,夹带着氢气和氧气在循环泵的作用下进入氢、氧侧的气液处理器进行气液分离,分离后经汇流管汇流后进入换热器,冷却后进入碱液过滤器过滤,滤去杂质,再由循环泵打回电解槽内,完成一个碱液循环。(2)氢气回路

经过气液处理器分离后的氢气,经过捕滴、洗涤和冷却后,成为产品氢气,在氢中氧分析仪的监测下,合格的产品氢气送给用户使用,未达指标的氢气转入放空处理。第7页，共22页，2023年，2月20日，星期二电解水制氢设备组成及工艺流程(3)氧气回路

同氢气回路类似(4)冷却水回路

冷却水流经换热器冷却的是循环碱液,循环碱液再带出电解槽内产生的热量,这样,在时间上会有一定的滞后。(5)补水回路

电解所消耗的水分由纯水箱经加水泵加压后注入氢侧或氧侧的洗涤器,先稀释洗涤器中的碱液浓度,后经溢流管流入气液分离器。第8页，共22页，2023年，2月20日，星期二电解水系统控制要求(l)压力控制

运行压力的范围从O.8~4MPa均有,要求装置在运行过程中压力稳定,且在运行压力范围内50%一100%连续可调。(2)液位控制

要保证液位的平衡,偏差不超过±5水柱的高度(3)温度控制

水电解制氢装置最佳运行温度为85±5℃,要求温度80℃~90℃范围内连续可调,并且控制系统温度稳定在设定值,偏差不超过±2℃。在装置正常停机或者故障停机时,应迅速降温。(4)报警联锁控制

为保障设备和人员的安全,在相关参数项出现故障时,应能及时发出声光报警信号,提醒注意,在出现严重故障时应能够自动进行停机操作。(5)其他在运行过程中,还有其他如电解电压和电解电流的控制、氢氧纯度的控制、自动补水的控制以及一些逻辑和时序上的控制等等,所有的这些控制有机结合在一起,才能保证水电解制氢装置的平稳、可靠、安全的运行。第9页，共22页，2023年，2月20日，星期二控制系统的策略确定（1）压力调节系统控制点:水电解过程中氧气侧的压力更平稳,所以,控制点选择在氧侧。位置:实际设计中,选择氧侧气液分离器的压力作为系统压力测量点,在氧气出口管道上设置调节阀,并选用气开式气动薄膜调节阀。控制策略:属于单闭环定值调节系统,且信号基本没有滞后,采用PI调节即可满足控制要求。（2）液位调节系统控制点:液位调节系统与压力调节系统联系紧密,氢、氧两侧气液处理器底部相通,由于两侧产气量不同,将控制点选择在氢侧。位置:实际设计中,使用差压变送器测量液位信号,选用气开式气动薄膜调节阀。控制策略:将氢侧液位信号作为给定,与氧侧液位信号进行比较、计算,属于单闭环随动调节系统,且信号基本没有滞后,采用PI调节即可满足控制要求。第10页，共22页，2023年，2月20日，星期二控制系统的策略确定(3)温度调节系统控制点:控制点设置在换热器冷却水进口管道上。位置:温度信号应该设置在电解槽出口处，并选用气闭式气动薄膜调节阀。控制策略:温度调节系统纯滞后时间为20分钟，故需使用PID控制算法进行调节。(4)报警联锁控制及其他对于运行过程中的重要工艺参数,如系统压力、系统温度、氢氧侧液位、循环量和气源压力等,应该有声光报警和联锁停机等操作,对于运行过程中的监测参数如氢、氧纯度等,应该有声光报警和联锁动作,同时,应当有适当的滤波部分(如延时)以防信号的误报。对于其他控制要求,可通过添加适当的数字逻辑和经验控制完成。第11页，共22页，2023年，2月20日，星期二控制系统的组成水电解控制系统采用PLC+上位机的组成形式,其中PLC是控制系统的核心。由上位机(工业控制计算机或商用PC机)构成控制系统的过程监控层,在其上完成系统监测、故障显示、运行操作、报表生成、历史记录、参数设定、用户管理和在线帮助等系统功能。由PLC构成控制系统的过程控制层,在其上完成信号采集、数据处理、逻辑运算、顺序控制等系统功能,并通过其上不同类型的模块与现场检测、执行装置进行连接。图1水电解控制系统硬件组成简图第12页，共22页，2023年，2月20日，星期二槽压控制系统装置的槽压调节控制系统如图2所示：系统压力(0~4MPa)经压力变送器转换后，变成4~20mA的标准电信号进入控制柜，经隔离栅隔离后输入PLC的模拟量输入模块(AI)，在PLC中与设定的系统工作压力进行比较，应用PID算法进行运算得出结果，并将此结果通过PLC的模拟量输出模块输出一个标准的4~20mA信号，经电气转换器后转换成0.02~0.10MPa的标准气动信号，控制调节槽压的气动薄膜调节阀(氧阀)开度的大小，使系统运行时的槽压稳定在设定值。图2槽压控制系统第13页，共22页，2023年，2月20日，星期二液位控制系统氢分离器液位的控制，如图3所示：在电解过程中，需要通过补水泵不断补充原料水。本系统通过安装在氢侧的差压变送器进行液位高度测量，并产生标准的4~20mA电流信号，输入PLC；通过与设定的补水液位上下限值进行比较，产生输出信号来控制补水泵的开停及联锁报警。补水液位上下限值的设定可以在人机交流界面上进行。图3液位控制系统第14页，共22页，2023年，2月20日，星期二槽温控制系统电解槽工作温度是装置的一个重要参数，槽温的控制通过安装在电解槽氧侧出口上温度变送器测量氧槽温，输出一个4~20mA信号送至PLC，在此与输入PLC的槽温设定值进行比较，并进行反作用PID运算，再输出信号给电气转换器产生0.02~0.1MPa的气信号，控制安装在冷却水管道上的调节阀的开度，从而达到控制氧槽温的目的。槽温控制系统槽温控制系统如图4所示：图4槽温控制系统第15页，共22页，2023年，2月20日，星期二氢氧侧压力差的控制氢氧侧压力差的控制如图5所示：图5氢氧侧压力差的控制方框本系统的任务是控制电解槽氢、氧侧的压力平衡。由安装在氧侧分离器和氢侧分离器上的差压变器分别测量氢、氧侧的气、液相压差，两个4~20mA测量信号被送入PLC。氢侧压力作为测量，二者进行比较个经过PID运算，运算结果输出给电气转换器，转换产生0.02~0.1MPa的气信号，控制安装在氢气出口管道上的气动薄膜调节阀的开度，从而达到控制两侧压力平衡的目的。第16页，共22页，2023年，2月20日，星期二整流输出电流控制整流输出电流调节控制系统如图6所示：装置在正常运行时需要整流柜提供一个稳定的直流电流，并可按要求在线修改，使装置可在非额定电流下运行。整流柜内的电流、电压互感装置将直流电流及电压的采样信号通过电流变送器、电压变送器送入控制柜内的PLC，PLC将电压信号与控制程序中设定的额定电压值进行比较，当电压采样信号低于额定电压值时，控制程序按一定的时间自动提升电流；而当电压采样信号高于额定电压值时，控制程序则将电流自动给定信号锁定在电压采样信号等于额定电压值时的输出值。图6整流输出电流控制系统第17页，共22页，2023年，2月20日，星期二原料水箱的自动补水功能设置自动补水功能可保证原料水箱中的原料水一直保持。原料水箱中的原料水液位由差压变送器或磁翻板液位计检测转换成4-20mA的电信号送入控制柜中的PLC，PLC控制程序将送入的原料水箱液位信号与相应的设定值做比较后确定是否对原料水箱进行补水，即通过补水控制回路控制安装在原料水箱进水管路上的防爆电磁阀的开启和关闭。原料水箱的自动补水系统如图7所示：图7原料水箱补水系统第18页，共22页，2023年，2月20日，星期二结论

自动控制对工业化过程意义非凡，虽不直接带来经济效益，但却有着提高生产过程的安全性；提高生产效率；提高产品质量；减少生产过程的原材料、能源损耗等作用。并且逐步减少工作人员暴露在制氢站这类危险工作环境的时间是电力生产的发展方向。自动控制系统在电解水过程中的应用,降低了操作人员的风险,确保了制氢站对氢冷机组稳定安全的氢气供应,极大地提高了操作人员和维护人员工作效率。第19页，共22页，2023年，2月20日，星期二参考文献【1】贾同国、王银山、李志伟；氢能源发展研究现状；《节能技术》；2011年5月，第29卷第3期。【2】吴川、张华民、衣宝廉；化学制氢技术研究进展；《化学进展》；2005年5月，第17卷第3期。【3】刘江华、方新湘、周华；我国氢能源开发与生物制氢研究现状；新疆农业科学；2004,41(专刊):85～87。【4】张全国、尤希凤、张军合；生物制氢技术研究现状及其进展；《生物质化学工程》；2006年1月第40卷第1期。【5】陶志杰；水电解制氢装置控制系统设计与实现；工程硕士学位论文；2008年5月。【6】吴乾积；自动控制系统在制氢装置中的应用；《广东化工》；2012年第11期第39卷，总第235期。【7】王超；制氢站全程自动控制系统的研究与应用；《重庆电力高等专科学校学报》；2010年6月，第15卷第3期。【8】陈天山；水电解制氢温度智能控制系统；工程硕士学位论文；2008年6月。第20页，共22页，2023年，2月20日，星期二参考文献【9】穆文奎、郭建刚、乌德力；温度自动控制系统在水电解制氢中的应用；《内蒙古气象》；2007年第6期，【10】董淑玲、刘会军、赵旋；PID参数变化对电解槽温度及制氢控制系统的影响；《河北电力技术》；2009年8月，第28卷第4期。【11】张俊、于海东、张