電解水制氫系統(tǒng)中自動控制的應(yīng)用

1、電解水制氫系統(tǒng)中自動控制的應(yīng)用第1頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五目錄研究背景 氫能制備方法電解水制氫設(shè)備組成及工藝流程電解水系統(tǒng)控制要求控制系統(tǒng)的策略確定控制系統(tǒng)的組成結(jié)論參考文獻(xiàn)致謝第2頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五研究背景氫能概述(1) 氫的放熱效率高,約為汽油放熱的3倍。(2) 氫氣在燃燒過程中,產(chǎn)生的廢物只有水,不會造成環(huán)境污染。(3) 氫氣的密度小、能夠儲藏,具有顯著的存儲優(yōu)越性。(4) 氫的用途極為廣泛,能燃燒生熱,產(chǎn)生化學(xué)能,并作為吸熱的介質(zhì)等。 新型替代型清潔能源的開發(fā)與應(yīng)用是大勢所趨, 氫能作為理想的清潔能源之一,已引起人們

2、的廣泛重視。第3頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五研究背景加快開發(fā)氫能源的必要性 （1）人類進(jìn)入21 世紀(jì),未來經(jīng)濟(jì)節(jié)能型經(jīng)濟(jì)和清潔型經(jīng)濟(jì)。專家預(yù)測,新世紀(jì)能源消耗將減少70 %80 %,并且要求盡量使用清潔能源,如太陽能、風(fēng)能、水力能、生物質(zhì)能、氫能等。 （2）我國汽車工業(yè)進(jìn)入了一個高速發(fā)展的階段,氫燃料電池電動汽車的成功開發(fā)為氫能的利用開辟了無限廣闊的發(fā)展空間。第4頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五氫能的制備方法制氫的方式主要包括電解水制氫、化學(xué)制氫和生物制氫三類。其中化學(xué)制氫包括：催化重整制氫、生物質(zhì)制氫、金屬置換制氫、太陽能制氫、金屬氫化物制

3、氫五類。生物制氫主要包括：光解水產(chǎn)氫、光合細(xì)菌產(chǎn)氫、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫、厭氧與光合細(xì)菌聯(lián)合產(chǎn)氫四類。第5頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五氫能的制備方法水電解制氫制氫原理：當(dāng)兩個電極分別通上直流電并浸入水中時,水被分解并在陰極和陽極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣,這個過程就是水電解。水電解由分別發(fā)生在陰極和陽極的兩個化學(xué)反應(yīng)組成:陰極:4e+4H2O=2H2+4OH一陽極:4OH一=O2+2H2O+4e其總反應(yīng)式:2H2O=2H2+O2第6頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五電解水制氫設(shè)備組成及工藝流程水電解制氫裝置，由電解槽、氣液處理器、整流柜、控制柜等組成。裝置主要

4、有以下幾個主要系統(tǒng):(l) 堿液循環(huán)系統(tǒng) 電解槽內(nèi)和氫、氧氣液處理器的下半部的堿液,夾帶著氫氣和氧氣在循環(huán)泵的作用下進(jìn)入氫、氧側(cè)的氣液處理器進(jìn)行氣液分離,分離后經(jīng)匯流管匯流后進(jìn)入換熱器,冷卻后進(jìn)入堿液過濾器過濾,濾去雜質(zhì),再由循環(huán)泵打回電解槽內(nèi),完成一個堿液循環(huán)。(2) 氫氣回路 經(jīng)過氣液處理器分離后的氫氣,經(jīng)過捕滴、洗滌和冷卻后, 成為產(chǎn)品氫氣,在氫中氧分析儀的監(jiān)測下,合格的產(chǎn)品氫氣送給用戶使用,未達(dá)指標(biāo)的氫氣轉(zhuǎn)入放空處理。第7頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五電解水制氫設(shè)備組成及工藝流程(3)氧氣回路 同氫氣回路類似(4)冷卻水回路 冷卻水流經(jīng)換熱器冷卻的是循環(huán)堿液,

5、循環(huán)堿液再帶出電解槽內(nèi)產(chǎn)生的熱量,這樣,在時間上會有一定的滯后。(5)補(bǔ)水回路 電解所消耗的水分由純水箱經(jīng)加水泵加壓后注入氫側(cè)或氧側(cè)的洗滌器,先稀釋洗滌器中的堿液濃度,后經(jīng)溢流管流入氣液分離器。第8頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五電解水系統(tǒng)控制要求(l)壓力控制 運(yùn)行壓力的范圍從O.84MPa均有,要求裝置在運(yùn)行過程中壓力穩(wěn)定,且在運(yùn)行壓力范圍內(nèi)50%一100%連續(xù)可調(diào)。(2)液位控制 要保證液位的平衡,偏差不超過5水柱的高度(3)溫度控制 水電解制氫裝置最佳運(yùn)行溫度為855,要求溫度8090范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),并且控制系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值,偏差不超過 2。在裝置正常停機(jī)或

6、者故障停機(jī)時,應(yīng)迅速降溫。(4)報警聯(lián)鎖控制 為保障設(shè)備和人員的安全,在相關(guān)參數(shù)項出現(xiàn)故障時,應(yīng)能及時發(fā)出聲光報警信號,提醒注意,在出現(xiàn)嚴(yán)重故障時應(yīng)能夠自動進(jìn)行停機(jī)操作。(5)其他 在運(yùn)行過程中,還有其他如電解電壓和電解電流的控制、氫氧純度的控制、自動補(bǔ)水的控制以及一些邏輯和時序上的控制等等,所有的這些控制有機(jī)結(jié)合在一起,才能保證水電解制氫裝置的平穩(wěn)、可靠、安全的運(yùn)行。第9頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五控制系統(tǒng)的策略確定（1）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制點(diǎn):水電解過程中氧氣側(cè)的壓力更平穩(wěn),所以,控制點(diǎn)選擇在氧側(cè)。位置:實際設(shè)計中,選擇氧側(cè)氣液分離器的壓力作為系統(tǒng)壓力測量點(diǎn),在氧氣

7、出口管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥,并選用氣開式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥。控制策略:屬于單閉環(huán)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng),且信號基本沒有滯后,采用PI調(diào)節(jié)即可滿足控制要求。（2）液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制點(diǎn):液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)系緊密,氫、氧兩側(cè)氣液處理器底部相通, 由于兩側(cè)產(chǎn)氣量不同,將控制點(diǎn)選擇在氫側(cè)。位置:實際設(shè)計中,使用差壓變送器測量液位信號, 選用氣開式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥?？刂撇呗?將氫側(cè)液位信號作為給定,與氧側(cè)液位信號進(jìn)行比較、計算,屬于單閉環(huán)隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng),且信號基本沒有滯后,采用PI調(diào)節(jié)即可滿足控制要求。第10頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五控制系統(tǒng)的策略確定(3)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制點(diǎn):控制點(diǎn)設(shè)置在換

8、熱器冷卻水進(jìn)口管道上。位置:溫度信號應(yīng)該設(shè)置在電解槽出口處，并選用氣閉式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥?？刂撇呗?溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)純滯后時間為20分鐘，故需使用PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。(4)報警聯(lián)鎖控制及其他對于運(yùn)行過程中的重要工藝參數(shù),如系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、氫氧側(cè)液位、循環(huán)量和氣源壓力等,應(yīng)該有聲光報警和聯(lián)鎖停機(jī)等操作,對于運(yùn)行過程中的監(jiān)測參數(shù)如氫、氧純度等,應(yīng)該有聲光報警和聯(lián)鎖動作,同時,應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)臑V波部分(如延時)以防信號的誤報。對于其他控制要求,可通過添加適當(dāng)?shù)臄?shù)字邏輯和經(jīng)驗控制完成。第11頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五控制系統(tǒng)的組成 水電解控制系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)的組成形式

9、,其中PLC是控制系統(tǒng)的核心。 由上位機(jī)(工業(yè)控制計算機(jī)或商用PC機(jī))構(gòu)成控制系統(tǒng)的過程監(jiān)控層,在其上完成系統(tǒng)監(jiān)測、故障顯示、運(yùn)行操作、報表生成、歷史記錄、參數(shù)設(shè)定、用戶管理和在線幫助等系統(tǒng)功能。由PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)的過程控制層,在其上完成信號采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算、順序控制等系統(tǒng)功能,并通過其上不同類型的模塊與現(xiàn)場檢測、執(zhí)行裝置進(jìn)行連接。圖1 水電解控制系統(tǒng)硬件組成簡圖第12頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五槽壓控制系統(tǒng)裝置的槽壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如圖2所示：系統(tǒng)壓力(04 MPa)經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換后，變成420 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號進(jìn)入控制柜，經(jīng)隔離柵隔離后輸入PLC 的模

10、擬量輸入模塊(AI)，在PLC 中與設(shè)定的系統(tǒng)工作壓力進(jìn)行比較，應(yīng)用PID算法進(jìn)行運(yùn)算得出結(jié)果，并將此結(jié)果通過PLC 的模擬量輸出模塊輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的420 mA 信號，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成0.020.10MPa 的標(biāo)準(zhǔn)氣動信號，控制調(diào)節(jié)槽壓的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥(氧閥)開度的大小，使系統(tǒng)運(yùn)行時的槽壓穩(wěn)定在設(shè)定值。圖2 槽壓控制系統(tǒng)第13頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五液位控制系統(tǒng)氫分離器液位的控制，如圖3所示：在電解過程中，需要通過補(bǔ)水泵不斷補(bǔ)充原料水。本系統(tǒng)通過安裝在氫側(cè)的差壓變送器進(jìn)行液位高度測量，并產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的420 mA 電流信號，輸入PLC；通過與設(shè)定的補(bǔ)水液位上下限

11、值進(jìn)行比較，產(chǎn)生輸出信號來控制補(bǔ)水泵的開停及聯(lián)鎖報警。補(bǔ)水液位上下限值的設(shè)定可以在人機(jī)交流界面上進(jìn)行。圖3 液位控制系統(tǒng)第14頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五槽溫控制系統(tǒng)電解槽工作溫度是裝置的一個重要參數(shù)，槽溫的控制通過安裝在電解槽氧側(cè)出口上溫度變送器測量氧槽溫，輸出一個420mA 信號送至PLC，在此與輸入PLC 的槽溫設(shè)定值進(jìn)行比較，并進(jìn)行反作用PID 運(yùn)算，再輸出信號給電氣轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生0.020.1MPa 的氣信號，控制安裝在冷卻水管道上的調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制氧槽溫的目的。槽溫控制系統(tǒng)槽溫控制系統(tǒng)如圖4所示：圖4 槽溫控制系統(tǒng)第15頁，共22頁，2022年，5

12、月20日，7點(diǎn)33分，星期五氫氧側(cè)壓力差的控制氫氧側(cè)壓力差的控制如圖5所示：圖5 氫氧側(cè)壓力差的控制方框本系統(tǒng)的任務(wù)是控制電解槽氫、氧側(cè)的壓力平衡。由安裝在氧側(cè)分離器和氫側(cè)分離器上的差壓變器分別測量氫、氧側(cè)的氣、液相壓差，兩個 420 mA 測量信號被送入 PLC 。氫側(cè)壓力作為測量，二者進(jìn)行比較個經(jīng)過 PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給電氣轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生0.020.1 MPa 的氣信號，控制安裝在氫氣出口管道上的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到控制兩側(cè)壓力平衡的目的。第16頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五整流輸出電流控制整流輸出電流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如圖6所示：裝置在正常運(yùn)行時需

13、要整流柜提供一個穩(wěn)定的直流電流，并可按要求在線修改，使裝置可在非額定電流下運(yùn)行。整流柜內(nèi)的電流、電壓互感裝置將直流電流及電壓的采樣信號通過電流變送器、電壓變送器送入控制柜內(nèi)的PLC，PLC 將電壓信號與控制程序中設(shè)定的額定電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)電壓采樣信號低于額定電壓值時，控制程序按一定的時間自動提升電流；而當(dāng)電壓采樣信號高于額定電壓值時，控制程序則將電流自動給定信號鎖定在電壓采樣信號等于額定電壓值時的輸出值。圖6 整流輸出電流控制系統(tǒng)第17頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五原料水箱的自動補(bǔ)水功能設(shè)置自動補(bǔ)水功能可保證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壓變

14、送器或磁翻板液位計檢測轉(zhuǎn)換成4-20 mA 的電信號送入控制柜中的PLC，PLC控制程序?qū)⑺腿氲脑纤湟何恍盘柵c相應(yīng)的設(shè)定值做比較后確定是否對原料水箱進(jìn)行補(bǔ)水，即通過補(bǔ)水控制回路控制安裝在原料水箱進(jìn)水管路上的防爆電磁閥的開啟和關(guān)閉。原料水箱的自動補(bǔ)水系統(tǒng)如圖7所示：圖7 原料水箱補(bǔ)水系統(tǒng)第18頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五結(jié)論 自動控制對工業(yè)化過程意義非凡，雖不直接帶來經(jīng)濟(jì)效益，但卻有著提高生產(chǎn)過程的安全性；提高生產(chǎn)效率；提高產(chǎn)品質(zhì)量；減少生產(chǎn)過程的原材料、能源損耗等作用。并且逐步減少工作人員暴露在制氫站這類危險工作環(huán)境的時間是電力生產(chǎn)的發(fā)展方向。自動控制系統(tǒng)在電解

15、水過程中的應(yīng)用, 降低了操作人員的風(fēng)險, 確保了制氫站對氫冷機(jī)組穩(wěn)定安全的氫氣供應(yīng), 極大地提高了操作人員和維護(hù)人員工作效率。第19頁，共22頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)33分，星期五參考文獻(xiàn)【1】賈同國、王銀山、李志偉；氫能源發(fā)展研究現(xiàn)狀；節(jié)能技術(shù)；2011年5月，第29卷第3期?！?】吳川、張華民、衣寶廉；化學(xué)制氫技術(shù)研究進(jìn)展；化學(xué)進(jìn)展； 2005年5月，第17卷第3期。【3】劉江華、方新湘、周華；我國氫能源開發(fā)與生物制氫研究現(xiàn)狀；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)；2004,41(專刊) :8587?！?】張全國、尤希鳳、張軍合；生物制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展；生物質(zhì)化學(xué)工程；2006年1月第40卷第1期。

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