組合式隔膜調節閥裝置,水電解制氫中的應用

摘要：堿性電解水制氫是目前制氫的主要技術之一，國內很多化工企業都采用該技術，但能耗高、系統壓力、流量波動大是缺點。本文通過論述當前堿性電解水制氫系統及控制存在的問題，指出可以在電解水制氫系統中采用組合式隔膜調節閥裝置，同時分別設置不同的流量調節分支，根據系統流量自動開啟相應的分支調節壓力，從而讓制氫系統生產更加穩定。

關鍵詞：組合式隔膜；調節閥裝置；堿性水電解；控制方法

隨著新能源產業的不斷發展，氫能已經成為世界能源與動力轉型的重大戰略方向之一，受到了各國的關注。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生電化學反應，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，其設備造價低，可以實現大規模制氫，目前存在的唯一缺點就是能耗太大。在堿性電解水制氫系統中，隔膜是堿水制氫電解槽的核心組件，分隔陰陽小室，實現隔氣性和離子穿越的功能，因此開發新型隔膜是降低單位制氫能耗的主要突破點。本文探討組合式隔膜調節閥裝置,堿性電解水制氫系統及控制方法，旨在解決傳統堿性電解水制氫系統氣液分離模塊的氣體隔膜閥無法精確調節壓力，缺少對隔膜閥進行組合式設計的問題。

一、當前堿性電解水制氫系統及控制存在的問題

目前對于堿性電解水制氫系統及控制方法的研究較多，研究者都提出了一些調節閥控制方法。比如有的研究將電解水制氫裝置設置了若干個并聯支路，為了發揮更大的制氫效果，在每個支路上又設置了幾個串聯的制氫單元，該種方法能方便的調節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的新能源(如風電、光伏等)發電作為制氫電源時輸入功率的波動變化。還有的研究在酸性水電磁閥與堿性水電磁閥中設置了形成氣栓的電解槽排氣裝置，有利的優化了兩端出水不均，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中設置了多個電解水制氫單元來滿足功率波動的要求，沒有考慮到堿性電解水制氫設備在不同功率下工作時產生氣體流量量不同，使得調節閥不能準確的調節壓力，進而影響了系統的穩定性。

二、堿性電解水制氫系統組成

（一）隔膜調節閥裝置

為了保證堿性電解水制氫過程中系統的壓力穩定性，快速的將電解水制氫中產生的氣體排出系統，隔膜調節閥裝置就非常重要。隔膜調節閥裝置可對制氫系統壓力、溫度、氫氧液位差等進行自動調節和顯示，如果氫閥后壓力、冷卻水壓力、氣源壓力、氫氧純度等產生一定的偏差，能實現自動聲光報警。為了讓制氫系統高效運行，調節閥裝置可以包括多個具有不同氣體流量范圍的隔膜調節閥支路和用于各支路流量分配的流量分配器，隔膜調節閥的各支路可以采用并聯的形式，各個流量分配器可以連接各個調節閥的支路，在制氫的過程中，至少有一個支路處在運行狀態中，其它的則處在備用狀態中。這樣設計的隔膜調節閥裝置，當系統中氣體產生量較大時，調節閥傳感器感受壓力變化，閥門開度自動調大，將氣體排出，讓系統壓力穩定。堿性電解水制氫系統的HMI上位機控制如下圖1所示。以以西門子調節閥為例

1. 氣動調節閥的定位器使用 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的電源。大于 2000 米海平面處，請選用高原專用電源。詳情應詢問高 原專用電源的提供商。

圖1堿性電解水制氫系統的HMI上位機控制流程及西門子調節閥

• 隔膜調節閥PID控制

圖HMI上位機控制西門子調節閥PID控制界面

隔膜調節閥裝置設置，當遇到調節閥故障的時候可以方便停車檢修或更換，降低停車損失，基本降低了當需要更大的量時，而調節閥動作又達不到的情況，為了讓各調節閥更精確的控制和顯示，每個調節閥都可以單獨設置開度，通過反饋使分配器形成閉環精確調節回路，這樣當系統流量發生變化時，就能通過電氣轉換器調節閥的狀態并顯示出來。可以有效的調節閥流量，達到設置要求，這樣設置能讓每個調節范圍不同，當需要精確控制系統流量時，就可以自動調節流量控制壓力液位和溫度，實現精確控制的目的。

（三）堿性電解水制氫系統的基本組成

本文所述的堿性電解水制氫系統主要包括電解槽、氧氣側氣液分離器和氫氣側氣液分離器，堿性循環裝置則包括堿性電解水制氫裝置（組合式隔膜調節閥裝置、氫氣和氧氣側氣體輸出端）。堿性循環裝置是制氫系統的關鍵，為了制氫系統更加穩定，設置有補水泵、過濾器、堿性循環泵、堿液箱、堿液循環換熱器等，通過這樣的設置就能讓制氫系統的堿液不斷處在循環中，而且通過換熱的方式提高進裝置的溫度，有助于減少能耗。

三、堿性電解水制氫系統控制方法

（一）控制基本流程

首先，判斷是靠有沒有電流來確認氣體產生的，當直流電壓加在電解槽上并不會馬上有電流和氣體，當電壓到一定時才會有電流和氣體。其次堿性電解水制氫系統在運行的過程中，首先，通過壓力設置與系統壓力比較控制氧側調節閥的開度穩定系統壓力；其次，氫液位和氧液位的比較來調節氫側調節閥的液位平衡，最后是設置堿液溫度的調節閥控制系統冷卻水的開度達到堿溫保持在80°穩定運行。

是否在精確控制壓力的調節區間內，根據堿性電解水制氫系統設定壓力和壓力變送器比較，控制氧側隔膜調節閥門開度自動調節氣體流量穩定系統運行壓力，同時也減少由于分析儀的取樣口的分流影響造成的壓力波動；通過上述的控制過程，系統能自動識別制氫系統內氣體的壓力，根據調節閥的開度控制流量穩定了制氫系統的壓力。組合式隔膜調節閥現場控制圖如下圖2所示。

圖2組合式隔膜調節閥現場控制流程

（二）隔膜調節閥控制下的電解過程

制氫系統在工作的過程中，交流電通過整流變壓器轉變為直流電進入電解槽，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，混合氣體進入氣液分離器，再經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，氧側調節閥直徑可適當大于氫側調節閥直徑，原因為一個氧原子比兩個氫原子大。氫氣通過裝置中的氫氣側組合式隔膜調節閥裝置排出，而氧氣則通過裝置中的氧氣側組合式隔膜調節閥裝置排出，氧側調節閥是PLC程序中使用PID模塊調節，壓力是與設定值比較，當氧側壓力小于設定值時調節閥關閉，當壓力大于設定值時打開調節閥進行流量控制。氫側調節閥用來調節氧和氫分離器液位平衡。

（三）控制系統的優勢

本文的控制系統隔膜調節閥主要用于PID調節，調節中P值在系統壓力穩定的條件下盡量選擇小的數值。PID 調節中I值為時間常數選擇數值大點比較穩定，為了保證穩定性，數值可數值大一些。本組合式隔膜調節閥裝置通過設置4個支路，相比其它組合式隔膜調節閥裝置可以起到精確控制流量的目的，同時保持系統壓力的穩定性。當系統氣體流量小于隔膜閥調節區間內，需要啟用更低一級隔膜調節閥，這樣就能保證系統始終能精確的控制流量，從而實現制氫裝置壓力穩定。在實際現場管理及參數調整中，可根據堿性電解水制氫系統的進料量，從人、機、物、料、環等五個角度進行優化，提高內操和外操人員的基本技能，進而穩定生產。

結語

綜上所述，新能源產業在我國正處在初級發展階段，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。大規模、廉價制氫是開發和利用氫能的重要環節之一。傳統的堿性水電解系統雖然產量較大，但是能耗較高，而且系統的壓力波動較大，不能實現穩定生產，限制了產量的進一步提升。組合式隔膜調節閥裝置應用在堿性電解水制氫系統中，通過設置不同的調節閥支路，能精確控制系統的壓力和流量，讓制氫系統在生產的時候更加穩定，提高運行質量。

作者：陸澗

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