CN101103096A - 用于氢气燃料站的安全系统体系结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种设备和一种用于控制该设备的方法。该设备包括氢气发生器；压缩单元、存储单元和分发单元中的至少一个；以及系统控制器。系统控制器能够在系统级监视氢气发生器以及压缩单元、存储单元或分发单元的运行，并且在检测到危险状况时切断氢气发生器和压缩单元、存储单元或分发单元中的至少一个。该方法包括从系统级监视氢气流的生成；与监视氢气流的生成相呼应，从系统级监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项；以及在系统级检测到危险状况时，切断氢气流生成和压缩、存储或分发中的至少一项。

Description

用于氢气燃料站的安全系统体系结构
技术领域
本发明涉及氢气燃料站，更具体而言涉及用在燃料处理器中的控制系统。
背景技术
纯氢气或富含氢气的气流(富氢气流)有大量的应用。例如，燃料电池——一种有前途的替换能源——一般采用氢气作为产生能量的燃料。在多种领域中，许多工业过程也采用氢气或富氢气流来制造和生产多种最终产品。然而，纯氢气并不是一种以可容易开采的形式存在的天然资源。相反地，天然气作为一种碳氢化合物燃料常常能在大范围的地下矿藏中找到，这种地下矿藏可以容易地获取并且在汲取后很容易运输。自然界并不提供氢的这种矿藏。
一种克服这一困难的方式是使用“燃料处理器”或“重整器”来将碳氢化合物燃料转换为可以用作燃料电池的供给源的富氢气流。碳氢化合物燃料，例如天然气、液化石油气(“LPG”)、汽油和柴油，需要转化以用作大多数燃料电池的燃料。现有技术使用多步工艺，这种多步工艺组合初始转化工艺和几个清洁工艺。初始工艺最常是蒸汽重整(“SR”)、自热式重整(“ATR”)、催化部分氧化(“CPOX”)或非催化部分氧化(“POX”)。清洁工艺通常由去硫化、高温水煤气变换(water gas shift)、低温水煤气变换、选择性CO氧化或选择性CO甲烷化的组合构成。替换工艺包括氢选择性薄膜反应器和过滤器。
然而，可能出现安全问题。考虑用于给采用燃料处理器的燃料电池供电的车辆重新充燃料的氢气燃料站。燃料处理涉及压强和温度，这种压强和温度如果不被适当地控制，就可能对设备造成损害或者产生对操作者有害的状况。而且，取决于燃料处理器的本质，重整的反应物和产生的氢气都可能需要小心的控制和处置。由燃料处理器产生的氢气一般也在一定压强下保存，直到它可以被分发为止，这种分发也需要适当的控制。因此，希望有新的更好的控制策略。
发明内容
本发明在其多个方面和实施例中包括一种设备和一种用于控制该设备的方法。该设备包括氢气发生器；压缩单元、存储单元和分发单元中的至少一个；以及系统控制器。系统控制器能够在系统级监视氢气发生器以及压缩单元、存储单元或分发单元的运行，并且在检测到危险状况时切断氢气发生器和压缩单元、存储单元或分发单元中的至少一个。该方法包括从系统级监视氢气流的产生；与监视氢气流的产生相呼应，从系统级监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项；以及当在系统级检测到危险状况时，切断氢气流产生和压缩、存储或分发中的至少一项。
附图说明
本发明可以通过结合附图参考下面的描述来加以理解，附图中相近的标号代表相近的元件，附图中：
图1是根据本发明构造和运行的设备(在图示实施例中是氢气燃料站)的一个具体实施例的框图；
图2图示了作为图1设备的操作的一部分的根据本发明实施的方法的一个具体实施例；
图3是图1的设备的纯化氢气发生器的一个实施例的框图；
图4是图3中的纯化氢气发生器的燃料处理器的一个具体实施例的框图；
图5是图1的压缩、存储和分发单元的一个具体实施例的框图；
图6图示了根据本发明实现的控制系统的一个具体实施例；
图7A和图7B概念性地图示了可以用在图6的实施例的实施中的计算装置；
图8示出了用于局部控制首先在图3中示出的燃料处理器的图6的控制系统的一个具体实施例；
图9图示了根据本发明用于首先在图8中示出的控制系统的子系统管理器的分层体系结构；
图10图示了用于控制图4中的重整器的变换床温度的组合策略；
图11是图1中的设备的一个具体实施例的框图；
图12A-图12F提供了关于图4的氢气发生器的结构的额外细节，并且具体而言，其操作的参数的位置近似是直接从系统级进行监视的；以及
图13A和图13B概念性地图示了可以用在本发明的一个具体实施例的实施方式中的计算装置。
尽管本发明具有各种修改和替换形式，但是附图以示例方式图示了这里详细描述的具体实施例。然而，应当理解，这里的具体实施例的描述并不是将本发明限制在所公开的具体形式，相反地，试图覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。
具体实施方式
下面描述本发明的说明性实施例。为了清楚起见，在该说明书中并不描述实际实施方式的所有特征。当然，应当意识到，在开发任何这样的实际实施例时，为实现开发者的特定目标，必须作出大量的针对实施方式的具体情况的判断，例如遵从系统相关约束和商业相关约束，这些都随着实施方式而变。而且，应当意识到，这种开发努力即使是复杂和耗时的，对于受益于本公开文件的本领域技术人员来说也无需付出创造性劳动。
图1图示了根据本发明构造和运行的设备100的一个具体实施例。设备100用作氢燃料站。设备100包括纯化氢气发生器(“PHG”)102、压缩、存储和分发单元(“CSD”)104以及系统控制器106。PHG102由燃料110产生纯化的氢气气流108。注意，术语“纯化”并不一定意味着纯净的氢气气流108是100％的氢气。受益于本公开文件的本领域技术人员将意识到，纯化气流108将包含某些最少量的杂质。杂质量取决于不同的实施方式。在图示实施例中，纯化氢气气流108等于或大于约99.8％的氢气。如其名称所暗示，CSD 104压缩纯化氢气气流108、对其进行存储然后按需要分发。被分发的氢气112随后可以用于例如给由燃料电池驱动的车辆重新加燃料。然而，被分发的氢气112可以用于其他目的。
系统控制器106能够监视PHG 102和CSD 104的操作，并在检测到危险状况时切断它们中的至少一个。更具体而言，系统控制器106执行图2中所示的方法200。系统控制器106(在203)从系统级监视纯化氢气流108的产生。与监视纯化氢气气流的产生相呼应，系统控制器106还(在206)从系统级监视纯化氢气气流108的压缩、存储和分发中的至少一项。在图示实施例中，系统控制器106实际监视压缩、存储和分发中的所有三项。系统控制器106随后(在209)当在系统级检测到危险状况时切断纯化氢气气流产生和压缩、存储或分发中的至少一项。
为了进一步理解本发明并说明可以在替换实施例中实施的本发明的各个方面，现在将给出关于设备100的构造和操作的额外细节。PHG 102的构造如图3-图4所示。图5示出了CSD 104的实施方式。图6-图11图示了氢气发生器300的控制技术。
图3示出了图1中的设备100的PHG 102的一个具体实施例。PHG 102包括被馈送给燃料110的氢气发生器300。氢气发生器300重整燃料110以产生重整物303，重整物303是富含氢气的气流。在图示实施例中，重整物303是40％的氢气。在图示实施例中，氢气发生器300是燃料处理器。压缩机306压缩重整物303，并以预定压强将其提供给氢气纯化器309。在该具体实施例中，氢气纯化器309是变压吸收(“PSA”)单元。氢气发生器300、压缩机306和氢气纯化器309在由计算装置315代表的局部自动控制系统312的指引下运行。
氢气发生器300的设计及其采用的重整工艺在很大程度上取决于输入到氢气发生器300的燃料110和纯化后重整物303将投入的最终用途。在图示实施例中，燃料是天然气，但是也可以是某种其他类型的碳氢化合物。燃料110在环境条件下可以是液态或气态的，只要其可以蒸发即可。这里所用的词语“碳氢化合物”包括具有C-H键的有机化合物，这种有机化合物能够通过部分氧化或蒸汽重整反应产生氢气。在化合物的分子结构中，并不排除除了碳和氢之外的其他原子的存在。从而，合适的燃料包括但不限于诸如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油和柴油燃料之类的碳氢化合物燃料和诸如甲醇、乙醇、丙等等的醇燃料。
氢气发生器300的设计将是多种因素的函数，包括要使用的燃料110和重整物303的组分。如上所述，图示实施例的氢气发生器300是燃料处理器。燃料处理器是本领域公知的，并且本领域已知的任何合适的燃料处理器设计都可以用于实现氢气发生器300。一种这样的设计在下面参考图4更完整地讨论。然而，注意，除了燃料处理之外的可以将燃料110转换为富氢气流的其他技术也是已知的。一种这样的示例性的替换技术是电解器。因而，氢气发生器300仅仅是燃料110可以被重整的一种手段的例子，在替换技术中可以采用其他手段。
类似地，氢气纯化器309的设计将是诸如重整物303的组分和对输出纯化氢气108的要求(例如输出压强和纯度)之类的因素的函数。压缩机306被选择为适应氢气发生器300的输出压强和氢气纯化器309的输入压强。同样如上所述，图示实施例的氢气纯化器309是PSA单元。PSA单元是本领域公知的，并且本领域已知的任何合适的PSA单元都可以用于实施氢气纯化器309。然而，注意，除了变压吸收之外的可以用来纯化重整物303的其他技术也是已知的。一种这样的示例性替换技术是使用氢选择性薄膜，例如在用于将富氢流中的氢与杂质分离的燃料处理领域中已知的薄膜。因而，氢气纯化器309仅仅是重整物303可以被纯化的一种手段的例子，在替换技术中可以采用其他手段。
如前所述，氢气发生器300向氢气纯化器309提供了富氢排出气流或者说“重整物”，如图标303所示。在图示实施例中，重整物303包括氢气和二氧化碳，并且还可以包括某些水汽、未转换的碳氢化合物、一氧化碳、杂质(例如，硫化氢和氨)和惰性分量(例如，氮和氩，尤其在空气是馈入流的成分的情况下)。然而，注意，重整物303的精确组分取决于不同的实施方式，并且对于本发明的实施来说并不是实质性的。
图4图示了图示实施例的氢气发生器300的一个具体实施例。在图示实施例中，氢气发生器300是“燃料处理器”或“重整器”，即一种用于将碳氢化合物燃料转换为富氢气体的装置。这里应当使用术语“燃料处理器”。在这里图示的实施例中，氢气发生器300是用于由碳氢化合物燃料产生富氢气流的小型处理器。然而，在替换实施例中可以使用其他燃料处理器。氢气发生器300包括几个模块化的物理子系统，即：
-自热式重整器(“ATR”)410，其执行将燃料110重整为重整物303的氧化-还原反应；
-氧化器(“Ox”)414，在图示实施例中其是阳极尾气氧化器(“ATO”)，其预热水416、燃料110和空气418以将加热的燃料混合物或“工艺馈送流”420传输到ATR 410；
-燃料子系统422，其将输入燃料110传输到氧化器414，以便预热并被包含到传给ATR 410的工艺馈送流420中；
-水子系统424，其将水416传输到氧化器414以转换为水汽并被包含到传给ATR 410的工艺馈送流420中；
-空气子系统426，其将空气418传输到氧化器414以便包含到传给ATR 410的工艺馈送流420中；以及
-热子系统428，其通过循环冷却剂416来控制ATR 410的运行中的温度。
这些子系统的具体实施例在下面参考图12A-图12F更完全地公开。燃料子系统422、水子系统424、空气子系统425和热子系统428可以按本领域已知的适合于实现氧化器414和ATR 410的运行特性的任何方式实现。
在某些实施例中，ATR 210的水煤气变换采用非自燃变换催化剂(未示出)。非自燃变换催化剂是在初始还原后暴露于空气中时一般不会使温度增大到高于200℃的催化剂。非自燃变换催化剂可以是基于贵重金属(例如铂)或非贵重金属(例如铜)的。适合用于本发明的可购得的非自燃变换催化剂是可以从New Jersey，Iselin的Engelhard Corporation得到的SELECTRA SHIFTTM。然而，可以使用其他合适的非自燃变换催化剂。
在ATR 210的重整操作期间，重整物和可选地额外的水汽被引导通过变换催化剂床。应当注意确保液态水不会进入变换床，因为液态水会覆盖催化剂并可能导致催化剂性能下降。变换反应温度被维持在低于约300℃的温度下。变换催化剂可以承受超过该温度的瞬间温度少于约60分钟的很短一段时间，优选地少于约45分钟，并且更优选地少于约30分钟。然而，即使在这样的瞬间时段内，反应温度也应当低于约400℃，优选地低于约375℃，更优选地低于约350℃。如果变换催化剂承受过高温度条件一段更长的时间，则催化剂的活性可能不可逆地变为有利于甲烷化反应。
变换催化剂需要再生以保持其活性。变换催化剂的再生可以通过氧化实现。具体而言，进入重整器以及进入变换催化剂床的水汽流被中断，使得只有空气流经变换床。在反应器已被净化后，变换催化剂床的氧化被允许进行。通过氧化进行的催化剂床的再生可以被允许在较低温度下更缓慢地进行(例如通过将变换床整夜维持在约220℃的温度)，或者可以在较高温度下更快地进行(例如通过将变换床维持在高达约400℃的温度下约1小时或更长)。在再生期间，应当注意确保液态水或水汽不会流经变换催化剂床。
图5图示了图1的CSD 104的一个具体实施例。CSD单元104包括压缩单元500、存储单元503和分发单元506。压缩单元500从PHG 102接收纯化氢气108以存储在存储单元503中。纯化氢气108在某一压强下存储，直到经由分发单元506分发。CSD 104的操作由计算装置512代表的局部自动控制系统509控制。CSD 104可以是本领域已知的任何CSD。
PHG 102和CSD 104都包括局部控制器——即图3中所示的局部控制系统312和图5中所示的局部控制系统509。这些局部控制系统312、509可以使用传统的本领域公知的控制策略。在图示实施例中，CSD 104的局部控制系统509事实上确实采用了传统的控制策略。然而，PHG 102则没有。
图6图示了根据本发明设计、构建和操作的控制系统600的一个具体实施例。该特定的控制系统在2003年4月19日提交的发明人为Vesna R.Mirkovic等人的题为“Architectural Hierarchy of Controlfor a Fuel Processor”的美国专利申请No.10/407,488中得到更完全地公开，该申请与本申请被转让给同一受让人。现在复述相关部分以进一步理解本发明的选定部分。
控制系统600包括主控制管理器602和多个物理子系统管理器604。子系统管理器604的数目对于本发明来说并不是实质性的。因此，图6图示了N个子系统管理器604，被指定为子系统管理器0到子系统管理器N。理论上，数目N可以是任何数目，但是受益于本公开文件的本领域技术人员将意识到由于不同实施方式特有的细节可能有某些实际限制。但是，子系统管理器604的数目N对于本发明的实施来说并不是实质性的。
控制系统600主要是用软件实现在计算装置上，例如图7A和图7B中所示的机架式计算装置312。注意，计算装置312不需要在所有实施例中都是机架式的。事实上，任何给定实施方式的这一方面对于本发明的实施来说都不是实质性的。计算装置312可以实现为桌面个人计算机、工作站、笔记本或膝上型计算机，甚至是嵌入式处理器。
图7A和图7B中所示的计算装置312包括通过总线系统715与存储装置710通信的处理器705。存储装置710可以包括硬盘和/或随机访问存储器(“RAM”)和/或可移动存储装置，例如软磁盘717和光盘720。存储装置710编码有存储上述采集的数据集合的数据结构725、操作系统730、用户接口软件735和应用765。用户接口软件735与显示器740相结合实现用户接口745。用户接口745可以包括外围I/O设备，例如小键盘或键盘750、鼠标755或操纵杆760。处理器705在操作系统730的控制下运行，操作系统730实际可以是本领域已知的任何操作系统。应用765在加电、复位或这两者时由操作系统730调用，这取决于操作系统730的实施方式。在图示实施例中，应用765包括图6中所示的控制系统600。
因而，本发明的至少某些方面一般作为软件被实施在适当编程的计算设备(例如，图7A和图7B中的计算装置312)上。指令可以编码在例如存储装置710、软盘717和/或光盘720上。因此，本发明在一个方面包括被编程为执行本发明的方法的计算装置。在另一个方面中，本发明包括编码有指令的程序存储设备，所述指令当被计算装置执行时执行本发明的方法。
现在返回图4，在图示实施例中，ATR 410、氧化器414、燃料子系统422、水子系统424、空气子系统426和热子系统428中的每一个构成了由子系统管理器604之一控制的物理子系统。从而，与图4中所示的特定氢气发生器300一起使用的控制系统600的一种特定实施方式如图8中所示，包括：
-主控制管理器802，其通过子系统管理器管理氢气发生器300的控制；
-燃料子系统管理器804，其控制到ATO 414的燃料的传输以混合到传给ATR 410的工艺馈送流中；
-水子系统管理器806，其控制到ATO 414的水的传输以混合到传给ATR 410的工艺馈送流中；
-空气子系统管理器808，其控制到ATO 414的空气的传输以混合到传给ATR 410的工艺馈送流中；
-ATO子系统管理器810，其控制水汽、燃料和空气的混合以产生作为工艺馈送流被传输到ATR 410的燃料混合物；
-ATR子系统管理器812，其控制ATR 410中的氧化-还原反应，该反应将输入到氢气发生器300的燃料110重整为重整物303；
-热子系统管理器814，其通过热子系统428控制ATR 410运行中的温度。
-压缩机PSA子系统管理器815，其控制压缩机306和氢气纯化器309的操作。
因而，子系统管理器804-814中的每一个都控制相应的物理子系统410、414、422、424、426和428的运行。
控制系统800还包括对其分层方式的模块化作出贡献的额外层。更具体而言，控制系统800包括硬件相关层816和“兼容性”层818。与硬件相关的控制功能的多个方面被划分到硬件相关层816中。例如，参考图4，为了增大到氧化器414的燃料110的流，一个或多个控制阀打开。控制信号(未示出)被从控制系统800发送到(一个或多个)控制阀的致动器(也未示出)，并且该信号的特性是与硬件相关的。实际产生并发送该控制信号的功能被划分到硬件相关层816中。这样，如果例如燃料子系统422中的硬件从一种模型变为另一种，则只有硬件相关层816需要被修改。
兼容性层818转换由子系统管理器804-815发出的指令以使得它们与氢气发生器300的硬件相兼容。例如，一个子系统管理器804-815可以利用一个特定测量单位请求一个事件。实现该请求所需的硬件可以采取第二测量单位的指令。兼容性层818将把由子系统管理器804-815发出的第一测量单位的指令转化为硬件所采用的第二测量单位，以便其可以由硬件相关层816实施。
此外，控制系统800的图示实施例包括诊断层820，该层也对其分层方式的模块化有贡献。子系统管理器804-815中的每一个监视其相应的物理子系统410、414、422、424、426和428的错误状况。更具体而言，子系统管理器804-815监视“切断”状况，即足够重要的错误状况，这种状况足以切断氢气发生器300。由子系统管理器804-815检测到的错误状况通过诊断层820被报告给主控制管理器802。
子系统管理器804-815中的每一个还具体实施在图9中概念性示出的模块化内部结构900。子系统管理器804-815中的每一个采用该模块化内部结构900来进行对相应的物理子系统410、414、422、424、426、428、300、306和309的管理。子系统管理器804-815中的每一个包括：
-信息交换模块905，特定的子系统管理器804-815通过该模块确定实施由其他子系统管理器804-815通过主控制管理器802请求的事件的可行性，并识别用于实施所请求的事件的动作；
-诊断模块910，该模块通过信息交换模块905与诊断层820通信以报告错误状况；
-物理模块915，信息交换模块905咨询该模块以识别用于实施所请求的事件的动作，并且诊断模块与该模块通信以获得关于错误状况的信息；以及
-控制模块920，物理模块915咨询该模块以确定要采取哪些动作来实施所请求的事件，并且通过该模块经由兼容性层818与硬件相关层816通信以获得用于这种确定的信息。
在省略了诊断层820的控制系统800的替换实施例中，诊断模块910可以从子系统管理器804-815中省略。
参考图8，在图示实施例中，子系统管理器804-815通过从它们的信息交换模块905经由主控制管理器802传送请求来彼此协作。例如，考虑这样的情形：其中首先在图4中示出的氧化器414感测到来自燃料子系统422(也首先在图4中示出)的馈送中的压强下降。ATO子系统管理器810可以请求燃料供应增加。用图示实施例的说法，燃料增加是一个“事件”。ATO子系统管理器810通过其图9中所示的信息交换模块905发出请求，信息交换模块905将请求传送到主控制管理器802。主控制管理器802将请求转发到适当的物理子系统管理器——在这种情况下是燃料子系统管理器804。
燃料子系统管理器804经由其自身的信息交换模块905接收请求，信息交换模块905进行检查以确认它是否处于实施请求的合适工作状态(下面进一步讨论)。然后，燃料子系统管理器804实施所请求的事件(如果它是可允许的并且是可行的)。信息交换模块905指示物理模块915实施所请求的事件。信息交换模块905查询控制器模块920关于需要采取哪些动作。信息交换模块905随后向物理模块915通知需要采取的那些动作。物理模块915随后经由兼容性层818通过硬件相关层816向硬件致动器(未示出)发出这样的指令。
子系统管理器804-815可以使用传统的控制策略来控制其相应子系统的启动和运行。然而，在图示实施例中，ATR子系统管理器812采用组合控制策略来控制变换反应温度。该控制策略在与本申请同日提交的发明人为Hongqiao Sun等人的题为“Combinational ControlStrategy for Fuel Processor Reactor Shift Temperature Control”的美国申请No.11/015,711(律师案卷号No.2098.001300/T-6433)中得到更完全的公开，该申请与本申请被转让给同一受让人。现在对相关部分进行复述。
图12F概念性地示出了ATR 410的一种具体实施方式。ATR 410可以利用本领域已知的任何合适的设计实现。图示的ATR 410包括几级1201-1205，包括几个热交换器1209和电加热器(未示出)。重整器变换床1212(即1201-1202部分)用来实现水煤气变换反应，这种反应减少了CO浓度并且增大了H2生产率。
每个热交换器1209分别通过线路REF1-REF3从图4中所示的热子系统428接收控温冷却剂(未示出)，并分别通过线路THERM4-THERM4将其返回。在每根线路中冷却剂的流动速率由相应的变速(即正位移)泵1215-1217控制。泵1215-1217由图3中所示的自动控制系统312通过分别经由线路A1-A4接收的信号控制。在图示实施例中，单个泵可以提供通过REF1-REF4的一定压强下的冷却剂，并且流动速率可以由诸如流控制阀1218之类的流控制阀控制。受益于本公开文件的本领域技术人员将意识到，该图通过省略了与本发明并不相关的某些元件而得以简化。例如，上述热交换器和到1203-1205部分的多种输入和输出已被省略，以便描述清楚和不模糊所讨论的控制技术。
变换床1212还包括设在其中的多个传感器T1-T4。温度传感器Tx的精确数目并不是实质性的，尽管较大的数目一般将会提供更精细的控制度。在图示实施例中，温度传感器T1-T4是热电偶。自动控制系统312使用温度传感器T1-T4来监视变换床1212内各个位置处的实际温度。温度检测点是基于冷却/加热系统的结构选择的，并且应当被选择为使得所测得的温度反映了真实的反应温度，而不是与热交换线圈1209相邻的局部温度。
注意，温度传感器T1和T2都按照实施方式特有的细节测量接近同一热交换器1209的温度。该特定热交换器1209只包括单个冷却剂输入REF1。温度传感器T1-T4中的大多数测量包含热交换器1209的催化剂床部分下游的温度。T1被假定为读取刚刚处于最上端催化剂床(未示出)下游的温度。然而，在安装和运输期间，床可能会发生移动和下陷，从而T1测量的是空气温度而不是床或反应温度。因而，第二传感器T2被添加以监视ATR 410的上部1201。当T1和T2感测到不同温度时，控制系统106取这两个温度中的较高值。一般来说，在这两个感测到的温度之间通常只有微小的差别。
预热和水冷将变换床1212内的温度维持在期望的反应温度范围内。为了实现这一目的，在放大的变换反应器中，多个热交换线圈1209可以提供局部的温度控制。在图示实施例中，延长的变换床1212采用三个不同的热交换线圈1209来控制变换床1212的温度。反应温度控制策略作为H2生产率、变换反应级、变换床垂直温度梯度和温度检测点的组合按下面更充分描述的方式变化。鲁棒性的变换温度控制环路被开发用于供重整器生成稳定的、高质量的H2产品。
图10概念性地示出了根据本发明由图示实施例采用的控制环路1000。用于变速泵1215-1217中的每一个的设置由相应控制环路1000控制。在图示实施例中，控制技术采用完全系统建模效应(将重整器作为一个整体，包括ATR部分、ZnO部分、变换部分、生产率等等)，开发一种对装置响应的PID控制环路，并且测试数据被用于补偿模型偏移以提高控制器的鲁棒性。
更具体而言，系统建模考虑到了基于当前流动速率、上游温度分布特性、反应级以及由于热损耗和放热反应效应而引起的变换床温度梯度的目标氢气生产率。可以由上游反应和状况、反应器的几何形状、到变换催化剂床的馈送和所使用的变换催化剂的类型以及其他因素生成用于变换床的每个部分的系统模型。这一类型的多种建模技术是本领域已知的，并且可以采用任何合适的建模技术。系统建模被用于生成用于温度控制的设置点。这些设置点包括将进入特定变换床部分的预测重整物的组分、流动速率和温度。从而，系统建模生成由温度传感器T1-T4测得的温度的一组设置点。系统建模还产生一组结果，该组结果例如将可能由温度传感器T1-T4测得的温度与ATR 410的H2生产率相关联。
更具体而言，由图示实施例所用的模型(未示出)是利用AspenPlaus和Aspen Custom Modeler开发的。这些软件包可以从以下地址购得：
Aspen Technology，Inc.
Ten Canal Park
Cambridge，Massachusetts 02141-2201
USA
Phone：+1-617-949-1000
Fax：+1-617-949-1030
Email：info@aspentech.com
然而，在替换实施例中可以采用本领域中已知的其他合适的建模软件。
模型有稳态和动态能力。燃料处理器300的性能由模型根据热动态参数来估计，热动态参数导致给定温度和压强下的期望状态。反应转换和组分或者是由在用于这种典型反应的文献中可得到的动力学数据确定的，或者是基于在实验室中对特定反应进行的实验由模型估计的。对于重整物303而言期望的H2纯度和流动速率被指定，并且模型计算天然气流、空气流(从最优的O2/C比回推的)和水流(从最优的水汽/碳比回推的)。
所得到的ATR 410的温度被计算作为因使ATR反应的自由能最小化而产生的绝热温度上升。重整物的组分由模型(根据热动态和反应参数估计)确定。利用这一组分，模型随后根据经验相关性计算最终用途所需的期望速度。
对于测得温度T1-T4中的每一个，ATR子系统管理器812由测得温度1009和用于测得温度的设置点1012确定在反应器的反应部分中用于管理测得温度1009的致动器的设置调整1006的第一分量1003。设置点1012被确定为上述建模结果的一部分。测得温度1009是由温度传感器Tx在图12F所示的变换床1212中的感兴趣的点处测得的温度，温度传感器Tx被布置在该点处。在图示实施例中，设置点1012和测得温度1009之间的差1015被输入到比例-积分-微分(“PID”)控制器1018，例如本领域中已知的控制器。PID控制器1018的输出是第一分量1003。
ATR子系统管理器812还由燃料处理器102的H2生产率确定用于设置调整1006的第二分量1021。在图示实施例中，至少前述建模结果的选定部分被以可用H2生产率索引的形式制成表格。从而，建模结果1027可以例如是查找表，其中致动器的各种设置调整依靠其相关的H2生产率编索引。注意，建模结果1027一般通过对多种运行情形中的氢气发生器300的运行进行建模来生成先验知识(priori)，从而获得该信息。还要注意，第一和第二分量1003、1021的确定可以并行或串行执行。
ATR子系统管理器812随后由第一和第二分量1003、1021确定设置调整1006。在图示实施例中，第一和第二分量1003、1021被求和以获得设置调整1006，尽管替换实施例可以使用更加复杂的用于确定的技术。然后，设置调整1006通过线路Ay被告知给致动器。注意，设置调整1006可以是0，即，不需要任何改变，因为测得温度1009与设置点1012合适地匹配。然而，在任何给定时刻，第一分量1003、第二分量1021和设置调整1006中的至少一个(有时是全部)是非零的。
注意，在某些情况下，第一和第二分量1003、1021可以沿相反方向工作，一个告诉泵增大流，另一个告诉泵减小流。从而，在图示实施例中，两个分量1003、1021在控制冷却剂流方面不被给予相等的权重。具体而言，H2生产率和来自查找表的信息(即，第二分量1021)是主导分量。从测得温度1009和设置点1012导出的第一分量1003被用于精细调节泵速。举个例子，第二分量1021可能指示给定泵以50％的容量工作，而第一分量关注于误差，并且可以在±5％的容量内调整泵速。
因此，本发明容许局部控制器执行其功能的方式有广泛的变化，局部控制器即图3中所示的局部控制系统312和图5中所示的局部控制系统509。例如，局部控制系统312可以采用传统的技术，而不是以上参考图6-图10公开的技术。相反地，局部控制系统509可能采用局部控制系统312所采用的技术。
然而，注意，通过管理合法权限所施加的代码可能导致对控制策略的修改。考虑图11中所示的氢气燃料站1100，其是图1中所示的设备100的变体，其中相似的部分用相似的标号。图11还示出用于氢气燃料站1100的各个信号，以提供关于在该具体实施例中本发明如何工作的更详细的例子。
在图示实施例中，系统控制器106是遵从Class 1、Division 2、Group B National Electrical Code标准的可编程逻辑控制器(“PLC”)。合适的PLC是本领域已知的，例如可以从德国慕尼黑的Siemens AG购得的SIMATIC系列PLC。系统控制器106包括24V电源(未示出)，并且由指定为“UPS2”的不间断电源(“UPS”)1103供电，而没有任何电路断路器熔丝以避免UPS被置于其中的图3所示的机壳318中的放电或火花。PHG 102由指定为“UPS1”的第二UPS1104和来自传统三相电网(未示出)的电源1105供电。
系统控制器106还接收与安全因素有关的多个其他信号。氢气燃料站1100包括多个紧急关断(“ESO”，未示出)开关，系统控制器直接接收这多个紧急关断开关的输出1106。氢气燃料站1100还包括多个位于其周边位置处的气体传感器(未示出)。这些传感器的输出1109也由系统控制器106直接接收。气体传感器可以专用于感测用作燃料110的天然气或氢气108、110中的一种或这两者。
氢气燃料站1100还包括独立的火警控制面板1112。除了气体传感器以外，氢气燃料站1100包括多个沿站点散布的火焰传感器和烟雾警报(这两者都未示出)。这些传感器的输出1115、1118被输出到火警控制面板1112。另外，PHG 102包括多个火焰传感器(未示出)，其输出1121被直接输出到火警控制面板1112。火警控制面板1112监视输出1115、1118、1121，并且如果检测到烟雾或火焰，则通过线路1124输出警报到系统控制器106。在图示实施例中，该警报也被直接发送到本地的消防队。
PHG 102和CSD 104彼此直接通信，如标号1127所示。PHG 102在其准备好传输纯化氢气108时通知CSD 104。CSD 104在图3中所示的存储单元503处于最小容量时以及处于满时通知PHG 102。在图示实施例中，“最小容量”是总容量的30％。因而，一旦PHG 102做好准备，其就向CSD 104提供纯化氢气108，直到存储单元503已满时才停止供应。当CSD 104已经分发足量的纯化氢气108后存储单元503仍小于30％容量时，其通知PHG 102。PHG 102随后再次提供纯化氢气108，直到CSD 104告知存储单元503已满时为止。
PHG 102和CSD 104还与系统控制器106双向通信，如分别由标号1130、1133所示。然而，PHG 102和系统控制器106之间的通信与CSD 104和系统控制器106之间的通信是不同的。该区别直接起因于系统控制器106对PHG 102和CSD 104采取的不同控制策略。
系统控制器106与图5中所示的CSD 104的局部控制系统509直接通信。系统控制器106监视来自CSD 104的输出，等待CSD 104中的故障通知。如果系统控制器106接收到这种通知，则其向CSD 104发出命令要求切断。CSD 104内的局部状况的所有监视操作都由局部控制系统509执行。因此，系统控制器106只间接监视CSD 104内的状况，即通过局部控制系统509的操作的过滤器监视CSD 104内的状况。
相反地，系统控制器106通过监视在PHG 102内感测到的多个参数来监视PHG 102的操作。更具体而言，如上所述，图3中所示的局部控制系统312在第一情形下监视PHG 102内的操作状况。局部控制系统312通过实现图8中所示的分层控制体系结构800来执行该监视，作为其控制功能的一部分。为此，PHG 102包括监视局部操作状况的多个传感器，例如温度和压强传感器(例如，图10中的温度传感器T1-T4)。为了帮助说明这些参数被监视的方式，子系统410、414、422、424、426、428的具体实施方式在图12A-图12F中图示说明。
对于图示实施例而言，被监视的参数在表1中列出。系统控制器106可以通过分层控制体系结构800来获得各个参数，例如通过兼容性层818的相似物对硬件相关层816进行汲取。或者，系统控制器106可以直接接收传感器的输出。
表1被监视的参数
  被监视的参数   参考 被监视的状况/关联动作
  图12E中所示的Ox 414床1220，温度   图12E中的T5 在高温下切断PHG 102
  图12E中所示的Ox 414入口1223，温度(在电加热器上方)   图12E中的T6 在高温下切断PHG 102
  图12F中所示的重整器ATR 410入口1226，温度   图12F中的T7 在高温下切断PHG 102
  重整器变换温度   图12F中的T4 在高温下切断PHG 102
  图12F中所示的重整器出口1229，温度   图12F中的T8 在高温下切断PHG 102
  可燃气体检测器-PHG 102   图3中的G1 在高水平下切断PHG 102
  可燃气体检测器-PHG 102(在未示出的托盘上方)   图3中的G2 在高水平下切断PHG 102
  可燃气体检测器-PHG 102(在压缩机306附近)   图3中的G3 在高水平下切断PHG 102
  PHG 102电机壳318的差分压强   图3中的P1 在电机壳低压下切断PHG 102
  PHG 102热和冷机壳318的差分压强   图3中的P2 在热和冷机壳低压下切断PHG102
  压缩机306的吸压强   图3中的P3 在高压下切断PHG 102
  压缩机306第二级的排放温度   图12B中的T1 关闭XV-090并切断PSA和重整器压缩机
  分离器1232高高级   图12B中的V1 切断压缩机
  分离器1235高高级   图12B中的V2 切断压缩机
  分离器1238高高级   图12B中的V3 切断压缩机
  到PHG 102的数字输出   PHG102切断信号 输出到PHG 102以告知存在紧急状况并且PHG 102必须切断
到CSD 104的数字输出    CSD切断信号 输出到CSD 104以告知存在紧急状况并且CSD 104必须切断
来自CSD 104的数字输入    CSD故障信号 来自CSD 104的输入，关于在CSD 104中存在紧急状况，并且设施的其余部分必须切断
来自设施ESO按钮的数字信号输入    ESO#1-ESO#5信号 站点中的手动紧急停止按钮
CO监视器-热机壳318    图3中的T10 在高水平下切断PHG 102
CO监视器    图3中的G4 在高水平下切断PHG 102
火警面板    火警信号 指示已检测到火灾并且SIS需要切断设施的信号
站可燃气体检测器    图5中的G1-G4 检测到任何输入将导致PHG102切断以及设施切断
图4中所示的ATO 414，入口温度-倒回检测    图12E中的T11 在高温下切断PHG 102
图4中所示的ATO 414，入口温度    图12E中的T12 在高温下切断PHG 102
电压中继下的UPS1    UPS1故障信号 在UPS1的电压损耗下切断PHG 102
然而，注意，本发明在替换实施例中容许这一方面的变化。例如，在某些实施例中，系统控制器106可以间接监视PHG 102和CSD 104中的状况，例如分别通过图3、图5中所示的局部控制系统312、509的过滤器监视PHG 102和CSD 104中的状况。在其他实施例中，系统控制器106可以直接监视在PHG 102和CSD 104内感测到的参数。
系统控制器106实现在图13A和图13B所示的计算装置1300中。系统控制器包括通过总线系统1315与存储装置1310通信的处理器1305。存储装置1310可以包括硬盘和/或随机访问存储器(“RAM”)和/或可移动存储装置，例如软磁盘1317和光盘1320。存储装置1310编码有存储上述所需的数据集合的数据结构1325、操作系统1330、用户接口软件1335和应用1365。用户接口软件1335与显示器1340相结合实现用户接口1345。用户接口1345可以包括外围I/O设备，例如小键盘或键盘1350、鼠标1355或操纵杆1360。处理器1305在操作系统1330的控制下运行，操作系统1330实际可以是本领域已知的任何操作系统。应用1365在加电、复位或这两者时由操作系统1330调用，这取决于操作系统1330的实施方式。在图示实施例中，应用1365实现图2所示并且如上所述的方法200。
注意，本发明的至少某些方面一般作为软件被实施在适当编程的计算设备(例如，图13A和图13B中的计算装置1300)上。指令可以编码在例如存储装置1310、软盘1317和/或光盘1320上。因此，本发明在一个方面包括被编程为执行本发明的方法的计算装置。在另一个方面中，本发明包括编码有指令的程序存储设备，所述指令当被计算装置执行时执行本发明的方法。
因此，这里的具体实施方式的某些部分可以用软件实现的过程来表达，这种过程涉及对计算系统或计算设备中的存储器内的数据位的运算的符号表示。这些描述和表示是本领域技术人员用来最有效地向本领域其他技术人员传达其工作实质内容的手段。这些过程和操作需要对物理量进行物理操作。通常(但是不一定)，这些量采用电的、电磁的或光信号的形式，这些信号能够被存储、转移、组合、比较和以其他方式操作。已经证明，有时主要出于通用的目的将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字等等是很方便的。
然而，应当记住，所有这些和类似的术语都应当与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非特别指出或者以其他方式变清楚，否则在整篇公开文件中，这些描述指的是电子设备的动作和过程，电子设备操作被表示为某个电子设备的存储装置内的物理(电子的、磁的或光的)量的数据并将其变换为类似地表示为存储装置内的物理量的其他数据或者处于传输或显示设备中的其他数据。指示这种描述的术语的例子是(并不限于)术语“处理”、“计算”、“确定”、“显示”等等。
这一部分对具体实施方式作出结论。以上公开的具体实施例只是说明性的，因为本发明可以以不同但是等同的方式被修改和实施，这些方式对于受益于这里的教导的本领域技术人员来说是显而易见的。此外，并不是要对这里示出的构造或设计的细节作出任何限制，除了在下面的权利要求中描述的以外。因此，很明显，以上公开的具体实施例可以被改变或修改，并且所有这些变化都被认为是在本发明的范围和精神内。因此，这里的保护范围由权利要求限定。

Claims (50)

1.一种设备，包括：
氢气发生器；
压缩单元、存储单元和分发单元中的至少一个；以及
系统控制器，所述系统控制器能够在系统级监视所述氢气发生器以及所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行，并且在检测到危险状况时切断氢气发生器和所述压缩单元、存储单元或分发单元中的至少一个。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括能够纯化由所述氢气发生器产生的富氢气流的氢气纯化器。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括燃料处理器或电解器。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述氢气纯化器包括变压吸收单元或氢选择性薄膜。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器包括可编程逻辑控制器。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述氢气发生器的运行。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述压缩单元、存储单元或分发单元包括第二局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述第二局部控制器的输出来监视所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述压缩单元、存储单元或分发单元包括局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器能够通过监视在所述氢气发生器内感测到的多个参数来监视所述氢气发生器的运行。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述系统控制器能够通过监视在所述压缩单元、存储单元或分发单元内感测到的第二多个参数来监视所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器能够通过监视在所述压缩单元、存储单元或分发单元内感测到的多个参数来监视所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行。
12.如权利要求1所述的设备，还包括能够监视所述设备以发现火灾指示并将其告知所述系统控制器的火警控制系统。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器还能够监视电源的中断和紧急关断信号中的至少一个。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括用于纯化由所述氢气发生器产生的富氢气流的装置。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括用于产生氢气的装置。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括用于控制所述压缩单元、存储单元或分发单元中的至少一个和所述氢气发生器的装置。
17.如权利要求1所述的设备，其中所述氢气发生器包括用于控制所述氢气发生器的局部装置，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制装置的输出来监视所述氢气发生器的运行。
18.如权利要求1所述的设备，其中所述压缩单元、存储单元或分发单元包括用于控制所述压缩单元、存储单元或分发单元的局部装置，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制装置的输出来监视所述压缩单元、存储单元或分发单元的运行。
19.如权利要求1所述的设备，还包括用于检测烟雾或火焰并将其告知所述系统控制器的装置。
20.一种设备，包括：
用于生成氢气的装置；
用于压缩、存储和分发氢气中的至少一项的装置；以及
用于监视所述氢气生成装置和所述压缩、存储或分发装置的运行，并在检测到危险状况时切断氢气生成装置和所述压缩、存储或分发装置中的至少一个的装置。
21.如权利要求20所述的设备，其中所述氢气生成装置包括能够纯化由所述氢气生成装置产生的富氢气流的氢气纯化器。
22.如权利要求20所述的设备，其中所述氢气生成装置包括燃料处理器或电解器。
23.如权利要求20所述的设备，其中所述监视和切断装置包括可编程逻辑控制器。
24.如权利要求20所述的设备，其中所述氢气生成装置包括局部控制器，并且所述监视和切断装置能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述氢气生成装置的运行。
25.如权利要求20所述的设备，其中所述压缩、存储或分发装置包括局部控制器，并且所述监视和切断装置能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述压缩、存储或分发装置的运行。
26.如权利要求20所述的设备，其中所述监视和切断装置能够通过监视在所述氢气生成装置内感测到的多个参数来监视所述氢气生成装置的运行。
27.如权利要求20所述的设备，其中所述监视和切断装置能够通过监视在所述压缩、存储或分发装置内感测到的多个参数来监视所述压缩、存储或分发装置的运行。
28.如权利要求20所述的设备，还包括能够监视所述设备以发现火灾指示并将其告知所述监视和切断装置的火警控制系统。
29.如权利要求20所述的设备，其中所述监视和切断装置还能够监视电源的中断和紧急关断信号中的至少一个。
30.一种方法，包括：
从系统级监视氢气流的生成；
与监视所述氢气流的生成相呼应，从系统级监视所述氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项；以及
在所述系统级检测到危险状况时，切断所述氢气流生成和所述压缩、存储或分发中的至少一项。
31.如权利要求30所述的方法，其中监视氢气流的生成包括监视用于纯化富氢气流的氢气纯化器。
32.如权利要求30所述的方法，其中监视氢气流的生成包括监视燃料处理器或电解器的操作。
33.如权利要求31所述的方法，其中监视所述氢气纯化器包括监视变压吸收单元或氢选择性薄膜。
34.如权利要求30所述的方法，还包括局部监视氢气流的生成，其中在系统级监视氢气流的生成包括监视因对氢气生成进行局部监视产生的输出。
35.如权利要求34所述的方法，还包括局部监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项，其中在系统级监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项包括监视因对氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项进行局部监视产生的输出。
36.如权利要求30所述的方法，还包括局部监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项，其中在系统级监视氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项包括监视因对氢气流的压缩、存储和分发中的至少一项进行局部监视产生的输出。
37.如权利要求30所述的方法，其中从系统级监视氢气流的生成包括监视在氢气流的生成内感测到的多个参数。
38.如权利要求37所述的方法，其中从系统级监视氢气流的压缩、存储或分发中的至少一项包括监视在氢气流的压缩、存储和分发内感测到的第二多个参数。
39.如权利要求30所述的方法，其中从系统级监视氢气流的压缩、存储或分发中的至少一项包括监视在氢气流的压缩、存储和分发内感测到的第二多个参数。
40.如权利要求30所述的方法，还包括能够监视所述方法以发现火灾指示并将其告知系统控制器的火警控制系统。
41.如权利要求30所述的方法，还包括在系统级监视电源的中断和紧急关断信号中的至少一个。
42.如权利要求30所述的方法，还包括监视烟雾或火焰的存在并告知这一情况。
43.一种氢气燃料站，包括：
氢气发生器，包括：
能够将燃料重整为富氢气流的燃料处理器；和
能够纯化所述富氢气流以产生纯化氢气流的变压吸收单元；
能够压缩、存储和分发所述纯化氢气流的压缩、存储和分发单元；以及
系统控制器，所述系统控制器能够在系统级监视所述氢气发生器以及所述压缩、存储和分发单元的运行，并且在检测到危险状况时切断所述氢气发生器以及所述压缩、存储和分发单元中的至少一个。
44.如权利要求43所述的氢气燃料站，其中所述系统控制器包括可编程逻辑控制器。
45.如权利要求43所述的氢气燃料站，其中所述氢气发生器包括局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述氢气发生器的运行。
46.如权利要求45所述的氢气燃料站，其中所述压缩、存储和分发单元包括第二局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述第二局部控制器的输出来监视所述压缩、存储和分发单元的运行。
47.如权利要求43所述的氢气燃料站，其中所述压缩、存储和分发单元包括局部控制器，并且所述系统控制器能够通过监视所述局部控制器的输出来监视所述压缩、存储和分发单元的运行。
48.如权利要求43所述的氢气燃料站，其中所述系统控制器能够通过监视在所述氢气发生器内感测到的多个参数来监视所述氢气发生器的运行。
49.如权利要求48所述的氢气燃料站，其中所述系统控制器能够通过监视在所述压缩、存储和分发单元内感测到的第二多个参数来监视所述压缩、存储和分发单元的运行。
50.如权利要求43所述的氢气燃料站，其中所述系统控制器能够通过监视在所述压缩、存储和分发单元内感测到的多个参数来监视所述压缩、存储和分发单元的运行。
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