CN113621990A - 一种水电解制氢设备的安全仪表系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水电解制氢设备的安全仪表系统，至少包括：一个压力控制回路、一个液位控制回路，以及一个温度控制回路；其中，压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路，共用一个电解槽。本发明技术方案，参与安全仪表系统联锁回路的传感器和逻辑控制器及执行机构独立于参与控制的回路，提高了水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证，增大市场适用性。

Description

一种水电解制氢设备的安全仪表系统
技术领域
本发明涉及氢能源技术领域，特别涉及一种水电解制氢设备的安全仪表系统。
背景技术
氢气作为环境友好的能量载体，清洁、环保、无污染、可再生。近几年，国家正大力支持氢能产业。水电解制氢是常见的工业化制氢方法之一。传统水电解制氢设备采用基本过程控制系统，由多个控制回路组成。系统中多数部件，身兼数职，既参与调节与控制，又在联锁保护回路中发挥作用，虽满足设备运行，但仍存在隐患，难以满足人们对安全生产的需求。
因此，如何提供一种水电解制氢设备的安全仪表系统，提高水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证，已经成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种水电解制氢设备的安全仪表系统，提高水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证。
一种水电解制氢设备的安全仪表系统，至少包括：一个压力控制回路、一个液位控制回路，以及一个温度控制回路；其中，压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路，共用一个电解槽1001。
所述压力控制回路，至少包括：压力变送器P1、压力变送器P2、压力开关P3、过程控制PLC、安全PLC、薄膜调节阀PV、电解槽1001、第一气水分离器1002、第二气水分离器1003和氧气洗涤器1005。
其中，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器1003，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联；所述压力变送器P2连接所述第一气水分离器1002，所述氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3；
所述液位控制回路，包括：液位开关L1、液位开关L2、差压变送器L3、差压变送器L4、差压变送器L5、差压变送器L6、薄膜调节阀LV、氢气洗涤器1004；
其中，所述液位开关L1、差压变送器L3、差压变送器L5分别连接所述第二气水分离器1003，所述液位开关L2、差压变送器L4、差压变送器L6分别连接所述第一气水分离器1002；所述氢气洗涤器1004的一端连接用于平衡所述第一气水分离器(1002)液位和所述第二气水分离器(1003)液位的所述薄膜调节阀LV；其中，所述液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6。
所述温度控制回路，至少包括：铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3、薄膜调节阀TV、换热器1006；
其中，所述铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3分别连接所述电解槽1001；所述铂电阻T1实时测量系统温度，将温度信号传送至所述过程控制PLC；冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入所述换热器1006，所述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，所述温度开关T2冗余所述铂电阻T1、铂电阻T3。
进一步地，压力变送器P2连接第一气水分离器1002，氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，包括：
所述压力变送器P2，将压力信号传送至所述安全PLC，用于压力高高联锁，所述压力变送器P2的测量点独立于参与控制报警的压力变送器P1；
所述氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，所述压力变送器P1和所述压力变送器P2两路同时失效时，所述压力开关P3在系统压力达到设定阈值时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
进一步地，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器1003，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联，包括：
所述压力变送器P1实时测量所述压力控制回路的压力，将信号传送至过程控制PLC；在所述压力控制回路的压力高于设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度增大；反之，在所述压力控制回路的压力低于所述设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度减小。
进一步地，所述压力控制回路中，当所述压力控制回路的压力测量值大于压力报警设定值时，发出报警信号。
进一步地，氢气洗涤器1004的一端连接用于平衡第一气水分离器(1002)液位和所述第二气水分离器(1003)液位的所述薄膜调节阀LV，包括：
氢气洗涤器1004的一端连接所述薄膜调节阀LV，当第一气水分离器1002的液位低于第二气水分离器1003的液位，所述薄膜调节阀LV的开度增大；反之，所述薄膜调节阀LV的开度减小。
进一步地，液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6，包括：
差压变送器L5与差压变送器L6将信号传送至所述安全PLC，并分别独立于所述差压变送器L3和差压变送器L4，当检测到氢气洗涤器1004和氧气洗涤器1005液位超出设定联锁范围时，所述安全PLC发出命令联锁设备停机；
差压变送器L3与差压变送器L4、差压变送器L5与差压变送器L6同时失效，氢气洗涤器1004和氧气洗涤器1005液位超出液位开关L1和液位开关L2的设定联锁范围时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
进一步地，冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入换热器1006，述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，包括：
所述铂电阻T1实时测量系统温度，在所述测量温度高于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度增大；反之，在所述测量温度低于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度减小；当所述测量温度大于温度报警设定值时，发出报警信号。
进一步地，第一气水分离器1002为氢水分离器，第二气水分离器1003为氧水分离器。
本发明所带来的有益效果如下：
从上述方案可以看出，本发明实施例中，一种水电解制氢设备的安全仪表系统，至少包括：一个压力控制回路、一个液位控制回路，以及一个温度控制回路；其中，压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路，共用一个电解槽。本发明技术方案，参与安全仪表系统联锁回路的传感器和逻辑控制器及执行机构独立于参与控制的回路，提高了水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证，增大市场适用性。
附图说明
图1表示本发明实施例的一种水电解制氢设备的安全仪表系统流程图。
其中，附图标记如下：
标号 含义
1001 电解槽
1002 第一气水分离器
1003 第二气水分离器
1004 氢气洗涤器
1005 氧气洗涤器
1006 换热器
M 循环泵
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种水电解制氢设备的安全仪表系统，能够提高水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证，增大市场适用性。
如图1所示，图1为本发明实施例的一种水电解制氢设备的安全仪表系统流程图。
图1中，一种水电解制氢设备的安全仪表系统，至少包括：一个压力控制回路、一个液位控制回路，以及一个温度控制回路；其中，压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路，共用一个电解槽1001。
所述压力控制回路，至少包括：压力变送器P1、压力变送器P2、压力开关P3、过程控制PLC、安全PLC、薄膜调节阀PV、电解槽1001、第一气水分离器1002、第二气水分离器1003和氧气洗涤器1005。
其中，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器1003，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联；所述压力变送器P2连接所述第一气水分离器1002，所述氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3；
所述液位控制回路，包括：液位开关L1、液位开关L2、差压变送器L3、差压变送器L4、差压变送器L5、差压变送器L6、薄膜调节阀LV、氢气洗涤器1004；
其中，所述液位开关L1、差压变送器L3、差压变送器L5分别连接所述第二气水分离器1003，所述液位开关L2、差压变送器L4、差压变送器L6分别连接所述第一气水分离器1002；所述氢气洗涤器1004的一端连接用于平衡第一气水分离器(1002)液位和所述第二气水分离器(1003)液位的所述薄膜调节阀LV；其中，所述液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6。
所述温度控制回路，至少包括：铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3、薄膜调节阀TV、换热器1006；
其中，所述铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3分别连接所述电解槽1001；所述铂电阻T1实时测量系统温度，将温度信号传送至所述过程控制PLC；冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入所述换热器1006，所述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，所述温度开关T2冗余所述铂电阻T1、铂电阻T3。
进一步地，压力变送器P2连接第一气水分离器1002，氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，包括：
氢气洗涤器1004出口增加所述压力变送器P2，用于压力高高联锁，所述压力变送器P2的测量点独立于参与控制报警的压力变送器P1；
所述氧气洗涤器1005的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，所述压力变送器P1和所述压力变送器P2两路同时失效时，所述压力开关P3在系统压力达到设定阈值时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
本发明实施例中，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器1003，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联，包括：
所述压力变送器P1实时测量所述压力控制回路的压力，将信号传送至过程控制PLC；在所述压力控制回路的压力高于设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度增大；反之，在所述压力控制回路的压力低于所述设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度减小。其中，所述压力控制回路中，当所述压力控制回路的压力测量值大于压力报警设定值时，发出报警信号。
本发明实施例中，氢气洗涤器1004的一端连接用于平衡氢气洗涤器1004液位和氧气洗涤器1005液位的所述薄膜调节阀LV，包括：
氢气洗涤器1004的一端连接所述薄膜调节阀LV，当第一气水分离器1002的液位低于第二气水分离器1003的液位，所述薄膜调节阀LV的开度增大；反之，所述薄膜调节阀LV的开度减小。
本发明实施例中，液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6，包括：
差压变送器L5与差压变送器L6将信号传送至所述安全PLC，并分别独立于所述差压变送器L3和差压变送器L4，当检测到氢气洗涤器1004和氧气洗涤器1005液位超出设定联锁范围时，所述安全PLC发出命令联锁设备停机；
差压变送器L3与差压变送器L4、差压变送器L5与差压变送器L6同时失效，氢气洗涤器1004和氧气洗涤器1005液位超出液位开关L1和液位开关L2的设定联锁范围时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
本发明实施例中，冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入换热器1006，述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，包括：
所述铂电阻T1实时测量系统温度，在所述测量温度高于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度增大；反之，在所述测量温度低于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度减小；当所述测量温度大于温度报警设定值时，发出报警信号。
本发明实施例中，第一气水分离器1002为氢水分离器，第二气水分离器为1003氧水分离器。
本发明实施例的一个实施方式中，一种水电解制氢设备安全仪表系统的设计和开发遵循IEC61508标准，其主要包括：压力控制回路、液位控制回路、温度控制回路等，每个回路由传感器、逻辑控制器和执行机构组成，传感器选用SIL2等级仪表，逻辑控制器选用安全PLC，执行机构独立。
其中，氢侧洗涤器出口增加压力变送器(SIL2)用于压力高高联锁，测量点独立于参与控制报警的压力变送器；
氢/氧分离器增加差压变送器(SIL2)用于液位高高联锁和液位低低联锁，测量点独立于参与控制报警的差压变送器；
氢/氧分离器增加液位开关，用于在液位高高联锁和液位低低联锁时，无需PLC/DCS控制，直接切断电解槽电源。测量点独立于差压变送器；
电解槽氧气管出口设增加铂电阻(SIL2)，用于槽温高高联锁，测量点独立于参与控制报警的铂电阻；
电解槽氢气管出口增加温度开关，用于在槽温高高联锁时，无需PLC/DCS控制，直接切断电解槽电源。测量点独立于铂电阻。
每个主要控制回路三重保护，且安全仪表系统独立于过程控制系统，大大降低事故发生概率，使其不依附于过程控制系统就能独立完成自动保护联锁的安全功能。
本发明技术方案，参与安全仪表系统联锁回路的传感器和逻辑控制器及执行机构独立于参与控制的回路。且传感器选用符合SIL认证的传感器，逻辑控制器选用安全控制器，终端元器件独立控制，组成安全控制回路。使得控制回路安全性和可靠性大大提高，控制系统更加完善。其中，水电解制氢设备安全仪表系统，便于实现，同时又提高了水电解制氢设备在运行中的安全性和可靠性，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证，增大市场适用性。
本发明实施例的一个实施方式中，如图1所示，水电解制氢设备安全仪表系统，主要包括：压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路。
如表1所示，表1为本发明实施例的一种水电解制氢设备安全仪表系统的控制回路功能列表。
表1一种水电解制氢设备安全仪表系统的控制回路功能列表
Figure BDA0003193070710000101
具体地，对于压力控制回路，主要包括：
压力变送器P1实时测量系统压力，将信号传送至过程控制PLC，参与调节控制。在测量压力高于设定压力时，薄膜调节阀PV开度增大；反之，在测量压力低于设定压力时，薄膜调节阀PV开度减小；通过调节薄膜调节阀PV的开度大小稳定系统压力。当系统压力测量值大于压力报警设定值时，发出报警信号。
压力变送器P2(SIL2)将信号传送至安全PLC，参与联锁保护。独立于压力变送器P1，检测到系统压力测量值大于压力联锁设定值时，安全PLC发出命令联锁设备停机。
若这两路同时失效，系统压力达到压力开关P3上限设定时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
进一步地，对于液位控制回路，主要包括：
差压变送器L3/L4分别实时测量氧/氢分离器液位，将信号传送至过程控制PLC，参与调节控制。在氢分离器液位低于氧分离器液位，薄膜调节阀LV开度增大；反之，薄膜调节阀LV开度减小；通过调节薄膜调节阀LV的开度大小平衡氧/氢分离器液位。
差压变送器L5/L6(SIL2)将信号传送至安全PLC，参与联锁保护。分别独立于差压变送器L3/L4，当检测到氧/氢分离器液位超出正常联锁范围时，安全PLC发出命令联锁设备停机。
若这两路同时失效，氧/氢分离器液位超出液位开关正常联锁范围时时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
进一步地，对于温度控制回路，主要包括：
铂电阻T1实时测量系统温度，将信号传送至过程控制PLC，参与调节控制。在测量温度高于设定温度时，薄膜调节阀TV开度增大；反之，在测量温度低于设定温度时，薄膜调节阀TV开度减小；通过调节薄膜调节阀TV的开度大小稳定系统温度。当系统温度测量值大于温度报警设定值时，发出报警信号。
铂电阻T3(SIL2)将信号传送至安全PLC，参与联锁保护。独立于铂电阻T1，检测到系统温度测量值大于温度联锁设定值时，安全PLC发出命令联锁设备停机。
若这两路同时失效，系统温度达到温度开关T2上限设定时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
为保证设备运行安全可靠，主要回路增加SIS联锁控制，组成三重保护，为水电解制氢设备运行无人值守提供进一步保证。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述安全仪表系统，至少包括：一个压力控制回路、一个液位控制回路，以及一个温度控制回路；其中，所述压力控制回路、液位控制回路和温度控制回路，共用一个电解槽(1001)；
所述压力控制回路，至少包括：压力变送器P1、压力变送器P2、压力开关P3、过程控制PLC、安全PLC、薄膜调节阀PV、电解槽(1001)、第一气水分离器(1002)、第二气水分离器(1003)和氧气洗涤器(1005)；
其中，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器(1003)，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联；所述压力变送器P2连接所述第一气水分离器(1002)，所述氧气洗涤器(1005)的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3；所述液位控制回路，包括：液位开关L1、液位开关L2、差压变送器L3、差压变送器L4、差压变送器L5、差压变送器L6、薄膜调节阀LV、氢气洗涤器(1004)；
其中，所述液位开关L1、差压变送器L3、差压变送器L5分别连接所述第二气水分离器(1003)，所述液位开关L2、差压变送器L4、差压变送器L6分别连接所述第一气水分离器(1002)；所述氢气洗涤器(1004)的一端连接用于平衡所述第一气水分离器(1002)液位和所述第二气水分离器(1003)液位的所述薄膜调节阀LV；其中，所述液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6；所述温度控制回路，至少包括：铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3、薄膜调节阀TV、换热器(1006)；
其中，所述铂电阻T1、温度开关T2、铂电阻T3分别连接所述电解槽(1001)；所述铂电阻T1实时测量系统温度，将温度信号传送至所述过程控制PLC；冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入所述换热器(1006)，所述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，所述温度开关T2冗余所述铂电阻T1、铂电阻T3。
2.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述压力变送器P2连接所述第一气水分离器(1002)，所述氧气洗涤器(1005)的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，包括：
所述压力变送器P2，将压力信号传送至所述安全PLC，用于压力高高联锁，所述压力变送器P2的测量点独立于参与控制报警的压力变送器P1；
所述氧气洗涤器(1005)的一端连接用于冗余所述压力变送器P1和压力变送器P2的压力开关P3，所述压力变送器P1和所述压力变送器P2两路同时失效时，所述压力开关P3在系统压力达到设定阈值时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
3.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述压力变送器P1连接所述第二气水分离器(1003)，实时测量所述压力控制回路的压力，并将测得的压力信号传送至所述过程控制PLC，与用于调节压力控制回路压力的所述薄膜调节阀PV关联，包括：
所述压力变送器P1实时测量所述压力控制回路的压力，将信号传送至过程控制PLC；在所述压力控制回路的压力高于设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度增大；反之，在所述压力控制回路的压力低于所述设定压力时，所述薄膜调节阀PV开度减小。
4.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述压力控制回路中，当所述压力控制回路的压力测量值大于压力报警设定值时，发出报警信号。
5.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述氢气洗涤器(1004)的一端连接用于平衡所述氢侧气水分离器(1002)液位和所述氧侧气水分离器(1003)液位的所述薄膜调节阀LV，包括：
所述氢气洗涤器(1004)的一端连接所述薄膜调节阀LV，当所述第一气水分离器(1002)的液位低于所述第二气水分离器(1003)的液位，所述薄膜调节阀LV的开度增大；反之，所述薄膜调节阀LV的开度减小。
6.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述液位开关L1、液位开关L2冗余所述差压变送器L3、差压变送器L5和所述差压变送器L4、差压变送器L6，包括：
所述差压变送器L5与差压变送器L6将信号传送至所述安全PLC，并分别独立于所述差压变送器L3和差压变送器L4，当检测到所述第一气水分离器(1002)和所述第二气水分离器(1003)液位超出设定联锁范围时，所述安全PLC发出命令联锁设备停机；
所述差压变送器L3与差压变送器L4、所述差压变送器L5与差压变送器L6同时失效，所述氢气洗涤器(1004)和所述氧气洗涤器(1005)液位超出液位开关L1和液位开关L2的设定联锁范围时，硬联锁整流柜，切断电解槽供电电源。
7.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，冷却水通过所述薄膜调节阀TV进入所述换热器(1006)，所述铂电阻T3将温度信号传送至所述安全PLC，包括：
所述铂电阻T1实时测量系统温度，在所述测量温度高于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度增大；反之，在所述测量温度低于设定温度时，所述薄膜调节阀TV的开度减小；当所述测量温度大于温度报警设定值时，发出报警信号。
8.根据权利要求1所述的一种水电解制氢设备的安全仪表系统，其特征在于，所述第一气水分离器(1002)为氢水分离器，所述第二气水分离器(1003)为氧水分离器。
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