CN113943952A - 水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法 - Google Patents

水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法，其中水电解制氢自动充氮控制系统包括：充氮管路组，包括主管路和并联接入主管路的排空管路、用于向氢侧气液处理器中充氮的第一管路、和用于向氧侧气液处理器中充氮的第二管路，主管路的输入段中设置有气动球阀，排空管路中设置有排空电磁阀，第一管路中设置有第一电磁阀，第二管路中设置有第二电磁阀；控制柜，分别与气动球阀、排空电磁阀、第一电磁阀和第二电磁阀电连接；其中，控制柜能根据接收到的信号分别控制气动球阀、排空电磁阀、第一电磁阀和第二电磁阀的工作状态以分别实现向主管路、第一管路和第二管路充氮，和利用排空管路进行氮气排空的功能。

Description

水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法
技术领域
本发明涉及水电解制氢技术领域，尤其涉及一种水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法。
背景技术
相比于光解水、热化学制氢等行业，水电解制氢技术成熟、无污染，且氢气纯度较高，所含杂质较少，设备操作简单。该技术适用于化工、冶金、电子、航天等行业。国内大多数制氢厂家采用电解槽作为水电解的核心部件，所产生的氢气、氧气分别进入氢氧气液处理器进行分离等。为保证人身以及制氢设备本身安全、国内多数厂家采用氮气对整个控制系统进行开机前多次置换，充氮至压力5公斤，通过氢、氧侧手动放空阀进行氮气排空至压力2公斤，为保证在整个置换过程中氢、氧分离器液位保持平衡，需至少2人进行配合，操作具有一定的专业性、复杂性，极易误操作，轻则造成氢氧液位偏差较大，无法正常开机，重则会造成设备氢侧或氧侧管路喷碱，对设备核心元件造成一定的损坏，不仅产生较大的经济损失，严重时还会造成人员伤亡，埋下很大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水电解制氢自动充氮控制系统及自动充氮控制方法，用以解决现有设备单人操作性难、且易因误操作造成设备损坏、人员伤亡等难题。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供了一种水电解制氢自动充氮控制系统，包括：充氮管路组，包括主管路和并联接入所述主管路的排空管路、用于向氢侧气液处理器中充氮的第一管路、和用于向氧侧气液处理器中充氮的第二管路，所述主管路的输入段中设置有气动球阀，所述排空管路中设置有排空电磁阀，所述第一管路中设置有第一电磁阀，所述第二管路中设置有第二电磁阀；控制柜，分别与所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀电连接；其中，所述控制柜能根据接收到的信号分别控制所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的工作状态以分别实现向所述主管路、所述第一管路和所述第二管路充氮，和利用所述排空管路进行氮气排空的功能。
本发明还提供了一种自动充氮控制方法，用于水电解制氢，利用前述的水电解制氢自动充氮控制系统执行如下步骤：基于所述控制柜接收到目标信号，所述控制柜控制所述气动球阀切换至打开状态以向所述主管路中充氮；经过预设时间后，所述控制柜控制所述第一电磁阀切换至打开状态以向所述氢侧气液处理器中充氮并观察所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器之间的氢氧液位差；基于所述氢氧液位差满足第一预设条件，所述控制柜控制所述第二电磁阀切换至打开状态以使所述氢氧液位差满足第二预设条件；持续检测所述自动充氮控制系统中的压力状态；基于所述压力状态满足第三预设条件，所述控制柜控制所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器中的放空球阀打开以将氮气排出，基于所述压力状态满足第四预设条件，所述控制柜控制所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器中的放空球阀关闭以形成一个充氮进程；按照预设循环次数循环执行所述充氮进程以完成自动充氮。
优选的，其中，在初始状态下，所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为关闭状态。
优选的，其中，所述预设时间不少于5秒。
优选的，其中，所述氢氧液位差满足第一预设条件为所述氢氧液位差不低于5毫米。
优选的，其中，所述氢氧液位差满足第二预设条件为所述氢氧液位差低于5毫米。
优选的，其中，所述压力状态包括压力值和所述压力值的持续时长。
优选的，其中，所述压力状态满足第三预设条件为所述压力值为5公斤，且所述压力值的持续时长不少于5秒。
优选的，其中，所述压力状态满足第四预设条件为所述压力值为2公斤，且所述压力值的持续时长不少于5秒。
优选的，其中，所述预设循环次数不少于3次。
本发明至少具有以下特点及优点：
本发明能使充氮全自动运行，从而避免了充氮过程中因操作不当而造成的设备管路喷碱对设备核心元件以及操作人员本身的伤害隐患，进而提高了充氮过程的安全性；此外，本发明具有的充氮置换安全、彻底等性能进一步提高了制氢设备在后期运行过程中的安全系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明水电解制氢自动充氮控制方法的结构框图；
图2为本发明自动充氮示意图。
附图标记与说明：
1、主管路；2、排空管路；3、第一管路；4、第二管路；11、气动球阀；21、排空电磁阀；31、第一电磁阀；41、第二电磁阀；5、氢侧气液处理器；6、氧侧气液处理器。
具体实施方式
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，下文所描述的实施例仅仅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做出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。
实施方式一
本发明提供了一种水电解制氢自动充氮控制系统，请参见图1，包括充氮管路组和控制柜。
具体的，充氮管路组包括主管路1和并联接入主管路1的排空管路2、用于向氢侧气液处理器5中充氮的第一管路3、和用于向氧侧气液处理器6中充氮的第二管路4，主管路1的输入段中设置有气动球阀11，排空管路2中设置有排空电磁阀21，第一管路3中设置有第一电磁阀31，第二管路4中设置有第二电磁阀41；控制柜(图中未示出)分别与气动球阀11、排空电磁阀21、第一电磁阀31和第二电磁阀41电连接；其中，控制柜能根据接收到的信号分别控制气动球阀11、排空电磁阀21、第一电磁阀31和第二电磁阀41的工作状态以分别实现向主管路1、第一管路3和第二管路4充氮，和利用排空管路2进行氮气排空的功能。
本发明能使充氮全自动运行，从而避免了充氮过程中因操作不当而造成的设备管路喷碱对设备核心元件以及操作人员本身的伤害隐患，进而提高了充氮过程的安全性；此外，本发明具有的充氮置换安全、彻底等性能进一步提高了制氢设备在后期运行过程中的安全系数。
实施方式二
本发明还提供了一种自动充氮控制方法，用于水电解制氢，请参见图2，利用实施方式一中的水电解制氢自动充氮控制系统执行如下步骤：
S1、基于控制柜接收到目标信号，控制柜控制气动球阀11切换至打开状态以向主管路1中充氮；
在初始状态下，气动球阀11、排空电磁阀21、第一电磁阀31和第二电磁阀41均为关闭状态。
S2、经过预设时间后，控制柜控制第一电磁阀31切换至打开状态以向氢侧气液处理器5中充氮并观察氢侧气液处理器5和氧侧气液处理器6之间的氢氧液位差；
在一些实施例中，预设时间不少于5秒。
S3、基于氢氧液位差满足第一预设条件，控制柜控制第二电磁阀41切换至打开状态以使氢氧液位差满足第二预设条件；
在一些实施例中，氢氧液位差满足第一预设条件为氢氧液位差不低于5毫米。在一些实施例中，氢氧液位差满足第二预设条件为氢氧液位差低于5毫米。
S4、持续检测自动充氮控制系统中的压力状态；
在一些实施例中，压力状态包括压力值和压力值的持续时长。
S5、基于压力状态满足第三预设条件，控制柜控制氢侧气液处理器5和氧侧气液处理器6中的放空球阀打开以将氮气排出，基于压力状态满足第四预设条件，控制柜控制氢侧气液处理器5和氧侧气液处理器6中的放空球阀关闭以形成一个充氮进程；
进一步的，压力状态满足第三预设条件为压力值为5公斤，且压力值的持续时长不少于5秒。更进一步的，压力状态满足第四预设条件为压力值为2公斤，且压力值的持续时长不少于5秒。
S6、按照预设循环次数循环执行充氮进程以完成自动充氮。
在一些实施例中，预设循环次数不少于3次。
本发明至少具有以下特点及优点：
(1)本发明采用气动球阀作为气源总控制单元，可以实现依据压力和液位进行全自动控制，安全系数高，操作简便；
(2)本发明采用氢侧充氮电磁阀和氧侧充氮电磁阀可实现自动充氮过程中氢氧两侧液位平稳，并根据水电解制氢设备的工艺流程特点及各执行元件的特征进行选择性开关，实现自动、快速、安全充氮。
(3)本发明采用氧侧气动直通球阀和氢侧直通球阀作为系统排氮出口，能实现自动充排氮功能，高效、安全，防止氢氧侧液位不平造成的管路喷碱，对元件造成损害。
(4)本发明整个自动充氮控制过程由上位机、控制程序、控制柜、数据传输系统等组成，配合监测、执行动作，可以实现充氮过程地全自动。
(5)本发明采用全自动充氮控制方法能够实现制氢装置充氮全自动运行，无需多人配合，降低了人员成本，增加了设备的可操作性，同时能够实现充氮过程中氢氧液位平衡和置换的彻底性，增加了充氮过程和整个设备运行的安全系数。
下面通过一个具体实施例来对本发明做进一步的解释与说明，请参见图1和图2：
本发明的水电解制氢自动充氮控制系统包括软件和硬件两部分。硬件部分主要包括在制氢框架气液处理器部分增加主管路1总充氮气动球阀(即气动球阀11)、氢侧充氮电磁阀(即第一电磁阀31)、氧侧充氮电磁阀(即第二电磁阀41)、总排空电磁阀(即排空电磁阀21)；软件部分包括控制柜及集成设置在控制柜中的控制程序、上位机和数据通讯系统。
其中，氮气总进口气动球阀(即气动球阀11)安装在氮气总进口处，作为氮气的总气源进口控制，在自动充氮系统开始工作之前5秒开启，用以防止氢氧管路中碱液回流。
氢侧充氮电磁阀(即第一电磁阀31)安装在氢氧分离器下部联通管路氢侧下方，作为控制氮气进入氢侧分离器的执行元件，氢侧充氮电磁阀在充氮过程中先于氧侧充氮电磁阀打开，用于观察氢侧压力。
氧侧充氮电磁阀(即第二电磁阀41)安装在氢氧分离器下部联通管路氧侧下方，作为控制氮气进入氧侧分离器的执行元件，氧侧电磁阀在充氮过程中若存在氢氧液位差大于5mm时打开，用于自动充氮过程中调节氢氧液位平衡。
氮气总排空阀(即排空电磁阀21)安装在氢侧分离器一侧，作为充氮管道向外界排放氮气的出口，在自动冲氮过程中保持关闭状态，用以保证氮气管路憋压。
在一些具体实施例中，请参见图2，自动充氮控制方法为：
控制系统通过检测系统压力并计算压力保持时间，来判断充氮起始条件是否满足，其中上位机显示自动充氮次数,以3次作为自动充氮结束的条件，完整的充氮过程如下：
充氮开始后，提前5秒打开氮气进口总气动球阀进行管路充气以防止碱液回流，此时氮气总排空阀处于关闭状态；
鉴于氢侧排空阻力较小，首先打开氢侧充氮电磁阀；当氧侧液位高于氢侧液位5mm时需要自动打开氧侧充氮电磁阀进行氢氧侧液位调整；
充氮至系统压力为5公斤并保持5秒后，通过氢侧放空球阀、氧侧放空球阀进行排气，待系统压力降至为2公斤并保持5秒后，进行下一次充氮；
待重复3次充氮后结束，并将整个过程作为一次完整的自动充氮过程。
本发明能使充氮全自动运行，从而避免了充氮过程中因操作不当而造成的设备管路喷碱对设备核心元件以及操作人员本身的伤害隐患，进而提高了充氮过程的安全性；此外，本发明具有的充氮置换安全、彻底等性能进一步提高了制氢设备在后期运行过程中的安全系数。此外，本发明具有和实施方式一中一样的优点与效果，在此不对其进行赘述。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水电解制氢自动充氮控制系统，其特征在于，包括：
充氮管路组，包括主管路和并联接入所述主管路的排空管路、用于向氢侧气液处理器中充氮的第一管路、和用于向氧侧气液处理器中充氮的第二管路，所述主管路的输入段中设置有气动球阀，所述排空管路中设置有排空电磁阀，所述第一管路中设置有第一电磁阀，所述第二管路中设置有第二电磁阀；
控制柜，分别与所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀电连接；
其中，所述控制柜能根据接收到的信号分别控制所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的工作状态以分别实现向所述主管路、所述第一管路和所述第二管路充氮，和利用所述排空管路进行氮气排空的功能。
2.一种自动充氮控制方法，用于水电解制氢，其特征在于，利用权利要求1所述的水电解制氢自动充氮控制系统执行如下步骤：
基于所述控制柜接收到目标信号，所述控制柜控制所述气动球阀切换至打开状态以向所述主管路中充氮；
经过预设时间后，所述控制柜控制所述第一电磁阀切换至打开状态以向所述氢侧气液处理器中充氮并观察所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器之间的氢氧液位差；
基于所述氢氧液位差满足第一预设条件，所述控制柜控制所述第二电磁阀切换至打开状态以使所述氢氧液位差满足第二预设条件；
持续检测所述自动充氮控制系统中的压力状态；
基于所述压力状态满足第三预设条件，所述控制柜控制所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器中的放空球阀打开以将氮气排出，基于所述压力状态满足第四预设条件，所述控制柜控制所述氢侧气液处理器和所述氧侧气液处理器中的放空球阀关闭以形成一个充氮进程；
按照预设循环次数循环执行所述充氮进程以完成自动充氮。
3.根据权利要求2所述的自动充氮控制方法，其特征在于，在初始状态下，所述气动球阀、所述排空电磁阀、所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为关闭状态。
4.根据权利要求2所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述预设时间不少于5秒。
5.根据权利要求4所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述氢氧液位差满足第一预设条件为所述氢氧液位差不低于5毫米。
6.根据权利要求5所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述氢氧液位差满足第二预设条件为所述氢氧液位差低于5毫米。
7.根据权利要求2所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述压力状态包括压力值和所述压力值的持续时长。
8.根据权利要求7所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述压力状态满足第三预设条件为所述压力值为5公斤，且所述压力值的持续时长不少于5秒。
9.根据权利要求7所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述压力状态满足第四预设条件为所述压力值为2公斤，且所述压力值的持续时长不少于5秒。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的自动充氮控制方法，其特征在于，所述预设循环次数不少于3次。
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