CN114606523A - 一种变功率制氢系统及其自动控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率制氢系统的自动控制系统，通过设置后处理系统的液体出口分流和补充管路，实现对后处理系统内电解液体积量的调节，与投入工作的电解槽数量相匹配；从而能够匹配采用风电、光电等绿电作为制氢电源的多电解槽对同一后处理系统的水电解制氢装置；稳定实现变功率水电解制氢，使水电解制氢效率能得到极大提升，使系统能耗能够大幅降低。本发明还公开了一种应用上述自动控制系统的变功率制氢系统和自动控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，特别涉及一种变功率制氢系统及其自动控制系统和方法。
背景技术
目前很多水电解氢装置的成本较高，包括制造成本和后期的运行成本。因此水电解制氢装置往大型化发展，多电解槽对一套后处理系统，在装置正式运行后接入风电、光电采用绿电制氢。
当采用绿电时因为绿电的功率变化较快，所以需要制氢系统能根据电源功率的大小投入不同数量的电解槽来工作。同时当投入工作的电解槽数量变化时，后处理系统内的电解液体积量应能跟随电解槽数量的变化而增加或减少。当投入工作的电解槽数量较少时，如果后处理系统内的电解液体积量不减少，会导致电解槽温度下降，工作效率降低，单位产品能耗增大；当投入工作的电解槽数量较多时，如果后处理系统内的电解液体积量不增加时，会导致电解槽温度升高，对电解槽造成损伤。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种变功率制氢系统的自动控制系统，实现水电解制氢系统适应风电、光电等绿电电源，实现水电解制氢系统的工作效率最大化，节省生产成本。
本发明还提供了一种应用上述自动控制系统的变功率制氢系统和自动控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种变功率制氢系统的自动控制系统，包括：后处理系统、电解液循环泵、切断阀、电解液储罐、补液泵和控制器；
所述后处理系统的液体出口依次连接电解液循环泵、切断阀、电解液储罐和补液泵，所述电解液循环泵的出口还用于连接电解槽，所述补液泵的出口连接于所述后处理系统的液体进口；
所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量控制所述切断阀和所述补液泵。
优选地，所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定所述后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开所述切断阀至所述后处理系统的电解液体积量降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动所述补液泵至所述后处理系统的电解液体积量升高至所述实时调节范围。
优选地，还包括：设置于所述后处理系统的液位控制系统；
所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定所述后处理系统的液位的实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开所述切断阀至所述后处理系统的液位降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动所述补液泵至所述后处理系统的液位升高至所述实时调节范围。
优选地，所述控制器还能够根据所述液位控制系统的液位信号控制所述切断阀和所述补液泵。
优选地，所述控制器能够在所述后处理系统的液位高于所述实时调节范围的上限时，打开所述切断阀至所述后处理系统的液位降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在所述后处理系统的液位低于所述实时调节范围的下限时，启动所述补液泵至所述后处理系统的液位升高至所述实时调节范围。
优选地，所述控制器能够根据所述实时调节范围调节所述循环泵的功率。
优选地，所述控制器为PLC系统。
优选地，所述后处理系统包括：氢气气液分离器和/或氧气气液分离器。
一种变功率制氢系统，其特征在于，包括如上述的自动控制系统。
一种变功率制氢系统的自动控制方法，其特征在于，采用如上述的自动控制系统，包括步骤：
根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；
判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀和补液泵调整后处理系统的电解液体积量至所述实时调节范围。
优选地，所述判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀和补液泵调整后处理系统的电解液体积量至所述实时调节范围，包括：
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少，且所述后处理系统的液位高于所述实时调节范围的上限时，打开所述切断阀至所述后处理系统的电解液体积量降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加，所述后处理系统的液位低于所述实时调节范围的下限时，启动所述补液泵至所述后处理系统的电解液体积量升高至所述实时调节范围。
优选地，在所述根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围之前，还包括：
根据制氢系统的功率大小调整投入工作的电解槽的数量。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的变功率制氢系统的自动控制系统和方法，能够匹配采用风电、光电等绿电作为制氢电源的多电解槽对同一后处理系统的水电解制氢装置；能稳定实现变功率水电解制氢，使水电解制氢效率能得到极大提升，使系统能耗能够大幅降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例提供的变功率制氢系统的自动控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的变功率制氢系统的自动控制方法的流程示意图。
其中，1为氢气气液分离器；2为氧气气液分离器；3为液位控制系统；4为电解液循环泵；5为切断阀；6为电解液储罐；7为补液泵。
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，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。
本发明实施例提供的变功率制氢系统的自动控制系统，包括：后处理系统、电解液循环泵4、切断阀5、电解液储罐6、补液泵7和控制器(图中未示出)，其结构可以参照图1所示；可以理解的是，后处理系统主要用于对制成的包含氢气和氧气的混合物进一步处理，例如气液分离；
其中，后处理系统的液体出口依次连接电解液循环泵4、切断阀5、电解液储罐6和补液泵7，电解液循环泵4的出口还用于连接电解槽(图中未示出)，补液泵7的出口连接于后处理系统的液体进口；如图1所示，电解槽连接于后处理系统的气体进口；
控制器能够根据投入工作的电解槽数量控制切断阀5和补液泵7。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的变功率制氢系统的自动控制系统，通过设置后处理系统的液体出口分流和补充管路，实现对后处理系统内电解液体积量的调节，与投入工作的电解槽数量相匹配；从而能够匹配采用风电、光电等绿电作为制氢电源的多电解槽对同一后处理系统的水电解制氢装置；稳定实现变功率水电解制氢，使水电解制氢效率能得到极大提升，使系统能耗能够大幅降低。
进一步的，控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；在一种实例中，假设系统内总管有n个电解槽，每减少一个电解槽的投入，后处理系统内的电解液体积可减少1/n(即实时调节范围为n-1/n)，当系统内电解液减少至总量的50％时，不再减少；例如：一个系统内有4个电解槽，10立方的电解液，每减少一个电解槽则减少1/4(2.5立方)的电解液，当减少至5立方时，则不再减少；同理，假设系统内总管有n个电解槽，每增加一个电解槽的投入，后处理系统内的电解液体积可增加1/n(即实时调节范围为n+1/n)；
控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开切断阀5至后处理系统的电解液体积量降低至实时调节范围(对应减少后的数量)；如图1所示，多余的电解液回流到电解液储罐6内；
控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动补液泵7至后处理系统的电解液体积量升高至实时调节范围(对应增加后的数量)；如图1所示，电解液储罐6通过补液泵7向后处理系统内补充电解液，可利用前述经切断阀5回流的电解液，实现内部循环，降低消耗。电解液储罐6的电解液还用于投入工作的电解槽。
本发明实施例提供的变功率制氢系统的自动控制系统，还包括：设置于后处理系统的液位控制系统3，以通过液位来体现电解液体积量；其结构可以参照图1所示，具体可设置于氢气气液分离器1；
控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的液位的实时调节范围；当然，还可以通过其他参数表征电解液体积量，在此不再赘述；
控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开切断阀5至后处理系统的液位降低至实时调节范围；
控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动补液泵7至后处理系统的液位升高至实时调节范围。
作为优选，控制器还能够根据液位控制系统3的液位信号控制切断阀5和补液泵7，保证后处理系统内的电解液液位不会过高或过低，保证系统的安全性。
进一步的，控制器能够在后处理系统的液位高于实时调节范围的上限时，打开切断阀5至后处理系统的液位降低至实时调节范围；
控制器能够在后处理系统的液位低于实时调节范围的下限时，启动补液泵7至后处理系统的液位升高至实时调节范围。
在本实施例中，控制器还能够根据实时调节范围调节循环泵4的功率，使泵的流量同步调整以适应电解液体积量的变化。循环泵4的功率越大，其流量越大，调节液体量越大。
作为优选，控制器为PLC系统，可靠性高，抗干扰能力强。
具体的，后处理系统包括：氢气气液分离器1和/或氧气气液分离器2，其结构可以参照图1所示。电解槽产生的氢气会进入氢气气液分离器1内进行气液分离，电解槽产生的氧气会分别进入氧气气液分离器2内进行气液分离。
下面结合完整实施例对本方案作进一步介绍：
水电解制氢PLC系统可以根据不同的电源功率大小从而控制不同电解槽前后切断阀的开启和关闭来实现不同数量的电解槽投入和切出，实现变功率制氢。在一种实例中，假设单台电解槽满功率是n千瓦，制氢电源输入功率为x千瓦，当制氢电源输入功率x≤n，则只投入一台电解槽；当制氢电源输入功率满足n＜x≤2n，则投入2台电解槽；当制氢电源输入功率满足2n＜x≤3n，则投入三台电解槽，依次类推。
制氢系统PLC会根据投入工作的电解槽的数量大小多少来确定后处理系统(氢气气液分离器1和氧气气液分离器2)内电解液体积量的多少，当投入工作的电解槽数量减少时，PLC会控制切断阀5打开，使多余的电解液回流到电解液储罐6内，当电解液体积量降低到所需的体积量时再关闭切断阀5。当投入工作的电解槽数量增加时，PLC系统会启动补液泵7向后处理系统内补充电解液，当电解液体积量达到所需的体积量，再关闭补液泵7，同时PLC系统会控制循环泵4的功率高低调节，使泵的流量同步调整以适应电解液体积量的变化。
本方案具有下列的优点：
1、本装置可以实现变功率制氢系统的稳定工作，同时使水电解制氢系统能够适应风电、光电等绿电电源的功率波动；
2、本装置能够使水电解制氢系统在不同功率下，制氢系统内的电解液体积量与电解槽数量、电源功率的自动匹配使水电解制氢系统能耗降低，降低生产成本；
3、本装置自动化程度高，实现了全自动控制，大大减少了人员的投入量，运行中十分便利。
本发明实施例还提供了一种变功率制氢系统，包括如上述的自动控制系统。本方案的变功率制氢系统，由于采用了上述的自动控制系统，因此也就相应具有如上所述的全部的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种变功率制氢系统的自动控制方法，采用如上述的自动控制系统，如图2所示，包括步骤：
S1、根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；
S2、判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀5和补液泵7调整后处理系统的电解液体积量至实时调节范围。本方案的自动控制方法，由于采用了上述的自动控制系统，因此也就相应具有如上所述的全部的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
作为优选，判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀5和补液泵7调整后处理系统的电解液体积量至实时调节范围，包括：
S31、控制器能够在投入工作的电解槽数量减少，且后处理系统的液位高于实时调节范围的上限时，打开切断阀5至后处理系统的电解液体积量降低至实时调节范围；即本方案的控制同时兼顾电解槽数量变化和后处理系统实时液位；
S32、控制器能够在投入工作的电解槽数量增加，后处理系统的液位低于实时调节范围的下限时，启动补液泵7至后处理系统的电解液体积量升高至实时调节范围。
进一步的，本发明实施例提供的自动控制方法，在根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围之前，还包括：
S0、根据制氢系统的功率大小调整投入工作的电解槽的数量，以匹配绿电功率变化。具体的，水电解制氢PLC系统可以根据不同的功率大小从而控制不同电解槽前后切断阀的开启和关闭来实现不同数量的电解槽投入和切出，响应及时。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，包括：后处理系统、电解液循环泵(4)、切断阀(5)、电解液储罐(6)、补液泵(7)和控制器；
所述后处理系统的液体出口依次连接电解液循环泵(4)、切断阀(5)、电解液储罐(6)和补液泵(7)，所述电解液循环泵(4)的出口还用于连接电解槽，所述补液泵(7)的出口连接于所述后处理系统的液体进口；
所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量控制所述切断阀(5)和所述补液泵(7)。
2.根据权利要求1所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定所述后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开所述切断阀(5)至所述后处理系统的电解液体积量降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动所述补液泵(7)至所述后处理系统的电解液体积量升高至所述实时调节范围。
3.根据权利要求1所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，还包括：设置于所述后处理系统的液位控制系统(3)；
所述控制器能够根据投入工作的电解槽数量确定所述后处理系统的液位的实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少时，打开所述切断阀(5)至所述后处理系统的液位降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加时，启动所述补液泵(7)至所述后处理系统的液位升高至所述实时调节范围。
4.根据权利要求3所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述控制器还能够根据所述液位控制系统(3)的液位信号控制所述切断阀(5)和所述补液泵(7)。
5.根据权利要求4所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述控制器能够在所述后处理系统的液位高于所述实时调节范围的上限时，打开所述切断阀(5)至所述后处理系统的液位降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在所述后处理系统的液位低于所述实时调节范围的下限时，启动所述补液泵(7)至所述后处理系统的液位升高至所述实时调节范围。
6.根据权利要求2所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述控制器能够根据所述实时调节范围调节所述循环泵(4)的功率。
7.根据权利要求1所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC系统。
8.根据权利要求1所述的变功率制氢系统的自动控制系统，其特征在于，所述后处理系统包括：氢气气液分离器(1)和/或氧气气液分离器(2)。
9.一种变功率制氢系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的自动控制系统。
10.一种变功率制氢系统的自动控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的自动控制系统，包括步骤：
根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围；
判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀(5)和补液泵(7)调整后处理系统的电解液体积量至所述实时调节范围。
11.根据权利要求10所述的变功率制氢系统的自动控制方法，其特征在于，所述判断投入工作的电解槽数量是否变化，若是，则控制切断阀(5)和补液泵(7)调整后处理系统的电解液体积量至所述实时调节范围，包括：
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量减少，且所述后处理系统的液位高于所述实时调节范围的上限时，打开所述切断阀(5)至所述后处理系统的电解液体积量降低至所述实时调节范围；
所述控制器能够在投入工作的电解槽数量增加，所述后处理系统的液位低于所述实时调节范围的下限时，启动所述补液泵(7)至所述后处理系统的电解液体积量升高至所述实时调节范围。
12.根据权利要求10所述的变功率制氢系统的自动控制方法，其特征在于，在所述根据投入工作的电解槽数量确定后处理系统的电解液体积量的实时调节范围之前，还包括：
根据制氢系统的功率大小调整投入工作的电解槽的数量。
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