CN115029733A - 多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统及控制方法，其中调控系统包括：调控主管路，沿碱液流动方向依次设置有碱液循环泵、碱液流量计和碱液流量调节阀；至少两个制氢装置，所述至少两个制氢装置的碱液输入端通过管路并列与所述碱液流量调节阀接通，所述至少两个制氢装置的碱液输出端通过管路并列与所述碱液循环泵接通，且每个所述制氢装置的氢侧管路和氧侧管路中均设置有一个气动球阀；控制系统，分别与所述碱液循环泵、所述碱液流量计、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀电连接以能采集所述碱液流量计的电信号并根据所述电信号和控制指令控制所述碱液循环泵、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀的工作状态。

Description

多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及氢能源技术控制技术领域，尤其涉及一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统及控制方法。

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，目前大多数厂家采用循环泵与电解槽一对一的形式，每台循环泵单独控制电解槽的碱液流量，并单独设立电解槽出口温度测点，对应于每台电解槽的散热性能。同时每台电解槽氢氧侧出口处各设计有一个气动球阀用来控制氢氧侧气体循环回路。但是采用该种设计，每个电解槽的碱液流量只能适用于唯一使用工况，当使用工况变化时，只能增加新的管路以适应新工况，此外还存在设备多、成本高、维修复杂等难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统及控制方法，用以解决现有技术中当使用工况变化时，只能增加新的管路以适应新工况，此外还存在设备多、成本高、维修复杂的难题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，包括：

调控主管路，沿碱液流动方向依次设置有碱液循环泵、碱液流量计和碱液流量调节阀；

至少两个制氢装置，所述至少两个制氢装置的碱液输入端通过管路并列与所述碱液流量调节阀接通，所述至少两个制氢装置的碱液输出端通过管路并列与所述碱液循环泵接通，且每个所述制氢装置的氢侧管路和氧侧管路中均设置有一个气动球阀；

控制系统，分别与所述碱液循环泵、所述碱液流量计、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀电连接以能采集所述碱液流量计的电信号并根据所述电信号和控制指令控制所述碱液循环泵、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀的工作状态。

优选的，其中，每个所述制氢装置均包括：

电解槽，具有所述碱液输入端和两个输出端，两个所述输出端分别与所述氢侧管路和所述氧侧管路连通以能将所述电解槽中的氢气液和氧气液排出；

氢气液分离器，连接在所述氢侧管路的另一端以能将所述氢气液中的氢气和碱液分离；

氧气液分离器，连接在所述氧侧管路的另一端以能将所述氧气液中的氧气和碱液分离；

连接管，具有两个输入端和一个碱液输出端，两个所述输入端分别与所述氢气液分离器的碱液出口和所述氧气液分离器的碱液出口相连通以将流入其中的碱液通过所述碱液输出端送入所述调控主管路。

优选的，其中，沿碱液流动方向在所述调控主管路中所述碱液循环泵的前端还设置有单向阀以防止碱液逆流。

优选的，其中，所述控制系统包括：

控制柜，内部存储有控制程序，所述控制柜分别与所述碱液循环泵、所述碱液流量计、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀电连接；

上位机，与所述控制柜电连接，且所述上位机具有用于显示所述电信号的显示屏和用于采集所述控制指令的功能模块。

优选的，其中，用于采集所述控制指令的所述功能模块集成在所述显示屏中。

优选的，其中，所述制氢装置的数量为4个。

本发明还提供了一种控制方法，利用任一项前述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统执行以下步骤：

将所述碱液循环泵、每个所述启动球阀的工作模式调整为自动模式；

为所述多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统设定碱液流量的稳定范围值；

利用所述控制系统控制各部件的工作状态以使碱液在所述碱液循环泵的作用下在所述至少两个制氢装置内进行循环；

利用所述碱液流量计实时采集所述调控主管路中碱液的实际值，并将所述实际值与所述碱液流量计的设定值进行比较；

基于所述设定值与所述实际值之差大于预设阈值，所述控制系统自动调整所述碱液流量调节阀的工作参数以使所述设定值与所述实际值之差不大于所述预设阈值。

优选的，其中，还包括：基于任一所述制氢装置停止工作，所述控制系统能自动控制该制氢装置中的所述启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

优选的，其中，还包括：基于所述控制系统接收到连锁指令，所述控制系统能根据所述连锁指令控制相应的所述制氢装置中的所述启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

本发明至少具有以下特点及优点：

本发明采用多台电解槽同时运行对一台气液处理器及纯化装置的控制方式可全自动运行以控制碱液流量稳定在合适的范围内，同时扩大了电解槽的产气量，更加实用。

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为本发明多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统的结构框图；

图2为本发明控制方法的流程框图；

图3为本发明控制方法的流程框图；

图4为本发明控制方法的流程图。

附图标记与说明：

1、氢侧出口气动球阀；2、氧侧出口气动球阀；3、碱液循环泵；4、碱液流量计；5、碱液流量调节阀；6、电解槽；7、氢气液分离器；8、氧气液分离器。

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

本发明提供了一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，请参见图1，包括调控主管路、至少两个制氢装置和控制系统。

具体的，调控主管路沿碱液流动方向依次设置有碱液循环泵3、碱液流量计4和碱液流量调节阀5；至少两个制氢装置的碱液输入端通过管路并列与碱液流量调节阀5接通，至少两个制氢装置的碱液输出端通过管路并列与碱液循环泵3接通，且每个制氢装置的氢侧管路和氧侧管路中均设置有一个气动球阀；控制系统分别与碱液循环泵3、碱液流量计4、碱液流量调节阀5和每个气动球阀电连接以能采集碱液流量计4的电信号并根据电信号和控制指令控制碱液循环泵3、碱液流量调节阀5和每个气动球阀的工作状态。

在一些实施例中，请参见图1，每个制氢装置均包括电解槽6、氢气液分离器7、氧气液分离器8和连接管。

具体的，电解槽6具有碱液输入端和两个输出端，两个输出端分别与氢侧管路和氧侧管路连通以能将电解槽6中的氢气液和氧气液排出；氢气液分离器7连接在氢侧管路的另一端以能将氢气液中的氢气和碱液分离；氧气液分离器8连接在氧侧管路的另一端以能将氧气液中的氧气和碱液分离；连接管具有两个输入端和一个碱液输出端，两个输入端分别与氢气液分离器7的碱液出口和氧气液分离器8的碱液出口相连通以将流入其中的碱液通过碱液输出端送入调控主管路。

进一步的，请参见图1，沿碱液流动方向在调控主管路中碱液循环泵3的前端还设置有单向阀以防止碱液逆流。

在一些实施例中，控制系统包括控制柜和上位机。具体的，控制柜内部存储有控制程序，控制柜分别与碱液循环泵3、碱液流量计4、碱液流量调节阀5和每个气动球阀电连接；上位机与控制柜电连接，且上位机具有用于显示电信号的显示屏和用于采集控制指令的功能模块。进一步的，用于采集控制指令的功能模块集成在显示屏中。

在一些实施例中，请参见图1，制氢装置的数量为4个。

下面通过一个具体实施例来对本发明做进一步的介绍与说明，如图1所示,电解槽6中的氢气和碱液混合物通过电解槽6氢侧出口气动球阀1进入到氢气液分离器7中，电解槽6中的氧气和碱液混合物通过电解槽6氧侧出口气动球阀2进入到氧气液分离器8中，碱液循环泵3安装于氢气液分离器7和氧气液分离器8至电解槽6的回路管道(即调控主管路)中，碱液流量调节阀5安装于氢气液分离器7、氧气液分离器8至电解槽6的回路管道(即调控主管路)中。

氢气和碱液混合物从电解槽6中出来后，通过电解槽6氢侧出口气动球阀1至氢气液分离器7，氧气和碱液混合物从电解槽6中出来后，通过电解槽6氧侧出口气动球阀2至氧气液分离器8，氢气和碱液混合物在氢气液分离器7中进行气液分离，氧气和碱液混合物在氧气液分离器8中进行气液分离，氢气液分离器7和氧气液分离器8中下部的碱液在U型管(即连接管)的连接下汇合，通过碱液循环泵3和碱液流量调节阀5回到电解槽6中，最终形成一个闭环循环。

电解槽6作为电解水制氢装置，在设备开机后电解槽6得电，并产生氢气和氧气，与此同时，碱液循环泵3启动以作为气体和碱液内部循环的动力。电解槽6氢侧气动球阀同时打开，确保电解槽6氢侧出口碱液回路通畅，电解槽6氧侧气动球阀同时打开，确保电解槽6氧侧出口碱液回路通畅。氢气液分离器7在设备运行过程中作为氢气和碱液分离的容器，氧气液分离器8在设备运行过程中作为氧气和碱液分离的容器，碱液流量调节阀5作为碱液流量控制单元。

本发明的调控系统如下：

1)控制目的：将多台套电解槽6同时运行时各母管中碱液流量控制在稳定范围内，保证电解槽6安全稳定运行且不发生氢氧侧气体混合。

2)产品结构：在每台电解槽6氢氧侧管道出口处各设计一个气动球阀，在电解槽6碱液入口主路上设计有碱液循环泵3和流量计，以及配有流量调节阀。

3)控制系统：该系统包含开机和停机后的阀门动作控制逻辑，以及流量调节阀的控制逻辑。

本发明采用多台电解槽6同时运行对一台气液处理器及纯化装置的控制方式可全自动运行以控制碱液流量稳定在合适的范围内，同时扩大了电解槽6的产气量，更加实用。

实施方式二

本发明提供了一种控制方法，请参见图2至图4，利用实施方式一中任一多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统执行以下步骤：

S1、将碱液循环泵3、每个启动球阀的工作模式调整为自动模式；

S2、为多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统设定碱液流量的稳定范围值；

S3、利用控制系统控制各部件的工作状态以使碱液在碱液循环泵3的作用下在至少两个制氢装置内进行循环；

S4、利用碱液流量计4实时采集调控主管路中碱液的实际值，并将实际值与碱液流量计4的设定值进行比较；

S5、基于设定值与实际值之差大于预设阈值，控制系统自动调整碱液流量调节阀5的工作参数以使设定值与实际值之差不大于预设阈值。

在一些实施例中，请参见图3，还包括：

S6、基于任一制氢装置停止工作，控制系统能自动控制该制氢装置中的启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

在一些实施例中，请参见图4，还包括：

S7、基于控制系统接收到连锁指令，控制系统能根据连锁指令控制相应的制氢装置中的启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

下面通过一个具体实施例来对本发明做进一步的介绍与说明，请参见图1至图4：

本发明基本组成包括软件和硬件两部分，硬件部分主要包括电解槽6氢侧管道出口气动球阀、氧侧管道出口气动球阀，碱液循环泵3，碱液流量计4、流量调节阀；软件部分包括控制程序，控制柜，上位机，数据通讯系统。

电解槽6氢侧管道出口气动球阀安装在电解槽6气体出口氢侧管道处，作为控制氢气进入氢气液分离器7的执行单元。电解槽6氧侧管道出口气动球阀安装在电解槽6气体出口氧侧管道处，作为控制氧气进入氧气液分离器8的执行单元。碱液循环泵3安装在氢气液分离器7与氧气液分离器8下侧碱液管路交汇处，作为碱液在氢气液分离器7和氧气液分离器8内至电解槽6的动力执行单元。碱液流量计4作为管路中碱液流量的计量元件，作为电解槽6是否稳定运行的指标，同时作为报警连锁的一项运行参数。流量调节阀作为设备运行时碱液流量自动调节且保持在某一稳定范围的执行元件。

在一些实施例中，控制方法为：当点击上位控制系统画面中开机按钮，电解槽6开始运行，并观察各项运行指标，具体过程如下：

1)开机前，将碱液循环泵3、电解槽6氢侧管道出口气动球阀、电解槽6氧侧管道出口气动球阀调整至自动模式，并设定碱液流量的稳定范围值。

2)上位控制系统画面中点击开机按钮，并进行二次确认，循环泵开始自动工作，电解槽6氢侧管道出口气动球阀打开，电解槽6氧侧管道出口气动球阀打开，碱液在氢气液分离器7和氧气液分离器8及电解槽6之间进行循环。

3)流量调节阀根据设定值和实际值进行自动调节，使碱液流量稳定在要求范围内，并能够在停机后依据程序逻辑做出相应动作。

4)当发生任何连锁信息后或人为停机，整流柜停止输出，电解槽6断电，停止产气，此时电解槽6氢侧管道出口气动球阀、电解槽6氧侧管道出口气动球阀关闭，防止氢氧气混合。

在另一些实施例中，控制方法为：控制系统在设备运行后会根据程序逻辑自动控制相应阀门的状态，同时根据设定值进行碱液流量的自动调节。具体控制过程如下：

1)设备开始运行后，电解槽6氢侧气动球阀自动打开，碱液循环泵3自动打开。

根据上位机碱液流量的设定值来自动调节碱液流量调节阀5的开度以确保碱液流量能够稳定在某一稳定范围内。

2)当设备停机后，电解槽6氢侧出口气动球阀1和电解槽6氧侧出口气动球阀2保持打开状态，碱液循环保持打开状态，当系统槽温低于50℃时电解槽6氢侧出口气动球阀1和电解槽6氧侧出口气动气阀关闭，确保碱液回路处于关闭状态，可以避免电解槽6温度的无效降温。

3)对于多电解槽6共用一套气液处理器项目，当所有电解槽6同时处于运行状态时，碱液流量计4会根据设定值进行自动调节阀门的开度，当其中一台电解槽6停机后，该电解槽6氢侧出口气动球阀1自动关闭，电解槽6氧侧出口气动球阀2自动关闭，既可以避免设备在停机后造成氢氧混合又可以防止温降过大，影响下次开机时间和电解槽6寿命。

本发明的有效效果在于：

采用电解槽6氢侧气动球阀作为电解槽6氢气控制单元，电解槽6氧侧气动球阀作为电解槽6氧气控制单元可以实现单设备停机后防止氢氧侧气体混合，根据设备运行状态进行全自动控制，安全系数高，操作简便。

采用碱液循环泵3作为整个碱液循环回路的动力，系统中采用一个循环泵控制多个电解槽6碱液循环不仅可以优化控制逻辑，还可以减少控制点，其中电解槽6停机后，电解槽6氢侧气动球阀和电解槽6氧侧气动球阀依据逻辑自动关闭，该功能实现了电解槽6散热保护，可以减少散热对再次开机时温度对电解槽6的影响，缩短开机时间。

该系统由于体积庞大，手动不易操作阀门，采用设计氢侧气动球阀和氧侧气动球阀可以实现自动控制，降低了人员成本，增加了设备的可操作性，增加了停机过程和整个设备运行的安全系数。

本发明的优点是：电解槽6出口气体和碱液回路采用氢侧气动球阀和氧侧气动球阀来自动控制不仅可以实现停机后防止氢氧侧气体混合，同时可以满足减低单台设备停机后碱液回路循环过程中对另一台设备升温过程的影响，保证了碱液温度的稳步上升。当双电解槽6同时打开时，各碱液支路中分别设计有碱液流量调节阀5，两调节阀会根据上位设定碱液流量值分别进行碱液流量的控制，保证各个碱液支路中碱液流量值在稳定范围内。当其中一台设备停机后，通过关闭电解槽6氢侧气动球阀和电解槽6氧侧气动球阀可以实现碱液流量在整个管路中的稳定。

该调节系统可全自动运行，安全性高。降低了在调节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。控制方式安全、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。

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 (9)

1.一种多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，包括：

调控主管路，沿碱液流动方向依次设置有碱液循环泵、碱液流量计和碱液流量调节阀；

至少两个制氢装置，所述至少两个制氢装置的碱液输入端通过管路并列与所述碱液流量调节阀接通，所述至少两个制氢装置的碱液输出端通过管路并列与所述碱液循环泵接通，且每个所述制氢装置的氢侧管路和氧侧管路中均设置有一个气动球阀；

控制系统，分别与所述碱液循环泵、所述碱液流量计、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀电连接以能采集所述碱液流量计的电信号并根据所述电信号和控制指令控制所述碱液循环泵、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀的工作状态。

2.根据权利要求1所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，每个所述制氢装置均包括：

电解槽，具有所述碱液输入端和两个输出端，两个所述输出端分别与所述氢侧管路和所述氧侧管路连通以能将所述电解槽中的氢气液和氧气液排出；

氢气液分离器，连接在所述氢侧管路的另一端以能将所述氢气液中的氢气和碱液分离；

氧气液分离器，连接在所述氧侧管路的另一端以能将所述氧气液中的氧气和碱液分离；

连接管，具有两个输入端和一个碱液输出端，两个所述输入端分别与所述氢气液分离器的碱液出口和所述氧气液分离器的碱液出口相连通以将流入其中的碱液通过所述碱液输出端送入所述调控主管路。

3.根据权利要求2所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，沿碱液流动方向在所述调控主管路中所述碱液循环泵的前端还设置有单向阀以防止碱液逆流。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，所述控制系统包括：

控制柜，内部存储有控制程序，所述控制柜分别与所述碱液循环泵、所述碱液流量计、所述碱液流量调节阀和每个所述气动球阀电连接；

上位机，与所述控制柜电连接，且所述上位机具有用于显示所述电信号的显示屏和用于采集所述控制指令的功能模块。

5.根据权利要求4所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，用于采集所述控制指令的所述功能模块集成在所述显示屏中。

6.根据权利要求4所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统，其特征在于，所述制氢装置的数量为4个。

7.一种控制方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统执行以下步骤：

将所述碱液循环泵、每个所述启动球阀的工作模式调整为自动模式；

为所述多对一水电解制氢装置碱液流量的调控系统设定碱液流量的稳定范围值；

利用所述控制系统控制各部件的工作状态以使碱液在所述碱液循环泵的作用下在所述至少两个制氢装置内进行循环；

利用所述碱液流量计实时采集所述调控主管路中碱液的实际值，并将所述实际值与所述碱液流量计的设定值进行比较；

基于所述设定值与所述实际值之差大于预设阈值，所述控制系统自动调整所述碱液流量调节阀的工作参数以使所述设定值与所述实际值之差不大于所述预设阈值。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

基于任一所述制氢装置停止工作，所述控制系统能自动控制该制氢装置中的所述启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：

基于所述控制系统接收到连锁指令，所述控制系统能根据所述连锁指令控制相应的所述制氢装置中的所述启动球阀关闭以防止氢气和氧气混合。

Images