组合式隔膜调节阀装置,水电解制氢中的应用

摘要：碱性电解水制氢是目前制氢的主要技术之一，国内很多化工企业都采用该技术，但能耗高、系统压力、流量波动大是缺点。本文通过论述当前碱性电解水制氢系统及控制存在的问题，指出可以在电解水制氢系统中采用组合式隔膜调节阀装置，同时分别设置不同的流量调节分支，根据系统流量自动开启相应的分支调节压力，从而让制氢系统生产更加稳定。

关键词：组合式隔膜；调节阀装置；碱性水电解；控制方法

随着新能源产业的不断发展，氢能已经成为世界能源与动力转型的重大战略方向之一，受到了各国的关注。电解水制氢是目前制氢较为常用的方法，原理是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子就在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。而在电解水制氢工艺中，最为成熟和可靠的就是碱性电解水技术，其设备造价低，可以实现大规模制氢，目前存在的唯一缺点就是能耗太大。在碱性电解水制氢系统中，隔膜是碱水制氢电解槽的核心组件，分隔阴阳小室，实现隔气性和离子穿越的功能，因此开发新型隔膜是降低单位制氢能耗的主要突破点。本文探讨组合式隔膜调节阀装置,碱性电解水制氢系统及控制方法，旨在解决传统碱性电解水制氢系统气液分离模块的气体隔膜阀无法精确调节压力，缺少对隔膜阀进行组合式设计的问题。

一、当前碱性电解水制氢系统及控制存在的问题

目前对于碱性电解水制氢系统及控制方法的研究较多，研究者都提出了一些调节阀控制方法。比如有的研究将电解水制氢装置设置了若干个并联支路，为了发挥更大的制氢效果，在每个支路上又设置了几个串联的制氢单元，该种方法能方便的调节制氢装置的功率从而减小能耗，还可以良好的适配于具有间歇性质的新能源(如风电、光伏等)发电作为制氢电源时输入功率的波动变化。还有的研究在酸性水电磁阀与碱性水电磁阀中设置了形成气栓的电解槽排气装置，有利的优化了两端出水不均，解决了酸性腐蚀问题。但是所有的研究都是在碱性电解水制氢系统中设置了多个电解水制氢单元来满足功率波动的要求，没有考虑到碱性电解水制氢设备在不同功率下工作时产生气体流量量不同，使得调节阀不能准确的调节压力，进而影响了系统的稳定性。

二、碱性电解水制氢系统组成

（一）隔膜调节阀装置

为了保证碱性电解水制氢过程中系统的压力稳定性，快速的将电解水制氢中产生的气体排出系统，隔膜调节阀装置就非常重要。隔膜调节阀装置可对制氢系统压力、温度、氢氧液位差等进行自动调节和显示，如果氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧纯度等产生一定的偏差，能实现自动声光报警。为了让制氢系统高效运行，调节阀装置可以包括多个具有不同气体流量范围的隔膜调节阀支路和用于各支路流量分配的流量分配器，隔膜调节阀的各支路可以采用并联的形式，各个流量分配器可以连接各个调节阀的支路，在制氢的过程中，至少有一个支路处在运行状态中，其它的则处在备用状态中。这样设计的隔膜调节阀装置，当系统中气体产生量较大时，调节阀传感器感受压力变化，阀门开度自动调大，将气体排出，让系统压力稳定。碱性电解水制氢系统的HMI上位机控制如下图1所示。以以西门子调节阀为例

1. 气动调节阀的定位器使用 4…20 mA 电流源供电。如果连接电压源，定位器会被损坏。
2. 电源和控制信号线是同一条电线。
3. 依照海拔高度选择适当的电源。大于 2000 米海平面处，请选用高原专用电源。详情应询问高 原专用电源的提供商。

图1碱性电解水制氢系统的HMI上位机控制流程及西门子调节阀

• 隔膜调节阀PID控制

图HMI上位机控制西门子调节阀PID控制界面

隔膜调节阀装置设置，当遇到调节阀故障的时候可以方便停车检修或更换，降低停车损失，基本降低了当需要更大的量时，而调节阀动作又达不到的情况，为了让各调节阀更精确的控制和显示，每个调节阀都可以单独设置开度，通过反馈使分配器形成闭环精确调节回路，这样当系统流量发生变化时，就能通过电气转换器调节阀的状态并显示出来。可以有效的调节阀流量，达到设置要求，这样设置能让每个调节范围不同，当需要精确控制系统流量时，就可以自动调节流量控制压力液位和温度，实现精确控制的目的。

（三）碱性电解水制氢系统的基本组成

本文所述的碱性电解水制氢系统主要包括电解槽、氧气侧气液分离器和氢气侧气液分离器，碱性循环装置则包括碱性电解水制氢装置（组合式隔膜调节阀装置、氢气和氧气侧气体输出端）。碱性循环装置是制氢系统的关键，为了制氢系统更加稳定，设置有补水泵、过滤器、碱性循环泵、碱液箱、碱液循环换热器等，通过这样的设置就能让制氢系统的碱液不断处在循环中，而且通过换热的方式提高进装置的温度，有助于减少能耗。

三、碱性电解水制氢系统控制方法

（一）控制基本流程

首先，判断是靠有没有电流来确认气体产生的，当直流电压加在电解槽上并不会马上有电流和气体，当电压到一定时才会有电流和气体。其次碱性电解水制氢系统在运行的过程中，首先，通过压力设置与系统压力比较控制氧侧调节阀的开度稳定系统压力；其次，氢液位和氧液位的比较来调节氢侧调节阀的液位平衡，最后是设置碱液温度的调节阀控制系统冷却水的开度达到碱温保持在80°稳定运行。

是否在精确控制压力的调节区间内，根据碱性电解水制氢系统设定压力和压力变送器比较，控制氧侧隔膜调节阀门开度自动调节气体流量稳定系统运行压力，同时也减少由于分析仪的取样口的分流影响造成的压力波动；通过上述的控制过程，系统能自动识别制氢系统内气体的压力，根据调节阀的开度控制流量稳定了制氢系统的压力。组合式隔膜调节阀现场控制图如下图2所示。

图2组合式隔膜调节阀现场控制流程

（二）隔膜调节阀控制下的电解过程

制氢系统在工作的过程中，交流电通过整流变压器转变为直流电进入电解槽，碱液中的水在电解槽中被电解为氧气和氢气，这些气体从电极表面析出，氢气与氧气的体积比大概为2：1，混合气体进入气液分离器，再经过氢气洗涤冷却器洗涤冷却之后，在重力的作用下气液分离。虽然体积比为2：1，但是在阀门直径上，氧侧调节阀直径可适当大于氢侧调节阀直径，原因为一个氧原子比两个氢原子大。氢气通过装置中的氢气侧组合式隔膜调节阀装置排出，而氧气则通过装置中的氧气侧组合式隔膜调节阀装置排出，氧侧调节阀是PLC程序中使用PID模块调节，压力是与设定值比较，当氧侧压力小于设定值时调节阀关闭，当压力大于设定值时打开调节阀进行流量控制。氢侧调节阀用来调节氧和氢分离器液位平衡。

（三）控制系统的优势

本文的控制系统隔膜调节阀主要用于PID调节，调节中P值在系统压力稳定的条件下尽量选择小的数值。PID 调节中I值为时间常数选择数值大点比较稳定，为了保证稳定性，数值可数值大一些。本组合式隔膜调节阀装置通过设置4个支路，相比其它组合式隔膜调节阀装置可以起到精确控制流量的目的，同时保持系统压力的稳定性。当系统气体流量小于隔膜阀调节区间内，需要启用更低一级隔膜调节阀，这样就能保证系统始终能精确的控制流量，从而实现制氢装置压力稳定。在实际现场管理及参数调整中，可根据碱性电解水制氢系统的进料量，从人、机、物、料、环等五个角度进行优化，提高内操和外操人员的基本技能，进而稳定生产。

结语

综上所述，新能源产业在我国正处在初级发展阶段，氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源，受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价制氢是开发和利用氢能的重要环节之一。传统的碱性水电解系统虽然产量较大，但是能耗较高，而且系统的压力波动较大，不能实现稳定生产，限制了产量的进一步提升。组合式隔膜调节阀装置应用在碱性电解水制氢系统中，通过设置不同的调节阀支路，能精确控制系统的压力和流量，让制氢系统在生产的时候更加稳定，提高运行质量。

作者：陆涧

参考文献

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