一种碱性水电解制氢系统及其压力、液位调节阀控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种碱性水电解制氢系统及其压力、液位调节阀控制方法，该系统包括碱液循环系统、氢气回路、氧气回路、冷却水回路和补水回路，该方法包括设置在氧气回路和氢气回路中的单座式薄膜调节阀，单座式薄膜调节阀包括5个功能控制块，分别为参数设定模块、输入接口模块、PID控制模块、斜坡函数功能块和输出接口模块。本发明专利技术采用PID+RAMP方式调节重要参数控制的单座式气动薄膜调节阀，使得重要参数，在一定范围进行恒速率变化，避免阶跃性跳变引起的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种碱性水电解制氢系统及其压力、液位调节阀控制方法


[0001]本专利技术涉及一种碱性水电解制氢系统及其压力、液位调节阀控制方法，属于水电解制氢的


技术介绍

[0002]中国是世界上产量最高的氢气制备国家，当前以化石燃料制氢为主，占比约64%，工业副产制氢和电解水制氢分别占比约32%和4%。但化石燃料制氢和工业副产制氢一方面原料受能源转型的影响原料供给减少；另一方面制氢过程二氧化碳排放增加，无法作为最优的制氢选择。电解水制氢技术设备简单，工艺流程稳定可靠，产生的氢气纯度高（>99%），同时生产过程基本实现零碳排放。未来随着电解水技术和可再生能源发电的发展，电解水制氢有望成为中国主流的制氢方式，实现“绿氢”的规模化应用。
[0003]工业生产中常用的氢气制备方法有电解水制氢法、矿物燃烧转化制氢法以及石油化工生产过程中副产氢气等。电解水制氢法具有工艺简单、操作方便、生产过程不会产生CO2等温室气体，且产品纯度高等优点，是目前重要的制氢方法之一，被视为未来“氢经济时代”的主要生产方式。
[0004]目前，水电解制氢的在运行过程中，如何实现多种不同厂家的部件、不同部件采集的不同物理参数之间的整合，是主要难点和痛点，让水电解制氢平稳运行，是行业目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述存在的问题，本专利技术公开了一种碱性水电解制氢系统及其压力、液位调节阀控制方法，其具体技术方案如下：一种碱性水电解制氢系统，包括碱液循环系统、氢气回路、氧气回路、冷却水回路和补水回路，所述碱液循环系统：包括电解槽、氢气液分离器、氧气液分离器、换热器、碱液过滤器和循环泵，所述电解槽中盛放碱液，碱液在电解槽中电解后，产生夹带碱液的氢气和氧气，夹带碱液的氢气经循环泵进入氢气液分离器，夹带碱液的氧气进入氧气液分离器，在氢气液分离器、氧气液分离器内进行气液分离，分离后的碱液经汇管汇流后进入换热器，冷却后的碱液进入碱液过滤器过滤，滤去杂质，再由循环泵打回电解槽内，完成一个碱液循环；氢气回路：经过氢气液分离器分离后的氢气，经过捕滴、洗涤和冷却后，成为产品氢气，在氢中氧分析仪的监测下，合格的产品氢气送给用户使用，未达指标的氢气转入放空处理；氧气回路：经过氧气液分离器分离后的氧气，经过捕滴、洗涤和冷却后，成为产品氧气，在氢中氧分析仪的监测下，合格的产品氧气送给用户使用，未达指标的氧气转入放空处理；冷却水回路：冷却水流经换热器，冷却换热器中的循环碱液，循环碱液回到电解槽
中，再次电解夹带在氢气和氧气中，带出电解槽内产生的热量，再次经过氢气液分离器、氧气液分离器后，进入换热器；补水回路：电解所消耗的水分由纯水箱经加水泵加压后注入氢侧或氧侧的洗涤器，先稀释洗涤器中的碱液浓度，后经溢流管流入氢气液分离器或氧气液分离器，再进入碱液循环系统；在氧气回路设置压力调节系统控制点，选择氧侧气液分离器的压力作为系统压力测量点，在氧气出口管道上设置调节阀，调节阀选用单座式薄膜调节阀，控制策略采用单闭环定值调节系统，采用PID调节；在氢气回路设置液位调节系统控制点，液位调节系统与压力调节系统联系紧密，氢、氧两侧气液分离器底部相通，两侧气量不同，使用差压变送器测量液位信号，选用单座式薄膜调节阀，控制策略将氢侧信号作为给定，与氧侧液位信号进行比较、计算，属于单闭环随动调节系统，采用PID调节。
[0006]碱性水电解制氢系统的压力、液位调节阀控制方法，所述氧气回路和氢气回路中的单座式薄膜调节阀包括5个功能控制块，分别为参数设定模块、输入接口模块、PID控制模块、斜坡函数功能块和输出接口模块；参数设定模块，用于人工定义运行工况下的重要参数、起始方向设定、目标值设定，手/自动模式设定；输入接口模块，用于将输入制氢系统中仪表所检测的实际瞬时数据，通过相应的数模转换得到PID控制功能块自动条件下需要的过程变量；PID控制模块，根据被检测到的过程变量PV及跟PID控制功能块设定值进行微积分计算闭环比较得出控制设备的百分比开度值，并进行追踪；斜坡函数功能块：用于稳态PID控制功能块的震荡输出，使其PID控制功能块的输出趋向稳态、波动小，且存在延时性，给整套系统预留一定的缓冲控制，避免相应重要物理参数发生剧烈波动，影响装置运行；输出接口模块：用于将经过斜坡函数功能块的数字量转成模拟量4
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20mA电流信号控制氢氧两侧出口单座式薄膜调节。
[0007]进一步的，所述PI D调节的具体过程为：DCS或PLC系统中的CPU模块根据现场远程仪表反馈回来的PV值进行确定比例P、I、D，得到输出开度，输出开度值启动RAMP函数块，RAMP在可调范围内恒速升降输出给定值，给定值开度4
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20ma，通过计算机屏蔽电缆控制调节阀的行程平滑开启与关闭。
[0008]进一步的，所述P的确定方法为：确定比例系统P的时候首先不考虑积分和微分，I为0、D为0，这个时候就成了纯比例调节的方法，适当把比例从大放到小，观察输出曲线，震荡变小稳定则停止；所述I的确定方法为：积分是越小越强，所以当P设定好后，积分时间要确定DCS或PLC中CPU的积分单位时间是毫米还是分钟，然后再从高往低调，观察系统的输出直到稳态；所述D的确定方法为：微分常数的调节一般用到温度参数的调节，微分时间要确定DCS或PLC中CPU的微分单位时间是毫米还是分钟，然后再从高往低调，观察系统的输出直到稳态。
[0009]进一步的，所述参数设动模块具体执行过程为：在整套系统运行前设定此参数，起
起始方向分为正作用，正作用意义为调节阀开度增大，相对应控制的系统压力、系统液位则增加，反作用意义为调节阀开度增大，相应控制的系统压力、系统液位则减少；当单座式调节阀硬件选择故障开时（FO）一般方向选择为正作用，当单座式调节阀硬件选择故障开时（FC）一般方向选择反作用；系统压力的目标值写入1.5Mpa，符合满工况的实际要求，系统液位则需要把氢侧分离器的液位PV值作为目标设定值固定值；手/自动模式设定，在无特殊情况下，为保证整体系统稳定运行，选择自动模式。
[0010]进一步的，所述输入接口模块具体执行过程为：整套水电解制氢装置系统中不同类型的仪表物理参数数据非常多，而这些物理参数数据统一通过变送器输出4
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20mA，给控制系统及控制功能模块提供相应的瞬时数据，而瞬时数据的正确性来自仪表自身的硬件及仪表出厂及现场根据工况下的校准值，或者利用手操器进行现场实际工况校准。
[0011]进一步的，所述PID控制功能模块具体执行过程为：用于将输入接口模块转换过来可识别的瞬时量与参数设定模块进行比较、计算得出符合要求的4
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20mA的模拟量信号，控制氢侧出口单座式薄膜式调节阀和氧侧出口单座式薄膜式调节阀。
[0012]进一步的，所述斜坡函数功能块具体执行过程为：用于稳态PID功能块的输出的标准电流信号4
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20mA，供给输出接口模块控制氢氧两侧出口单座式薄膜调节阀的开度比例使其处于上下限值内，减小波动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱性水电解制氢系统，其特征在于，包括碱液循环系统、氢气回路、氧气回路、冷却水回路和补水回路，所述碱液循环系统：包括电解槽、氢气液分离器、氧气液分离器、换热器、碱液过滤器和循环泵，所述电解槽中盛放碱液，碱液在电解槽中电解后，产生夹带碱液的氢气和氧气，夹带碱液的氢气经循环泵进入氢气液分离器，夹带碱液的氧气进入氧气液分离器，在氢气液分离器、氧气液分离器内进行气液分离，分离后的碱液经汇管汇流后进入换热器，冷却后的碱液进入碱液过滤器过滤，滤去杂质，再由循环泵打回电解槽内，完成一个碱液循环；氢气回路：经过氢气液分离器分离后的氢气，经过捕滴、洗涤和冷却后，成为产品氢气，在氢中氧分析仪的监测下，合格的产品氢气送给用户使用，未达指标的氢气转入放空处理；氧气回路：经过氧气液分离器分离后的氧气，经过捕滴、洗涤和冷却后，成为产品氧气，在氢中氧分析仪的监测下，合格的产品氧气送给用户使用，未达指标的氧气转入放空处理；冷却水回路：冷却水流经换热器，冷却换热器中的循环碱液，循环碱液回到电解槽中，再次电解夹带在氢气和氧气中，带出电解槽内产生的热量，再次经过氢气液分离器、氧气液分离器后，进入换热器；补水回路：电解所消耗的水分由纯水箱经加水泵加压后注入氢侧或氧侧的洗涤器，先稀释洗涤器中的碱液浓度，后经溢流管流入氢气液分离器或氧气液分离器，再进入碱液循环系统；在氧气回路设置压力调节系统控制点，选择氧侧气液分离器的压力作为系统压力测量点，在氧气出口管道上设置调节阀，调节阀选用单座式薄膜调节阀，控制策略采用单闭环定值调节系统，采用PID调节；在氢气回路设置液位调节系统控制点，液位调节系统与压力调节系统联系紧密，氢、氧两侧气液分离器底部相通，两侧气量不同，使用差压变送器测量液位信号，选用单座式薄膜调节阀，控制策略将氢侧信号作为给定，与氧侧液位信号进行比较、计算，属于单闭环随动调节系统，采用PID调节。2.基于权利要求1所述的碱性水电解制氢系统的压力、液位调节阀控制方法，其特征在于，所述氧气回路和氢气回路中的单座式薄膜调节阀包括5个功能控制块，分别为参数设定模块、输入接口模块、PID控制模块、斜坡函数功能块和输出接口模块；参数设定模块，用于人工定义运行工况下的重要参数、起始方向设定、目标值设定，手/自动模式设定；输入接口模块，用于将输入制氢系统中仪表所检测的实际瞬时数据，通过相应的数模转换得到PID控制功能块自动条件下需要的过程变量；PID控制模块，根据被检测到的过程变量PV及跟PID控制功能块设定值进行微积分计算闭环比较得出控制设备的百分比开度值，并进行追踪；斜坡函数功能块：用于稳态PID控制功能块的震荡输出，使其PID控制功能块的输出趋向稳态、波动小，且存在延时性，给整套系统预留一定的缓冲控制，避免相应重要物理参数发生剧烈波动，影响装置运行；输出接口模块：用于将经过斜坡函数功能块的数字量转成模拟量4
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20mA电流信号控制氢氧两侧出口单座式薄膜调节。3. 根据权利要求1所述的碱性水电解制氢系统的压力、液位调节阀控制方法，其特征
在于，所述PI D调节的具体过程为：DCS或PLC系统中的CPU模块根据现场远程仪表反馈回来的PV值进行确定比例P、I、D，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余靖，盛斌，詹水华，马健，庞成伟，金浩，柳文青，徐子烨，
申请(专利权)人：江苏双良氢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：