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溫度自動控制系統(tǒng)在水電解制氫中的應用
摘要：隨著新能源不斷地被開發(fā)和應用，作為清潔能源在工業(yè)中的廣泛需要，氫氣成為工業(yè)領域重點關注項目。水電解質制氫過程中具有環(huán)保和簡便的工藝特點，成為工業(yè)領域制備氫最常用制備手段。在氫制備過程中，其易燃易爆的特點對制備環(huán)境的要求較高。在現(xiàn)階段高科技發(fā)展下，溫度自動控制裝置帶著穩(wěn)定可靠的安全性融入到工業(yè)水電解制氫技術中。本文針對溫度自動控制系統(tǒng)在水電解制氫中的應用做詳細分析，希望對相關工作人員起到參考作用。
關鍵詞：溫度自動控制；水電解；制氫；應用
隨著工業(yè)領域不斷開發(fā)，能源的過度消耗成為造成生態(tài)平衡破壞的主要原因，對開發(fā)可持續(xù)能源成為現(xiàn)階段工業(yè)領域中技術人員的重點和挑戰(zhàn)。在可再生能源當中，所提供的能力在應用過程上會產生不確定因素，導致能源無辜損耗時有發(fā)生，這就需要找到另一種能源改變這種損耗發(fā)生率。而氫能可以有效將這些損耗的能源集聚起來，氫氣由于其具有較高的單位熱值，在燃燒后的產物轉化成水，作為了工業(yè)生產中清潔能源。而制作氫能最常用的方式就是水電解，在水電解制氫過程中最主要的影響參數(shù)為溫度的控制，本文通過研究溫度自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)槽體溫度測量和控制，達到最大限度在水電解制氫中的應用。
1 水電解制氫裝置介紹
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- 水電解制氫工藝流程
水電解制氫主要是在電解槽中生成，制氫過程中是通過氧側溫度變送器將溫度產生的信號傳送到PLC自動控制系統(tǒng)中。在溫度數(shù)據(jù)經過分析后，就可以控制氣動薄膜調節(jié)閥，通常溫度通過堿液溫度實現(xiàn)控制，在監(jiān)控上保持80-90℃，而電解液中的水沸點是在100℃。如果溫度過高會對水電解槽內隔膜材料會產生腐蝕，減少隔膜使用壽命，而溫度過低則會在阻礙電解液功效加大，電壓也會隨之增高，消耗大量能量[1]。電解槽在運行過程中，隔板間做伸縮運動，當停止運行時，堿液的溫度要求在50℃以下，堿泵再停止循環(huán)運行。避免影響電解槽壽命，溫度要慢升慢降。電解槽在安裝時是一側固定，另一側是可以移動如圖1所示：
圖1：電解槽運行固定情況
在水電解過程中產生的氫氣和氧氣會帶著氫氧化鉀溶液進入分離器，在分離器中讓氫氣、氧氣與堿液分離，在通過調節(jié)控制閥門，冷卻分離，最后進入制氫工序，堿液在與氣體分離后，會進入堿液循環(huán)泵后，再進入冷卻器換冷卻，這個過程后進入電解槽可以繼續(xù)電解。整個工藝流程如下圖2所示：
圖2：制氫工藝流程
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- 溫度對水電解制氫的影響
在水電解制氫的電解槽中會形成化學反應，主要反應方程式如下：
陰極：4e-+4H2O=2H2↑+4OH-
陽極：4OH-=O2↑+2H2O+4e-
總反應方程式：2H2O=2H2↑+O2↑+熱量Q
通過反應方程式就可以知道，電解反應在不斷持續(xù)作用下，電解槽會通過反應產生大量熱能量，這些熱能量就可以達到溫度升高的作用。在電解反應中就會隨著溫度產生以下影響：
1.2.1電解液隨著電解槽內溫度的升高，電導率就會隨著上升，電極反應也會增加。而氣體在這個過程中會生成超電壓，當電解槽內溫度每升高1℃，超電壓會降低0.25%，從而有效提高電解速率。
1.2.2當溫度過高情況下，電解液就會對電解槽產生腐蝕作用，這時候對設備的運行會有損傷，導致出現(xiàn)安全隱患，同時也會減少設備使用年限。因此，在電解槽的溫度要保持在80-90℃，確保在電解槽內的水電解制氫運行安全穩(wěn)定[2]。
2 水電解制氫裝置溫度控制
2.1 溫度定標
在水電解制氫裝置運行時，電解槽內各小室的兩極生成外加電壓，這種電壓是從0開始，慢慢上升，電壓在比較小時基本是不會有電流產生，電解現(xiàn)象就不會發(fā)生。而當電壓達到一定高度值時，兩極產生的反電動勢會遭到影響，產生明顯電流，從庫侖定律就可以得出氫氣量與電流成正比。在電解槽中氫氧化鉀的作用主要是提高水電解的電導，電解反應上沒有氫氧化鉀的關系，因此在制氫過程中是不會產生損耗。而電解槽小室的電壓還會影響單位氣體產量的電耗，在電壓處于恒定狀態(tài)下，電解槽的溫度越高，氫氣產量就會隨著增加，但一定要控制溫度，溫度過高會對電解槽產生腐蝕，主要會腐蝕槽內隔膜材料。隔膜材料無法在高溫的堿液中長時間使用，為確保隔膜材料使用正常，電解槽內水電解制氫運行正常，溫度一定要掌控好[3]。
2.2 溫度控制
在氫氧分離器流出的堿液由于是高溫液體，要在冷卻器和低溫冷卻水中做熱交換，讓其溫度控制在60-70℃左右。冷卻后在將堿液流入電解槽，與槽內依然存在的高溫堿液做熱交換，如此重復循環(huán)，不斷做電解熱量和堿液的低溫冷卻熱交換工作。再利用調節(jié)堿液冷卻水流量，達到控制流出冷卻器堿液的溫度，讓電解槽始終保持在80-90℃范圍。具體熱交換原理操作如下圖3所示：
圖3：水電解制氫熱交換示意圖
3 自動控制系統(tǒng)器材選擇
現(xiàn)階段水電解制氫通常是利用合理設置PID控制器作為參數(shù)調整工作，在控制器作用下溫度控制系統(tǒng)持續(xù)處于穩(wěn)定，當設置的參數(shù)發(fā)生不合理情況下，調節(jié)系統(tǒng)會發(fā)生波動，讓控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂的問題。通常對于水電解制氫參數(shù)的PLC或DCS控制系統(tǒng)，PLC包括，美國Rockwell Allen-Bradley(AB)冗余，德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程序控制器公司的PLC產品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等供客戶選用。
溫度調節(jié)用程序中PID模塊控制通過4~20ma電流信號來驅動電氣轉換器調節(jié)薄膜冷卻水調節(jié)閥的開度，控制來制氫系統(tǒng)的堿液溫度保持在60~70℃左右，槽溫穩(wěn)定在80℃。在水電解制氫中應用廣泛的大連帝國屏蔽泵，需要選擇密封性好，運行穩(wěn)定的，才能最大化提高屏蔽循環(huán)泵工作效率[4]。現(xiàn)階段常用的PLC控制系統(tǒng)依靠其強大功能可以實現(xiàn)獨立運行的控制功能，同樣也可以實現(xiàn)相連成網(wǎng)絡的復雜性控制功能，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比有著極高的性能比對。在應用過程上主要高性能體現(xiàn)在強大的可靠性、豐富指令集、操作方便、具有內置集成功能、強力的通訊能力和豐富的擴展模塊。利用豐富的性能實現(xiàn)水電解制氫的溫度自動控制。
4 溫度自動控制系統(tǒng)設定方法
控制要求：通常在控制上會通過上位機組態(tài)軟件，做溫度控制的設定，在系統(tǒng)中還可以實現(xiàn)實時生產情況的監(jiān)控與實時數(shù)據(jù)收集。系統(tǒng)控制界面通常有SB0代表啟動，是運行指示燈；SB1代表停止，是停止指示燈；SB2代表復位，是聲光報警器。當實時監(jiān)測的溫度達到上限，就會觸發(fā)聲光報警器，這時按SB2可以實現(xiàn)復位功能消除警報系統(tǒng)。
硬件選擇：通常會采用上文所說的西門子系列的PLC系統(tǒng)，可提供4個不同基本型號的8中CPU供客戶使用。MPD461C氣動調節(jié)閥如圖4所示，由調節(jié)型座閥、單作用氣動薄膜執(zhí)行器、智能電氣閥門定位器、過濾減壓閥構成，具備保位功能的型號帶有氣動保位閥。
圖4：MPD461C氣動調節(jié)閥
注意：
以西門子調節(jié)閥為例
1. 氣動調節(jié)閥的定位器使用 4…20 mA 電流源供電。如果連接電壓源，定位器會被損壞。
2. 電源和控制信號線是同一條電線。
3. 依照海拔高度選擇適當?shù)碾娫�。大�?2000 米海平面處，請選用高原專用電源。詳情應詢問高 原專用電源的提供商。
上位機的監(jiān)控組態(tài)畫面可以對水電解制氫整體工藝流程做出顯示。在監(jiān)控界面就可以自動控制和安排水電解制氫的布局情況，并且可以對現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)做實時監(jiān)測，方便技術人員操作。
5 結語
綜上所述，通過利用PLC程序控制溫度自動系統(tǒng)在水電解制氫中的應用，提高制氫設備運行效率，對水電解制氫得到高效控制和操作，提高產氫量的同時對能源的損耗最也大幅度降低。在溫度自動控制系統(tǒng)下，制氫過程中設備內堿液和水可以長期循環(huán)利用，降低水資源浪費，并且滿足工業(yè)生產對氫清潔的需求。
參考文獻：
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[2]劉曉天,尹永利,鄭堯,任會平.水電解制氫在電力儲能系統(tǒng)中的應用模式[J].電力電子技術,2020,54(12):37-40+51.
[3]高鵬飛,張國奇,蒲曉龍,高海陽.水電解制氫裝置運行過程中存在問題及改進措施[J].中國氯堿,2020(09):43-45.
[4]劉軍,梁艷,凌云志.水電解制氫改造技術工藝研究[J].中國石油和化工標準與質量,2019,39(23):194-195.
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