智能电解水制氢控制系统研究报告

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本系统研究了制氢工艺的控制方法,采用了智能模糊PID 方式对系统进行控制;运用了全数字整流电源装置为系统提供可靠的直流电源;并使用工控机配合上位机监控软件对设备进行监视和控制;设立各种联锁,报警对系统进行保护,实现系统的无人值守功能。
摘要 电解水可制取高纯度氢气,也是日前常用的制取氢气的方式;电解水制氢站制氢系统 是中大型火电厂必须的部分,为电厂发电机组提供冷却介质。其可靠性的高低直接影响到 电厂的发电。 本系统硏究了制氢匚艺的控制方法,采用了智能模糊方式对系统进行控制:运用 了仝数字整流电源装置为系统提供可靠的直流电源;并使用工搾杋配合上位机监控软件对 设备进行监视和控制;设立各种联锁,报警对系统进行保护,实现系统的无人值守功能 关键词:智能模糊PID,全数字,电解水,制氢控制软件,制氢电源 本项目的立项背景及意义(概述) 1.立项背景与意义 氢气是一种重要的工业用品,它广泛用于石油、化工、建材、冶金电 子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门。工业上制取氢 气的方法很多,例如天然气石油及其制品经蒸汽转化、部分氧化制氢,煤气 化制氢等,又如前几年流行一时的氨分解制氢,近几年较为时髦的甲醇裂解 制氢,此外,还有食盐水电解制氢及水电解制氢。在这些方法中,水电解制 氢的运行费用是比较高的,但由于它的制取方法和操作简单,不受原料供应 的限制,且产品氢气的纯度高等优点仍然被不少部门和单位所接受 水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。以水为原料制氢的 过程是氡与氧燃烧生成水的逆过程,因此只要提供一定形式一定能量,则可 使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85%,其工艺过程简 单,无污染,但消耗电量大,因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差 电解水制氢,作为一种贮能于段也具有特点。我国水力资源丰富,利用水电 发电,电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽,其中利用光电制氢的方 法即称为太阳能氢能系统,国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量 效夲的提高,成本的降低及使用寿命的延长,其用于制氢的前景不可估量 同时,太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体 来调节,贮存转化能量,使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在 低谷时富余电能也可用于电解水制氢,达到储能的目的。我国各种规模的水 电解制氬装置数以百计,但均为小型电解制氢设备,其∏的均为制提氢气作 料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大,水电解制氢方法必将得到发展。 国外着重于丌发氡气做为燃料,以代替日益枯竭的煤炭石油等矿物燃料 氢不仅是一种清洁能源而且也是一种优良的能源载体,具有可储的特性。 储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置电网负 荷的峰谷差或有人量廉价电能能都可以转化为氢能储存,供需要时再使用, 这种储能方式分散灵活。氢能也具有可输的特性,如在一定条件下将电能转 化为氢能,输氢较输电有一定的优越性。 氢能的开发与应用研究在我国尚处于起步阶段,但随着技术进步,环境 对清洁能源的要求不断提髙,氢能利用是发展的必然趋势,对氢源供应的要 求必将口益增加。在发展过程中,应结合我国情况积极开展扩大氢源、降低 价格的研究,以便取得较好的经济效益和社会效益 2.国内外研究概况 2.1烃类蒸汽转化法 蒸汽转化法可以采用从大然气到石油脑的所有轻烃为原料。转化生成物 主要为氡、一氧化碳和二氧化碳。在此种转换法中,要脱除或分离二氧化碳 是件很麻烦的事。虽然目前分离二氧化碳的方法在不断推出,如变压吸附法 (PSA)、吸收法(包括物理吸收和化学吸收法),低温蒸馏法,膜分离法等等, 然而,三氧化碳的处理仍是很费脑筋,若是直接排入大气,势必造成环境污 染 2.2煤气化法 各种煤均可用于气化制氢,煤气化法制氢的流程大致如图1. 煤,气化 炉煤气 合成气 脱硫 变换 灰 脱碳。产品氨 肀烷化或 变压吸附 空气, 硫 图1.1煤气化法制氢流程图 煤气化法按气化炉可分为固定床、沸腾床和气流床三种,按操作的温度 条件可分为高温(≥1300℃)、中温(1000℃左右)和低温(700~800℃)三种。 从化学平衡观点看,高温条件下,更有利于氢和一氧化碳的生成,且不会产 生焦油和重质油,甲烷的生成量也低。 以美国 Texaco公司采用烟煤为原料产出的合成气为例:H234%,CO248 石,C0217%,(N2+Aυ)1%。从这个数据可以看出,煤气化法制氢不仅工艺 复杂,能耗相对较高,而且制得的氢含量低,所含杂质的种类较多,需要有 效的分离提纯技术与之配合才能得到达到运用标准的高纯气,显然,这些分 离提纯技术较之前面所述的方法更为复杂与难以实现 2.3氨裂解法 氨裂解法是合成氨的逆反应。使用Ni或Fe催化剂。反应温度800到1000 ℃。本法氡气产量只适合小规模生产,且生成气屮有1/4的氮,分离提纯氢 气极不方便 2.4硫化氢分解 硫化氢分解制氢是一项在我国目前尚处在探索与实验阶段的制氢方法,国 外多是从环境保护和寻求新的氢气资源角度来进行实验和开发的。此种方法 ∏前尚处实验阶段,成本昂贵,价格较高,所以用于大规模生产技术还不成 熟 2.5水电解制氢 1800年, Nichoson和 Carlisle首先以电解法制取了氢和氧。1888年俄国的 拉奇诺夫对他的第一台单极性水电解槽取得了专利权。约在二十世纪开始, 德国的 Garuti和 Schuc Kert提出了第一台实用的单极性电解槽的设计;德国 的 Schmidt-0 oerlikon提出了第一台双极性电解槽的设计;约在1927年及1939 年第一台大型压滤式电解槽及第一台大型箱式电解槽在挪威及加拿大安装。 1945年后,世界上约有近十家有名的厂商生产许多大小不同的水电解设备, 安装在世界许多地方。过去数十年,由于用天然气和石油产品的气体转化法 制氢的成本低于电解法因此水电解制氢设备在相当一段时间内发展是缓慢 的。在1960年以前,水电解槽着重在安全性、可靠性和操作维护方使方面进 行改进。1948年 Zdansky- Lonza设计了压力电解槽,把电解槽的操作压力提高 到30kgf/cm。随着燃料电池技术的发展,使水电解技术亦同时得到改进。这 种改进提高了电流密度及延长实用寿命。其中典型的有G.E.固体聚合物电解 质(SPE)水电解槽。它的主要特征是使用一种离子交换膜作为电解质兼起隔膜 作用,依靠此薄膜內的水合氢离子的迁移提供离子导电,水既是反应物,又 是冷却介质。这种电解槽的特点是电流密度高,设备体积小,消除了有腐蚀 的液体。当操作温度为80℃和操作电压为1.9V及2.0V时,其电流密度高达 11000A/m2及13000A/m2。还有固体氧化物电解质电解槽,操作温度约在1000 ℃,在此高温下,理论分解电压仅为0.9V,但由于电解槽在高温下操作,带 来了材料方面的困难,目前尚属实验阶段。另种是 Teledyne碱性电解液水电 解槽,其特点是釆用燃料电池的溥型电解池,极框采用耐热塑料,操作温度 为82℃,电流密度为20003A/m2及3000A/m2,其操作电压为1.9v及2.0V。随着 世界能源出现危机的岀现,能源丌发亦昰多样化,氡气被人们誉为“清洁能 源”。因此大规模的水电解制氢方法研究己被一些国家列入能源开发的计划 中。许多学者都在围绕水电解制氢电耗的降低和设备投资的减少等方面进行 研究,使它能与矿物燃料制氢的方法相竞争。到2000年,天然气转化制氡的 成本提高到了1975年的4-9倍。但水电解制氢工艺和设备的改进,特别是高温 固体氧化物水电解工艺的开发应用,将可能使水电解制氬的总效率达到 40-50% 2.6水电解制氢的优点 水电解制氢的技术可靠。虽然其制氢成本较矿物燃料转化法成本高,但不 产生污染,操作简单、维护方便,制得的氢气纯度较高(99.7-99.9%)。而且 所用设备的材料容易取得,制氢用原料也容易得到,操作简便。因此,从安 全、可靠及适应性考虑,对氢气纯度要求高和用量一般的企业单位,采用水 电解制氢很有实际意义。 现有大型水电解装置一般采用25%-30%的KOH作为电解液,操作温度为80 ℃,电流密度1500-3000A/m2,操作电压1.8-2.2V,电流效率99.5%,氢气纯度 9.7%,氧气纯度99.5% 就水电解装置的直流电源裝置而言,带有电压、电流环闭环调节的可控硅 整流裝置是优先选择的对象。它除了其冇稳流性能外,还可设置多道的保护 环节,以适应氢气生产的各方面要求。但是早先的电压、电流环闭环调节的 可控硅整沇裝置的晶体管整沇电路控制技术以分立器件为主,电路结构复杂, 电参数离散性较大,造成调试和维修工作量大、系统工作不稳定。近年来, 计算机控制技术及数字式调速技术获得了长足发展,以其集成化程度高、控 制功能强和有效的抗干扰能力,在各个工业控制领域得到了广泛的应用。 2.7水电解制氢电源控制装置国内外概况、水平、发展趋势 水电解制氢电源主要由主电路、控制系统、辅助系统及监控系统组成,辅 助系统由冷却系统和谐波抑制系统组成。由于计算机技术的发展,使各类监 控数据采集集成为了可能。但山于国内在氢使用的开发研究上与国外先进水 平存在很大差距,从而使国内在水电解制氢电源特别是控制系统与先进水平 相比存在很大的差距 2.8主电路结构 在电压较高的整流电路中,一般采用三相桥式整流电路,电路的变压器利 用率髙,在同等直流功率情况下,可以使用最小容量的整流变压器,从而使 整个设备的造价降低制氢电源属于电化学整流电源中的一种,由于电化学整 流电源的最大特点是低电压、大电流、大容量,常用的供电连接方式是双反 星形带平衡电抗器连接和三相桥式连接。 电化学整流电源由于其容量较大,所以在主电路结构上与普通的整流电路 有所区别,因为这个原因,使得无论在电路结构形式还是元器件的选择方面, 可以通用的并个是太多。 国内电化学用大电流整流电源多釆用“同相逆并联”结构,这种结构特点 是消除本相磁场干扰,使整流器件并联易于均流,缺点是整流变压器阀侧绕 组结构和接线复杂,导致整流变压器成本高 国际上欧洲一些公司一般不采用同相逆并联结构,而采用自支持非封闭结 构,也能达到消除自身磁场下扰、均流性能好的效果,但是在进出线设计不 合理时效果很差,其冷却要求外罩,一般均采用非导磁材料 国内囗前出现了同相逆并联准自支持结构,它充分结合了两者的特点,电 路结构形式采用冋相逆并联技术,而在柜休结构和导电母线排的安装设计上 采用类似自攴持结构的形式,这些主要是考虑所设计的整流电源的特点和技 术要求。 2.9整流器件 主要选用晶闸管作为制氡整流电源的整流器件,系统控制电路相对复杂。 电源调压采用晶闸管移相控制方式,或采用整流变压器网侧绕组有载分段调 压(粗调)和晶闸管相控调压(细调)的联合调整方式。整流输出的稳流控制通 过控制晶闸管触发脉冲来完成,对于操作人员来说操作、维护比较复杂,目 前国内外在大功率整流器件上的发展水平(主要考虑电流峰值)有较大的差 距。近年来有些研究机构采用IGB作为整流器件的小功夲样机己经实验成功, 但它的最大问题是并联均流技术和成本价格 3.本项目的研究内容 本项目根据日前电解水制氢气的工艺过程,重点研究了制氢整流电源,工艺过程的PC 控制及监控系统,智能控制算沄研究,分为以下几个方面: (1)智能模糊控制的硏究 工艺控制屮各参数的调节直接关系到系统制氢的稳定性,木项目硏究了 智能模糊控制对设备中各参数的调节控制。 (2)全数字电源的研究 制氢用电源的稳定性对电解槽和系统的产氢量都冇很大影响,本项目硏 究了全数字控制的整流电源。 (3)上位机监控及尤人值守的研究 本项目研究了设备可能发生的各种故障,采取报警、联锁的控制方法, 以实现无人职守的运行环境。 二、智能模糊控制的研究 1、制氢工艺流程 见附图一 1.1系统的调节 系统的调节策略宜接影响到系统的调节品质、稳定性和安全性,因此,在 编程环节中对调节给予∫高度重视,在充分硏究制氢设备的调节特点,并综 合对系统调节影响有关的参数后,采用了多冲量的调节模式而非类似单回路 控制器的调节模式,将其它有关参数对调节的影响进行了充分地考虑,制定 出完善的调节策略并贯彻到程序的编制中,配合髙品质的硬件,使系统的调 节稳定、可靠,最大限度地保障了设备的安全、自动运行。 1)电解电流调节: 电解调节的操纵量为整流柜输岀电流,参考量为电沇给定、整流电压、整 流电流、氢侧液位、氧侧液位、联锁信号。 在开机过程屮,如果存在联锁信号则系统不能进入正常工作;如果不存在 联锁信号则从100A开始自动以最优方式(最快速)升电流,电流上升将导致 液位上升和整沇电压上升,当氧侧液位、氢侧液位升至报警值或整流电压升 至给定值后,将会限制电流上升;在升电流过程中,如果氧侧液位、氢侧液 位和整流电压没冇限制电流上升,整流电流将升至给定值。 在正常运行过程中,如果岀现联锁信号则整流电流立即駣至0A并监视联 锁信号,联锁信号一旦消除则重新启动整流柜并以最优方式升电流至给定值 在停机过程中,一旦停机操作被确认,电流立即跳至0A。 2)压力调节 压力调节的操纵量为氧气出口流量,参考量为压力给定、氧槽温、氢氧差 压。如图 氧侧调节阀氧气出 压力+输入 出安电气 变送器安全栅 传换器 氧分 图2.1压力调节示意图 在开机过程中,当氧槽温低于50℃时,限制系统压力不高于0.8MPa;当 氧槽温升至50℃后,系统压力将升至设定值: 在停机过程中,当氧槽温高于50℃时,限制系统压力不低于0.8MPa;当 氧槽温降至50℃后,系统压力将降为OMPa。 当氢氧差压超限后(异常情况),压力调节将服从于液位调节。如果氢侧 液位髙于氧侧液位超过某值,即使系统压力低于给定值,氧侧调节阀也将打 开以平衡两侧液位,而不是保持系统压力。 3)液位调节: 液位调节的操纵量为氡气出口流量、氧气出口流量(仅异常情况),参考 量为氢侧液位、氧侧液位 在正常情况下,依据氢氧液位控制氢侧调节阀平衡液位;在异常情况下, 控制氢氧两侧调节阀平衡液位。如图2.2 侧调节很氧气出 差压输入输出电气 变送器「安全栅!Pc安全栅转换器 电气「输出 转换安全栅4 氧分离器 至周,氢气 差压4输入中 变送器安全栅 氢分离器 图2.2液位调节示意图 4)温度调节: 温度调节的操纵量为冷却水流量,参考量为氧槽温。如图2.3 氧气出囗 冷却水出囗 氢气出囗 氧槽温检测点 氢槽温檢测点 氧分离器 氢分离器 却水入口 电气 转换器 电解槽 P温度 输出 PLC 变送器 安仝栅 图2.3温度调节示意图 5)补水调节: 补水调节操纵量为补水泵开停,参考量为氧液位 当氧液位低于设定值并且氢氧液位和小于合理值时,开补水泵;当氧液位 升至设定值时,停补水泵。 系统超压联锁时,停补水泉。如图2.4 差压 输入 奕这器安全栅 P工C 蒸馏水 氢分离器 压 送水京 氧分离器 变送器安全栅 图2.4补水调节示意图

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