CN102586797B - 一种水电解制氢方法 - Google Patents
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Abstract
一种水电解制氢方法，属于水电解制氢领域，它包括两套水电解制氢设备即1#制氢设备和2#制氢设备，在1#制氢设备的制氢框架A1-1与纯化框架A1-2间的氢气管路设置两个切断阀V1和V2；在2#制氢设备的制氢框架A2-1与纯化框架A2-2间的氢气管路设置两个切断阀V6和V7。通过对水电解制氢***串并联改造，提高了***设备利用率，降低了检修频率以及***异常开停频率，节省了大量维修成本。同时提高了***氢气生产能力，保证了氢气用户的正常稳定生产。
Description
技术领域：
本发明属于水电解制氢领域，具体涉及一种水电解制氢方法。
背景技术
水电解制氢设备包括电解槽、制氢框架和纯化框架。其制氢原理：水在电解槽直流电作用下电解生产氢气和氧气，其中KOH作为电解液，V2O5作为催化剂，***消耗电和水；电解槽制取的氢气和氧气随循环碱液分别带到制氢框架的氢气分离器和氧气分离器，分离的氢气进入纯化框架，分离的氧气排空；制氢框架得到的氢气纯度不高，需经过纯化框架脱氧、干燥，达到指标要求后送到用户。
氢气具有易泄漏、易扩散的特殊物理性能，比空气扩散快3.8倍；泄漏为空气的2倍。尤其在纯化框架各类阀门繁多的运行环境下频发泄漏事件，机组必须停运处理，直接导致***产气效率下降且能耗上升（>5.1 kwh/m3 H2）。
为保证机组和周边人员设施安全，发生氢气泄漏事件必须尽快停机处理，由于设备经常启停不仅影响***生产，而且影响设备寿命，管道阀门丝扣连接部位更易出现泄漏。这也是众多水电解制氢生产单位面临的重要问题。
发明内容
为降低设备启停频次，必须解决最易发生氢气泄漏的纯化框架运行问题。
为了解决上述问题，本发明提供提高运行效率的一种水电解制氢方法。
本发明包括两套水电解制氢设备即1#制氢设备和2#制氢设备，在1#制氢设备的制氢框架A1-1与纯化框架A1-2间的氢气管路设置两个切断阀V1和V2；在2#制氢设备的制氢框架A2-1与纯化框架A2-2间的氢气管路设置两个切断阀V6和V7；
所述制氢设备包括硅整流器E1、水电解槽E2，制氢框架和纯化框架；
在切断阀V1和切断阀V2中间与切断阀V6和切断阀V7中间设置连通管；在该连通管上设置切断阀V4；切断阀V4两侧分别加设排空阀V3和排空阀V5作为端头排空放散阀；
在切断阀V1和切断阀V2中间设置氮气吹扫阀V8，在切断阀V6和切断阀V7中间设置氮气吹扫阀V9；
在每个制氢框架的氧气/碱液分离塔与氢气/碱液分离塔之间的连接管道上均设有氮气吹扫控制阀；每个制氢框架的氧气/碱液分离塔均设有氧气排空阀；
制氢设备单独运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择单独运行设备，单独运行的制氢设备在电解槽工作下生产氢气，氢气与碱液混合介质进入运行的制氢框架，在制氢框架内氢气与碱液分离；氢气再进入纯运行的化框架，在纯化框架内氢气经过脱氧和干燥后成为产品氢气；当两个制氢设备同时运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序同时选择两个制氢设备，两个制氢设备生产的产品氢气分别经制氢框架和纯化框架，最后汇合进入主管道供给后部用户。
在1#制氢装置的切断阀V1和切断阀V2中间设置氮气吹扫阀V8，在2#制氢设备的切断阀V6和切断阀V7中间设置氮气吹扫阀V9，两个氮气吹扫阀V8、V9作为两个制氢设备切换时吹扫连通管路以及纯化框架。
当1#制氢设备单独运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择1#设备。1#制氢设备在电解槽工作下生产氢气，氢气与碱液混合介质进入制氢A1-1设备区域，在该区域氢气与碱液分离；氢气再进入纯化A1-2设备区域，在该区域氢气经过脱氧和干燥后成为产品氢气。
同理，当2#制氢设备单独运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择2#设备。2#制氢***生产的氢气经过A2-1 和A2-2设备区域成为产品氢气。
与本发明配套使用的计算机程序说明
（1）程序控制模式
（2）控制操作程序
a.设备启动前计算机控制程序全部默认“手动”状态，模式运行状态按钮为“红色”；岗位人员现场检查电气、仪表和机械设备是否正常，以及水、电、气等监测显示是否正常；
b．岗位人员在现场或电脑远程手动启动设备（所启动的设备必须与计划运行的自动控制模式一致），设备运转正常后首先进行模式选择（一次只能选择一种运行模式，不能两种以上运行模式同时选择），模式选择后电脑画面显示模式按钮由“红色”变为“绿色”，默认手动状态由“红色”变为“绿色”；
c．岗位人员检查电脑控制***有无异常显示记录，如果有异常报警，消除异常后准备投运“自动”；
d．岗位人员在电脑画面选择“自动”按钮，且确认，“自动”按钮由红色变为绿色，同时“手动”按钮由绿色变为红色，***开始自动运行；
e．如果设备计划停运检修，岗位人员必须首先将运行模式由“自动”切换为“手动”，最后通过电脑远程或在现场手动操作停运设备。
F．如果切换运行模式，岗位人员必须首先将目前运行状态由“自动”切换为“手动”；接着现场确认即将投运的模式对应设备是否开启，且运行正常，同时将相应切换阀门操作到位，再将即要退出的运行模式所对应设备手动停车；随后在电脑点击投运模式按钮，新模式开始运行，对应“手动”按钮显示绿色，同时所退出的模式按钮变为“红色”，其运行状态按钮为默认红色；最后将切换投运的运行模式状态选择为“自动”。
本发明提高了设备运行效率，降低了设备检修频率，提高了***氢气产能，实现了***设备单独或互备运行，提高了机组运行效率且能耗下降（<4.6 kwh/m3 H2），同时为后部用户安全正常生产提供了气源保证。
附图说明
图1是本发明实施例的水电解制氢设备结构示意图。
图中，E1表示硅整流器，E2表示水电解槽，E3表示氧气/碱液和氢气/碱液综合分离塔，E4表示脱氧塔，E5表示干燥塔；V1～V7表示氢气管路切换阀，V8～V11表示氮气控制阀，V12和V13表示氧气排空阀，V14～V17表示三通阀，当需要排空时，切换阀门为“排空”状态，管道内气体排出、不会进入后部管道；当不排空时，切换阀门为“输气”状态，管道内气体流经该阀门、进入后部管道；A1-1和A2-1虚线框区域表示制氢框架，A1-2和A2-2虚线框区域表示纯化框架；E3（H2）表示氢气/碱液分离塔，E3（O2）表示氧气/碱液分离塔。
具体实施方式
实施例：图1所示，本发明实施例的水电解制氢设备包括两套水电解制氢设备即1#制氢设备和2#制氢设备，在1#制氢设备的制氢框架（A1-1）与纯化框架（A1-2）间的氢气管路设置阀门V1和V2，作为1#制氢***两框架的切断阀；在2#制氢设备的制氢框架（A2-1）与纯化框架（A2-2）间的氢气管路设置阀门V6和V7，作为2#制氢***两框架的切断。
所述1#制氢设备、2#制氢设备均包括硅整流器（E1）、水电解槽（E2），制氢框架（A1-1、A2-1）和纯化框架（A1-2、A2-2）；
在切断阀V1和切断阀V2中间与切断阀V6和切断阀V7中间设置连通管，作为两套设备切断的主要通道；在该连通管上设置切断阀V4作为1#和2#两个制氢设备的切断控制阀。切断阀V4两侧分别加设排空阀V3和排空阀V5作为端头排空放散阀，便于***切换时排除管路中不合格氢气。
在1#制氢装置的切断阀V1和切断阀V2中间设置氮气吹扫阀V8，在2#制氢设备的切断阀V6和切断阀V7中间设置氮气吹扫阀V9，两个氮气吹扫阀V8、V9作为两个制氢设备切换时吹扫连通管路以及纯化框架。
在制氢框架A1-1的氧气/碱液分离塔E3（O2）与氢气/碱液分离塔E3（H2）之间的连接管道上设有氮气吹扫控制阀V10；在制氢框架A2-1的氧气/碱液分离塔E3（O2）与氢气/碱液分离塔E3（H2）之间的连接管道上设有氮气吹扫控制阀V11；在制氢框架A1-1的氧气/碱液分离塔E3（O2）设有氧气排空阀V12；在制氢框架A2-1的氧气/碱液分离塔E3（O2）设有氧气排空阀V13。
运行操作：
（1）当选择模式一（1#制氢设备单独运行）时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择1#设备。1#制氢设备在电解槽工作下生产氢气，氢气与碱液混合介质进入制氢A1-1设备区域，在该区域氢气与碱液分离；氢气再进入纯化A1-2设备区域，在该区域氢气经过脱氧和干燥后成为产品氢气。
（2）当选择模式二（2#制氢设备单独运行）时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择2#设备。2#制氢***生产的氢气经过A2-1 和A2-2设备区域成为产品氢气。
(3)当选择模式三（1#和2#制氢设备同时运行）时，切断阀V4关闭，自动控制程序同时选择1#制氢设备和2#制氢设备。1#制氢设备和2#制氢设备生产的产品氢气分别经制氢和纯化区域，最后汇合进入主管道供给后部用户。
(4)当1#制氢设备运行中纯化框架（A1-2）故障、2#制氢设备备用时选择模式四（1#制氢设备制氢框架A1-1与2#制氢设备纯化框架A2-2组合运行，期间1#设备纯化框架A1-2和2#设备制氢框架A2-1退出），操作步骤如下：
A. 开启控制阀V9，氮气进入；
B. 开启切断阀V5，氮气置换2#设备至切断阀V4的连通管路，管路内空气被氮气置换后经切断V5排出，检测切断阀V5气体含氧量，合格后关闭V5；
C. 开启切断阀V7，氮气置换2#纯化框架A2-2。2#纯化框架A2-2的空气被氮气置换后经过三通阀（V15）排空放出，检测其含氧量合格后三通阀自动关闭，最后关闭控制阀V9。2#纯化框架A2-2氮气置换空气结束；
D. 缓慢开启切断阀V4，1#制氢设备的氢气经过切断阀V4进入2#制氢设备；
E. 2#制氢设备的纯化框架A2-2自动检测氢气质量是否合格，当不合格时氢气通过三通阀（V15）排空放出，当合格时三通阀转向合格状态，产品氢气经过三通阀到后部管道，供给下工序。模式（四）对应的现场设备和仪表运行正常
F.在电脑上选择模式（四），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
(5)当1#制氢设备运行中的制氢框架A1-1故障、2#制氢设备备用时选择模式五（2#制氢设备制氢框架A2-1与1#制氢设备纯化框架A1-2组合运行，期间1#设备制氢框架A1-1和2#设备纯化框架A2-2退出），操作依序步骤如下：
A.1#制氢设备停止生产氢气，制氢框架A1-1退出运行；
B. 打开控制阀V11，氮气对2#制氢设备的制氢框架A2-1中空气进行置换，不合格氮气经过三通阀（V17）排出；检测三通阀排出气氧含量合格后关闭控制阀V11；
C. 打开控制阀V9，氮气对2#制氢设备至切断阀V4管路中空气进行置换，切断阀V5打开排气检测含氧量，合格后关闭氮气；
D.打开切断阀V6（切断阀V7保持关闭状态）；
E. 2#制氢设备开始生产氢气。2#制氢框架A2-1自动检测氢气是否合格，如果氢气不合格通过三通控制阀（V17）排空，如果合格后氢气经过切断阀V6到达连通管切断阀V4前；
F.当压力达到0.5Mpa时开启切断阀V4，氢气进入1#制氢设备的纯化框架A1-2。
G.当1#制氢设备的纯化框架A1-2氢气压力达到0.8Mpa以上时***自动给后部工序供气。模式（五）对应的现场设备和仪表运行正常。
H.在电脑上选择模式（五），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
(6)当2#制氢设备运行中的纯化框架（A2-2）故障、1#制氢设备备用时选择模式五（2#制氢设备制氢框架A2-1与1#制氢设备纯化框架A1-2组合运行，期间1#设备制氢框架A1-1和2#设备纯化框架A2-2退出），操作步骤如下：
A. 开启控制阀V8，氮气进入；
B. 开启切断阀V3，氮气置换1#设备至切断阀V4的连通管路，管路内空气被氮气置换后经切断V3排出，检测切断阀V3气体含氧量，合格后关闭V3；
C. 开启切断阀V2，氮气置换1#纯化框架A1-2。1#纯化框架A1-2的空气被氮气置换后经过三通阀（V14）排空放出，检测其含氧量合格后三通阀自动关闭，最后关闭控制阀V8。1#纯化框架A1-2氮气置换空气结束；
D. 缓慢开启切断阀V4，2#制氢设备的氢气经过切断阀V4进入1#制氢设备；
E. 1#制氢设备的纯化框架A1-2自动检测氢气质量是否合格，当不合格时氢气通过三通阀（V14）排空放出，当合格时三通阀转向合格状态，产品氢气经过三通阀到后部管道，供给下工序。模式（五）对应的现场设备和仪表运行正常
F.在电脑上选择模式（五），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
(7)当2#制氢设备运行中的制氢框架A2-1故障、1#制氢设备备用时选择模式四（1#制氢设备制氢框架A1-1与2#制氢设备纯化框架A2-2组合运行，期间1#设备纯化框架A1-2和2#设备制氢框架A2-1退出），操作依序步骤如下：
A.2#制氢设备停止生产氢气，制氢框架A2-1退出运行；
B. 打开控制阀V10，氮气对1#制氢设备的制氢框架A1-1中空气进行置换，经过三通阀（V16）排出废气；自动检测三通阀排出气氧含量合格后置换结束关闭控制阀V10；
C. 打开控制阀V8，氮气对1#制氢设备至切断阀V4管路中空气进行置换，切断阀V3打开排气检测含氧量，合格后关闭氮气；
D. 关闭切断阀V8，打开切断阀V1；
E. 1#制氢设备开始生产氢气。1#制氢框架A1-1自动检测氢气是否合格，如果氢气不合格通过三通阀（V16）排空，如果合格后氢气经过切断阀V1到达连通管切断阀V4前；
F.当压力达到0.5Mpa时开启切断阀V4，氢气进入2#制氢设备的纯化框架A2-2。
G.当2#制氢设备的纯化框架A2-2氢气压力达到0.8Mpa以上时***自动给后部工序供气。模式（四）对应的现场设备和仪表运行正常；
H.在电脑上选择模式（四），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
Claims (5)
1.一种水电解制氢方法，其特征是包括两套水电解制氢设备即1#制氢设备和2#制氢设备，在1#制氢设备的制氢框架A1-1与纯化框架A1-2间的氢气管路设置两个切断阀V1和V2；在2#制氢设备的制氢框架A2-1与纯化框架A2-2间的氢气管路设置两个切断阀V6和V7；
所述制氢设备包括硅整流器E1、水电解槽E2，制氢框架和纯化框架；
在切断阀V1和切断阀V2中间与切断阀V6和切断阀V7中间设置连通管；在该连通管上设置切断阀V4；切断阀V4两侧分别加设排空阀V3和排空阀V5作为端头排空放散阀；
在切断阀V1和切断阀V2中间设置氮气吹扫阀V8，在切断阀V6和切断阀V7中间设置氮气吹扫阀V9；
在每个制氢框架的氧气/碱液分离塔与氢气/碱液分离塔之间的连接管道上均设有氮气吹扫控制阀；每个制氢框架的氧气/碱液分离塔均设有氧气排空阀；每个制氢框架的氢气/碱液分离塔后均设有三通排空阀；
制氢设备单独运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序对应选择单独运行设备，单独运行的制氢设备在电解槽工作下生产氢气，氢气与碱液混合介质进入运行的制氢框架，在制氢框架内氢气与碱液分离；氢气再进入纯化框架，在纯化框架内氢气经过脱氧和干燥后成为产品氢气；当两个制氢设备同时运行时，切断阀V4关闭，自动控制程序同时选择两个制氢设备，两个制氢设备生产的产品氢气分别经制氢框架和纯化框架，最后汇合进入主管道供给后部用户。
2. 根据权利要求1所述的一种水电解制氢方法，其特征是所述的制氢设备单独运行，即当1#制氢设备运行中纯化框架A1-2故障、2#制氢设备备用时，操作步骤如下：
A. 开启控制阀V9，氮气进入；
B. 开启切断阀V5，氮气置换2#设备至切断阀V4的连通管路，管路内空气被氮气置换后经切断V5排出，检测切断阀V5气体含氧量，合格后关闭V5；
C. 开启切断阀V7，氮气置换2#纯化框架A2-2；
2#纯化框架A2-2的空气被氮气置换后经过三通阀V15排空放出，检测其含氧量合格后三通阀自动关闭，最后关闭控制阀V9；
2#纯化框架A2-2氮气置换空气结束；
D. 缓慢开启切断阀V4，1#制氢设备的氢气经过切断阀V4进入2#制氢设备；
E. 2#制氢设备的纯化框架A2-2自动检测氢气质量是否合格，当不合格时氢气通过三通阀V15排空放出，当合格时三通阀转向合格状态，产品氢气经过三通阀到后部管道，供给下工序；
模式（四）对应的现场设备和仪表运行正常；
F.在电脑上选择模式（四），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
3.根据权利要求1所述的一种水电解制氢方法，其特征是所述的制氢设备单独运行，即当1#制氢设备运行中的制氢框架A1-1故障、2#设备备用时，操作依序步骤如下：
A.1#制氢设备停止生产氢气，制氢框架A1-1退出运行；
B. 打开控制阀V11，氮气对2#制氢设备的制氢框架A2-1中空气进行置换，不合格氮气经过三通阀V17排出；检测三通阀排出气氧含量合格后关闭控制阀V11；
C. 打开控制阀V9，氮气对2#制氢设备至切断阀V4管路中空气进行置换，切断阀V5打开排气检测含氧量，合格后关闭氮气；
D.打开切断阀V6，切断阀V7保持关闭状态；
E. 2#制氢设备开始生产氢气；
2#制氢框架A2-1自动检测氢气是否合格，如果氢气不合格通过三通控制阀V17排空，如果合格后氢气经过切断阀V6到达连通管切断阀V4前；
F.当压力达到0.5MPa时开启切断阀V4，氢气进入1#制氢设备的纯化框架A1-2；
G.当1#制氢设备的纯化框架A1-2氢气压力达到0.8MPa以上时***自动给后部工序供气；
模式（五）对应的现场设备和仪表运行正常，
H.在电脑上选择模式（五），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
4.根据权利要求1所述的一种水电解制氢方法，其特征是所述的制氢设备单独运行，即当2#制氢设备运行中的纯化框架A2-2故障、1#设备备用时，操作步骤如下：
A. 开启控制阀V8，氮气进入；
B. 开启切断阀V3，氮气置换1#设备至切断阀V4的连通管路，管路内空气被氮气置换后经切断V3排出，检测切断阀V3气体含氧量，合格后关闭V3；
C. 开启切断阀V2，氮气置换1#纯化框架A1-2；
1#纯化框架A1-2的空气被氮气置换后经过三通阀V14排空放出，检测其含氧量合格后三通阀自动关闭，最后关闭控制阀V8；
1#纯化框架A1-2氮气置换空气结束；
D. 缓慢开启切断阀V4，2#制氢设备的氢气经过切断阀V4进入1#制氢设备；
E. 1#制氢设备的纯化框架A1-2自动检测氢气质量是否合格，当不合格时氢气通过三通阀V14排空放出，当合格时三通阀转向合格状态，产品氢气经过三通阀到后部管道，供给下工序；
模式（五）对应的现场设备和仪表运行正常，
F.在电脑上选择模式（五），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
5.根据权利要求1所述的一种水电解制氢方法，其特征是所述的制氢设备单独运行，即当2#制氢设备运行中的制氢框架A2-1故障、1#设备备用时，操作依序步骤如下：
A.2#制氢设备停止生产氢气，制氢框架A2-1退出运行；
B. 打开控制阀V10，氮气对1#制氢设备的制氢框架A1-1中空气进行置换，经过三通阀V16排出废气；自动检测三通阀排出气氧含量合格后置换结束关闭控制阀V10；
C. 打开控制阀V8，氮气对1#制氢设备至切断阀V4管路中空气进行置换，切断阀V3打开排气检测含氧量，合格后关闭氮气；
D. 关闭切断阀V8，打开切断阀V1；
E. 1#制氢设备开始生产氢气；
1#制氢框架A1-1自动检测氢气是否合格，如果氢气不合格通过三通阀V16排空，如果合格后氢气经过切断阀V1到达连通管切断阀V4前；
F.当压力达到0.5MPa时开启切断阀V4，氢气进入2#制氢设备的纯化框架A2-2；
G.当2#制氢设备的纯化框架A2-2氢气压力达到0.8MPa以上时***自动给后部工序供气；
模式（四）对应的现场设备和仪表运行正常，
H.在电脑上选择模式（四），“手动”状态下运行稳定后切换“自动”运行。
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| CN201473597U (zh) * | 2009-09-11 | 2010-05-19 | 上海高企新能源科技有限公司 | 带有冷却洗涤罐的氢氧机 |
-
2012
- 2012-03-09 CN CN201210061249.4A patent/CN102586797B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2931497Y (zh) * | 2005-09-28 | 2007-08-08 | 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 | 集装式水电解制氢设备 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 俄罗斯制氢站设备改造的应用与实施;张翠伶;《第三届全国电站化学(环保)专业技术研讨会》;20110831;第14-182 * |
| 张翠伶.俄罗斯制氢站设备改造的应用与实施.《第三届全国电站化学(环保)专业技术研讨会》.2011,第14-18页. |
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