一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水电解制氢技术领域，尤其涉及一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统及方法。

背景技术

现有水电解制氢设备的液位平衡控制通常靠单个气动薄膜调节阀进行氢/氧分离器液位平衡控制；在实际生产中，单个的气动薄膜调节阀的有效可调范围一般为30％～90％，满足常规水电解质制氢设备的工况要求；但对于大容量水电解制氢设备而言，在开机初始或低负荷下运行时，气动薄膜调节阀开度会低于10％；或在高负荷运行时，气动薄膜调节阀开度会高于90％；此时气动薄膜调节阀则处于不可控的状态，影响水电解制氢设备的稳定运行；这导致单个气动薄膜调节阀的控制方式往往只能满足较小功率波动的水电解制氢设备的液位平衡控制；同时难以做到全程调节控制大容量水电解制氢设备氢/氧分离器液位平衡。

可再生能源电力(绿电)制氢(绿氢)因其环保零碳深受推崇，大容量水电解制氢设备应运而生，正迅速走向市场；然而可再生能源电力受到昼夜、季节、天气等自然条件的影响限制，导致可再生能源电力具有明显的波动性、间断性等特点。这对水电解制氢设备液位平衡控制调节提出了更高的要求，不仅要提高可再生能源电力的利用率，也要保证在宽负荷功率波动下稳定运行。显然，现有的单个气动薄膜阀的调节方式式已经无法满足相应的控制要求；因此，业内急需一种新型的用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统及方法，以适应宽负荷功率波动水电解制氢设备的生产稳定运行，以及在水电解制氢设备生产运行中，做到全程有效的调节控制水电解制氢设备氢/氧分离器液位平衡；氢/氧分离器液位平衡指氢分离器和氧分离器的液位平衡。

本发明提供了一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统，包括第一液位检测器、第二液位检测器、阀门定位器、控制器和气动薄膜调节阀组；

所述气动薄膜调节阀组包括至少两件气动薄膜调节阀；气动薄膜调节阀组由两件或多件气动薄膜调节阀并联组成；

所述第一液位检测器设置于氢分离器上，用以检测氢分离器液位，并将检测的液位信息传送给所述控制器；所述氢分离器连通氢气洗涤器，氢气洗涤器的出口管道设有所述气动薄膜调节阀组，气动薄膜调节阀组用以控制氢气洗涤器出口管道的流量；

所述的第二液位检测器设置于氧分离器上，用以检测氧分离器液位，并将检测的液位信息传送给所述控制器；

所述阀门定位器与气动薄膜调节阀组的气动薄膜调节阀对应设置，每件气动薄膜调节阀对应设置一件阀门定位器，阀门定位器用以将控制器发出的指令电信号转换为气动信号，控制气动薄膜调节阀的开度大小，并将检测到的气动薄膜调节阀开度大小反馈给所述控制器；

所述控制器与第一液位检测器、第二液位检测器以及阀门定位器连接；控制器用以对第一液位检测器、第二液位检测器和阀门定位器传送的实时信号进行数据分析处理，并依据数据分析处理结果发出相应执行指令，控制气动薄膜调节阀组的运行，以实现水电解制氢设备的液位平衡控制。

进一步地，气动薄膜调节阀组由流通量不同的两件或多件气动薄膜调节阀并联组成。优选，气动薄膜阀组中并联的两件或多件气动薄膜调节阀的流通量按照等差比例排序，如：第一件气动薄膜调节阀流通量为1-500单位，第二件气动薄膜调节阀流通量为500-1000，第三件气动薄膜调节阀流通量为1000-1500等。控制器通过控制按等差比例排序的气动薄膜阀组中各气动薄膜调节阀开度，有效做到适应各负荷功率运行下的水电解制氢设备的氢分离器和氧分离器液位平衡。

进一步地，氢分离器连通氢气洗涤器，氢气洗涤器的出口管道设有所述气动薄膜调节阀组，气动薄膜调节阀组用以控制氢气洗涤器出口管道的流量。

进一步地，第一液位检测器和第二液位检测器为差压变送器。

进一步地，控制器为PLC可编程控制器。

本发明还提供一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制方法，包括以下步骤：

液位检测，分别检测获取水电解制氢设备中氢分离器和氧分离器的液位信息；

液位信息分析处理，对获取的氢分离器和氧分离器的液位信息进行比较分析，并依据氢分离器和氧分离器的液位信息比较分析结果，执行相应指令操作。

进一步地，所述分别检测获取水电解制氢设备中氢分离器和氧分离器的液位信息，具体包括：

利用第一液位检测器检测氢分离器液位，并将检测的液位信号转换为电信号传送给所述控制器，获得氢分离器的液位信息；

利用第二液位检测器检测氧分离器液位，并将检测的液位信号转换为电信号传送给所述控制器，获得氧分离器的液位信息。

进一步地，所述对获取的氢分离器和氧分离器的液位信息进行比较分析，并依据氢分离器和氧分离器的液位信息比较分析结果，执行相应指令操作；具体包括：利用控制器分析比较获取的氢分离器和氧分离器的液位信息；

若氢分离器的液位液位值大于氧分离器液位值，控制器发出减小的执行指令，减小氢气分离器侧气动薄膜调节阀门组中气动薄膜调节阀的开度，直至氢分离器和氧分离器液位差稳定在阈值范围；

若氢分离器的液位液位值小于氧分离器液位值，控制器发出增大的执行指令，增大氢气分离器侧气动薄膜调节阀门组中气动薄膜调节阀的开度，直至氢分离器和氧分离器液位差稳定在阈值范围。

进一步地，所述氢分离器和氧分离器液位差的阈值范围为±5mm。

有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统，包括第一液位检测器、第二液位检测器、阀门定位器、控制器和气动薄膜调节阀组；通过并联的多个气动薄膜调节阀构成的气动薄膜调节阀组来调节水电解制氢设备氢分离器和氧分离器液位平衡，提高了气动薄膜调节阀组的有效调节范围，满足了水电解制氢设备可在宽负荷功率波动范围下稳定运行，以及做到了全程有效的调节控制水电解制氢设备的氢分离器和氧分离器液位平衡；同时使得水电解制氢设备适用范围更广，为“绿氢”规模化应用奠定基础。

本申请的一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制方法与平衡控制系统取得的有益效果对应，此处不再重复论述。

附图说明

图1为本发明一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统的结构示意图；

其中：1001、电解槽，1002、氢分离器，1003、氧分离器，1004、氢气洗涤器，1005、氧气洗涤器，1006、换热器，L1、第一液位检测器，L2、第二液位检测器，LV1、气动薄膜调节阀(小阀)，LV2、气动薄膜调节阀(大阀)，M、循环泵，LY1、阀门定位器，PLC、可编程控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制系统，包括第一液位检测器、第二液位检测器、阀门定位器、控制器和气动薄膜调节阀组；所述气动薄膜调节阀组包括至少两件气动薄膜调节阀；气动薄膜调节阀组由两件或多件气动薄膜调节阀并联组成。

本发明的水电解制氢设备包括：电解槽1001、氢分离器1002、氧分离器1003、氢气洗涤器1004、氧气洗涤器1005、换热器1006和循环泵M；

氢分离器和氧分离器并联于电解槽，氢分离器出口端连通氢气洗涤器；氧分离器出口端连通氧气洗涤器；电解槽1001通电电解水生成氢气和氧气，氢气通过氢分离器1002和氢气洗涤器1004输出。氧气通过氧分离器1003和氧气洗涤器1005输出。氢分离器1002和氧分离器1003底部设有管路连通，以保持两个气水分离器的气体压力是相等的。换热器1006一端通过循环泵连通电解槽，换热器另一端连通所述氢分离器和氧分离器的底部连通管路；冷却介质经换热器入口和循环泵M流入所述电解槽，再经氢分离器和氧分离器底部的连通管路返回至换热器出口端，实现电解槽的循环换热。

作为一种可实施方式，第一液位检测器和第二液位检测器均采用差压变送器，气动薄膜调节阀组采用两个不同流通量的气动薄膜调节阀并联构成。

第一液位检测器L1安装于氢分离器1002上；第二液位检测器L2安装于氧分离器1003上；气动薄膜调节阀(小阀)LV1和气动薄膜调节阀(大阀)LV2并联安装在氢气洗涤器1004出口管道上；气动薄膜调节阀(小阀)LV1和气动薄膜调节阀(大阀)LV2上分别设有阀门定位器LY1。

第一液位检测器L1实时检测氢分离器液位，并将检测的液位信号转换为4～20mA标准电信号传送给可编程控制器PLC；第二液位检测器L2实时检测氧分离器液位，并将检测的液位信号转换为4～20mA标准电信号传送给可编程控制器；可编程控制器接收变送器传送的实时液位信号，对数据进行分析处理，然后发出指令电信号给阀门定位器；阀门定位器将此电信号转换为气动信号，调节气动薄膜调节阀开度大小，控制制氢设备分离器液位平衡。

水电解制氢设备在开机初始或小负荷下运行时，控制器控制气动薄膜调节阀(大阀)关闭，通过气动薄膜调节阀(小阀)有效调节控制氢/氧分离器液位平衡；水电解制氢设备在较大负荷或超负荷下运行时，控制气动薄膜调节阀(小阀)关闭，通过气动薄膜调节阀(大阀)有效调节控制氢/氧分离器液位平衡；以及将气动薄膜调节阀(小阀)和气动薄膜调节阀(大阀)都打开，通过并联的整个气动薄膜调节阀组有效调节控制氢/氧分离器液位平衡。满足水电解制氢设备在宽负荷功率波动范围下稳定运行的同时，都能够全程有效的通过气动薄膜调节阀组调节控制好氢/氧分离器液位平衡。

作为一种可实施方式，本发明还提供一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制方法，包括以下步骤：

液位检测，分别检测获取水电解制氢设备中氢分离器和氧分离器的液位信息；具体包括：

利用第一液位检测器检测氢分离器液位，并将检测的液位信号转换为电信号传送给可编程控制器，获得氢分离器的液位信息；

利用第二液位检测器检测氧分离器液位，并将检测的液位信号转换为电信号传送给可编程控制器，获得氧分离器的液位信息。

液位信息分析处理，对获取的氢分离器和氧分离器的液位信息进行比较分析，并依据氢分离器和氧分离器的液位信息比较分析结果，执行相应指令操作；具体包括：

利用可编程控制器分析比较获取的氢分离器和氧分离器的液位信息；

若氢分离器的液位液位值大于氧分离器液位值，可编程控制器发出减小的执行指令，减小氢气分离器侧气动薄膜调节阀门组中气动薄膜调节阀的开度，直至将氢分离器和氧分离器液位差稳定在设定的阈值范围±5mm内波动；保证水电解制氢设备在10％～120％宽负荷功率波动范围下稳定运行的同时，实现全程有效调节制氢设备的氢/氧分离器液位平衡。

若氢分离器的液位液位值小于氧分离器液位值，可编程控制器发出增大的执行指令，增大氢气分离器侧气动薄膜调节阀门组中气动薄膜调节阀的开度，直至将氢分离器和氧分离器液位差稳定在设定的阈值范围±5mm内波动；保证水电解制氢设备在10％～120％宽负荷功率波动范围下稳定运行的同时，实现全程有效调节制氢设备的氢/氧分离器液位平衡。

本申请的一种用于水电解制氢设备的液位平衡控制方法与平衡控制系统取得的有益效果对应，此处不再重复论述。