一种加氢控制装置

技术领域

本发明涉及化工领域，尤其是一种加氢控制装置。

背景技术

对于高压加氢装置，一般是针对背压较高的应用场景，在核电领域，氧腐蚀是影响核电厂安全运行和使用寿命的重要因素之一，需要在系统中注入氢气进行消氧，其系统压力一般可达16MPa，且所需加氢速率不能太快，否则无法充分消氧。但由于气体的可压缩性远大于液体的可压缩性，气体压力特别是高压气体压力、速率更是难以精确控制。传统流量控制是通过改变流量控制阀的阀内流道的最小截面积，从而改变流动阻力的办法来实现的。理论上改变节流通道的面积可线性调节流量。但流量不只和节流面积有关，实际上，节流面积的改变，也必然会使阀前后的压差发生变化。这就导致相对开度和相对流量之间的关系是不一定非线性的。导致在高压下气体流量不宜控制或者说高压下气体流量控制是难点。

电化学氢泵已广泛应用于氢气提纯与压缩，其氢气流量通过电流进行控制，氢气通过氢泵其压力可不断增加，直至达到使用压力，针对这种情况，构建了一种基于贵金属膜渗透的微量高压加氢装置及控制方案，并实现对压力和流量都实现自动化精确控制。

所以，本发明还提供了一种加氢控制装置，有助于解决现有技术中缺乏一种实现对压力和流量都实现自动化精确控制的技术问题。

发明内容

在一实施例中，本发明提供了一种加氢控制装置，通过压力检测机构不断精确提供加氢操作，有助于解决现有技术中缺乏一种实现对压力和流量都实现自动化精确控制的技术问题。

所述加氢控制装置包括电化学氢泵和气源，以及缓冲罐和压力检测机构、氢气回收罐、用氢设备；

所述气源能够提供额定压力和浓度的氢气，所述气源与所述电化学氢泵的阳极通过管路连通；

所述缓冲罐与所述电化学氢泵的阴极通过管路连通；

所述压力检测机构与所述缓冲罐连接，以检测所述缓冲罐中的氢气压力数据；

所述氢气回收罐与电化学氢泵的阳极连通，当所述压力检测机构检测出所述氢气压力数据大于预定阀值时，打开所述氢气回收罐与所述电化学氢泵之间的阀门以实现泄压及将多余的氢气存于所述氢气回收罐；

所述用氢设备与所述电化学氢泵的阴极连通，以实现根据所述氢气压力数据通过所述电化学氢泵对所述用氢设备供氢。

在一实施例中，所述气源至少一氦气瓶和复数个氢气瓶；

将复数个所述氢气瓶和所述氦气瓶分别通过各自的第一阀门组接入氢气输入气管。

在一实施例中，所述第一阀门组包括第一电磁阀、第一微调阀，以及第一止回阀；

所述第一止回阀与所述第一电磁阀，以及所述第一微调阀串联，并接入所述氢气输入气管。

在一实施例中，所述压力检测机构包括第一压力监控装置和第二压力监控装置、第三压力监控装置、第四压力监控装置、整流控制板；

所述第一压力监控装置与所述氢气瓶连接，以监测所述氢气瓶的压力值；

所述第二压力监控装置与所述缓冲罐连接，以监测所述缓冲罐的压力值；

所述第三压力监控装置与所述氢气回收罐连接，以监测所述氢气回收罐的压力值；

所述第四压力监控装置与所述氢气输入气管连接，以监测所述氢气输入气管的压力值；

所述整流控制板与所述第一压力监控装置、所述第二压力监控装置、所述第三压力监控装置、所述第四压力监控装置电连接；

所述氢气压力数据包括所述氢气瓶和所述缓冲罐，以及所述氢气回收罐和所述氢气输入气管的压力值。

在一实施例中，所述氦气瓶与所述氢气输入气管之间串接有第二电磁阀和第二微调阀，以及第二止回阀。

在一实施例中，所述氢气回收罐与所述氢气输入气管通过管路连接，并在所述氢气回收罐与所述氢气输入气管之间串联有第三止回阀和第三电磁阀，以及第三微调阀。

在一实施例中，所述氢气输入气管上串联有减压阀和第四电磁阀，以及第四微调阀。

在一实施例中，所述缓冲罐与所述用氢设备之间串联有气动薄膜调节阀和第五微调阀，以及质量流量控制器、第五止回阀。

在一实施例中，所述第五止回阀与所述用氢设备之间设置有放空管路，放空管路上设置有第五电磁阀，所述第五电磁阀与所述整流控制板电连接。

在一实施例中，所述加氢控制装置包括氢纯度分析仪；

氢纯度分析仪连接在所述第五微调阀与所述质量流量控制器之间，所述氢纯度分析仪的管路上串联有第二减压阀和第六微调阀。

附图说明

图1为本发明另一实施例中一种加氢控制装置的架构示意图。

附图标记：

电化学氢泵        1

气源              2

氦气瓶            21

氢气瓶            22

第一阀门组        23

第一电磁阀        231

第一微调阀        232

第一止回阀        233

氢气输入气管      24

第二电磁阀        241

第二微调阀        242

第二止回阀        243

减压阀            244

第四电磁阀        245

第四微调阀        246

缓冲罐            3

压力检测机构      4

第一压力监控装置  41

第二压力监控装置  42

第三压力监控装置  43

第四压力监控装置  44

整流控制板        45

氢气回收罐        5

第三止回阀        51

第三电磁阀        52

第三微调阀        53

用氢设备          6

气动薄膜调节阀    61

第五微调阀        62

质量流量控制器    63

第五止回阀        64

放空管路          7

第五电磁阀        71

氢纯度分析仪      8

第二减压阀        81

第六微调阀        82

具体实施方式

图1为本发明另一实施例中一种加氢控制装置的架构示意图。如图1所示，在一实施例中，本发明提供了一种加氢控制装置，所述加氢控制装置电化学氢泵1和气源2，以及缓冲罐3、压力检测机构4、氢气回收罐5、用氢设备6。

气源2能够提供额定压力和浓度的氢气，气源2与电化学氢泵1的阳极通过管路连通。

缓冲罐3与电化学氢泵1的阴极通过管路连通。

压力检测机构4与缓冲罐3连接，以检测缓冲罐3中的氢气压力数据；

氢气回收罐5与电化学氢泵1的阳极连通，当压力检测机构4检测出所述氢气压力数据大于预定阀值时，打开所述氢气回收罐5与电化学氢泵1之间的阀门以实现泄压及将多余的氢气存于氢气回收罐5；

用氢设备6与电化学氢泵1的阴极连通，以实现根据氢气压力数据通过电化学氢泵1对用氢设备6供氢。

在本实施例中提供了一种加氢控制装置的具体实施方式。电化学氢泵1是加氢反应的主要反应设备，气源2用于提供反应所需浓度的氢气，缓冲罐3用于承载电化学氢泵1反应后的气体，压力检测机构4用于加氢控制装置中内所有所需测量节点的压力检测，经过缓冲罐3提供加氢反应后的氢气至用氢设备6，通过压力检测机构4对装置中压力的监测，控制阀门，进而控制流入装置的氢气量，有助于解决现有技术中缺乏一种实现对压力和流量都实现自动化精确控制的技术问题。

在一实施例中，气源2包括至少一氦气瓶21和复数个氢气瓶22；

将复数个氢气瓶22和氦气瓶21分别通过各自的第一阀门组23接入氢气输入气管24。

在本实施例中由于气源2采用氢气瓶22和氮气瓶21，所以对于进入装置的氢气和氮气，采用组合阀门进行控制。

在一实施例中，第一阀门组23包括第一电磁阀231和第一微调(232，以及第一止回阀233；

第一止回阀233与第一电磁阀231，以及第一微调阀232串联，并接入氢气输入气管24。

在本实施例中提供了一种组合阀门的具体实施方式。第一止回阀233与第一电磁阀231，以及第一微调阀232三个阀组，分别用于止回、开关控制，流量控制。

在一实施例中，压力检测机构4包括第一压力监控装置41和第二压力监控装置42、第三压力监控装置43、第四压力监控装置44、整流控制板45。

第一压力监控装置41与氢气瓶22连接，以监测氢气瓶22的压力值；

第二压力监控装置42与缓冲罐3连接，以监测缓冲罐3的压力值；

第三压力监控装置43与氢气回收罐5连接，以监测氢气回收罐5的压力值；

第四压力监控装置44与氢气输入气管24连接，以监测氢气输入气管24的压力值；

整流控制板45与第一压力监控装置41、第二压力监控装置42、第三压力监控装置43、第四压力监控装置44电连接；

氢气压力数据包括所述氢气瓶22和缓冲罐3，以及氢气回收罐5和氢气输入气管24的压力值。

在本实施例中提供了一种压力监控装置中整流控制板45的具体连接关系，上述的压力监控装置44分布在不同位置，其目的在于，检测上述不同位置的气压，然后反馈的氢气压力数据综合通过整流控制板45计算控制加氢控制装置中阀门开关，调整整体的装置的氢量。

在一实施例中，氦气瓶21与氢气输入气管24之间串接有第二电磁阀241和第二微调阀242，以及第二止回阀243。

在本实施例中提供了一种氦气瓶21与氢气输入气管24之间的阀门组合。也是开关、流量，以及止回的控制。

在一实施例中，氢气回收罐5与氢气输入气管24通过管路连接，并在氢气回收罐5与氢气输入气管24之间串联有第三止回阀51和第三电磁阀52，以及第三微调阀53。

在本实施例中提供了一种回收罐5与氢气输入气管24之间的阀门组合。也是开关、流量，以及止回的控制。

在一实施例中，氢气输入气管24上串联有减压阀244和第四电磁阀245，以及第四微调阀246。减压阀244可以根据电化学氢泵1的耐压能力设置减压器开度。

经过减压后的氢气进入电化学氢泵1，氢气在氢泵的阳极侧的催化剂上进行分解为H+与电子，H+通过质子交换膜传递至阴极侧，H+与电子在质子交换膜的阴极侧的催化剂上发生还原反应生成氢气，在此化学过程中氢气在外电流的作用下，不断冲阳极侧传递至阴极侧，进入缓冲罐，压力不断再增加，当缓冲罐压力达到一定值时，开启薄膜调节阀、微调阀、流量计、止回阀进入用氢设备。

若在电化学氢泵1的进口处，氢气量输入量过大，此时氢气在阳极侧并不能完全反映，此时氢气可从阳极出口处排出，经过止回阀进入氢气回收罐，将未能完全反应的余氢收集起来，当氢气缓冲罐3的压力达到电化学氢泵的出口压力时，压力检测机构4将信号传送至整流控制柜45经过计算分析，进行控制电磁阀的启闭，氢气回收罐5中的氢气通过止回阀、电磁阀、针型阀进入电化学氢泵1的进口。

基于一种基于电化学方式高精度高压微量加氢控制装置与方法，实现了在较高背压下进行微量加氢的路径，并实现自动精确控制。避免了采用传统节流减压方式的弊端，克服了高压下仪表阀门无法进行精确控制的影响。

在本实施例中提供了一种氢气输入气管24上串联的阀组情况，由于其是对气路的控制，与之前稍微有所不同，用于减压、开关、流量控制。

在一实施例中，缓冲罐3与用氢设备6之间串联有气动薄膜调节阀61和第五微调阀62，以及质量流量控制器63、第五止回阀64。

在本实施例中提供了一种缓冲罐3与用氢设备6之间设置有几种阀门，可以更进一步细致的调节。

在一实施例中，第五止回阀64与用氢设备6之间设置有放空管路7，放空管路7上设置有第五电磁阀71，第五电磁阀71与整流控制板45电连接。

在本实施例中提供了一种放空管路7的设置实施方式。其目的在于，对用氢设备6未使用的尾气进行排放。

在一实施例中，所述加氢控制装置包括氢纯度分析仪8；

氢纯度分析仪8连接在第五微调阀62与质量流量控制器63之间，氢纯度分析仪8的管路上串联有第二减压阀81和第六微调阀82。

在本实施例中提供了一种所述加氢控制装置设置氢纯度分析仪8的具体实施方式，并提供了之间中阀门组。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供一种在高压状态下，一种基于电化学方式高精度高压微量加氢控制装置与方法，实现了在较高背压下进行微量加氢的路径，并实现加氢流量与加氢压力单独进行控制，根据电流进行流量精确控制。

(2)本发明所提供的一种基于电化学方式高精度高压微量加氢控制装置与方法，避免了采用传统节流减压方式的弊端，克服了高压下仪表阀门无法进行精确控制的影响。采用电化学方式高精度高压微量加氢克服了加氢气瓶储氢量减少压力降低后，无法继续利用的弊端。

基于上述装置，其原理在于:

储氢瓶可选择碳纤维缠绕气瓶，压力等级为35-70MPa。当压力较低时可以选择4130X钢的通用材质，缓冲罐与氢气回收罐属于压力容器，按压力容器进行设计。

氢气储存在储氢瓶中，储氢瓶中的氢气通过电磁阀、微调阀、止回阀，然后经过氢气经过管道过滤器，过滤其中可能存在的杂质，防止对后续装置造成影响。球阀的启闭控制整个系统的通断，开机时打开球阀，氢气进入后续系统。当自动控制时，球阀可选用气动或电动，实现自动切换。

氢气经过管道过滤器过滤后，经过球阀，进入一级减压系统，首先氢气通过减压阀，将压力减压至一定压力，然后进入电化学氢泵中，经过反应后再氢泵出口进入缓冲罐，缓冲罐随着压力的增加，当压力达到用户使用压力时，缓冲罐上的压力检测装置将信号传输至整流控制柜，整流控制柜经过分析计算，控制薄膜调节阀开启，氢气经由微调阀、质量流量控制器、止回阀进入用氢设备，其中薄膜调节阀可选择电动驱动或者气驱。

本装置实现加氢流量与加氢压力单独控制，互不干扰。

加氢流量控制

加氢流量的控制依据电化学氢泵所通过的电流所决定，根据电化学氢泵原理，质子交换膜上单位电流所通过的H+一定，根据公式可计算加氢速率。

公式为：

I＝nFdn/dt

加氢速率仅与电流关系，当有效电解面积固定时，控制电流即可控制加氢流量，因为电流的控制精度较高，因此根据控制电流的大小进行控制氢气的流量可以降低其他因素的影响，尤其当流量低至即可以实现微量加氢。加氢流量可实现每秒毫升级。

加氢压力控制

加氢压力的控制依据电化学氢泵原理其具备增压功能，当H+通过质子交换膜后在阴极与电子结合生成氢气，进入缓冲罐11中，氢气不断生成，其压力逐渐增加，此时根据用户用氢压力，通过控制薄膜阀的启闭达到控制缓冲罐压力，在此装置中增设缓冲罐，而不是直接采取背压阀，目的可以增加抵抗压力波动的能力，降低压力波动，便于控制。

当整个系统处于稳定状态时，缓冲罐的压力根据用户需求可达20MPa，此时控制电流的变化，电流较小时，电化学氢泵的氢气产生量也较小，范围可为≥0ml/s(STP),以此实现微量高压加氢。

整个加氢系统不受氢气瓶压力的影响，当氢气瓶中的氢气量逐渐减少，压力小于用氢压力时，由于电化学氢泵具有增压功能，因此可以将储氢瓶中的氢气使用完，减少氢气浪费。当储氢瓶中的氢气即将用完时，电磁阀2自动切换至另一个储氢瓶，保证装置的连续稳定运行。

若在电化学氢泵的进口处，氢气量输入量过大，此时氢气在阳极侧并不能完全反应，此时多余的氢气可从阳极出口处排出，经过止回阀进入氢气回收罐，能完全反应的余氢收集起来，当氢气缓冲罐的压力达到电化学氢泵的出口压力时，压力检测装置将信号传送至整流控制柜经过计算分析，进行控制电磁阀的启闭，氢气回收罐中的氢气通过止回阀、电磁阀、微调阀进入电化学氢泵的进口，再次进行利用。

氢气在通过质量流量控制器前管路上设置支路对加氢纯度进行监控，支路氢气经过减压阀、微调阀后进入氢分析仪，检测加氢纯度，当氢气纯度较低不满足使用要求时，则联锁停机，停止加氢。

在缓冲罐和氢气回收罐上设置放空阀，当压力超过限定值时进行放空，防止缓冲罐和氢气回收罐压力过高。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。