CN115011999B - 一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，包括以下步骤：获取波动工况下电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；确定外部输入功率所在的功率范围，根据其所在的功率范围确定压力设定值，将电解槽内部的压力稳定至压力设定值；若外部输入功率增大或减小，则根据功率变化值确定压力调节阀需要改变的开度，逐步增大或减小压力调节阀的开度。与现有技术相比，本发明通过实时获取外部输入功率来确定压力设定值对压力调节阀的开度进行粗调，再根据外部输入功率的增减对压力调节阀的开度进行细调，采用高精度大流量和低精度小流量的两种不同的压力调节阀，从而可以适应不同波动工况下的压力变化，满足压力稳定的需求。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是涉及一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法。
背景技术
利用可再生能源制氢，如利用风能、太阳能等可再生能源产生的电力进行电解水制氢，能够节约电力资源，优化传统电解水制氢的能源利用结构，实现规模化制氢。碱性水电解槽是工业水电解中应用最成熟的电解槽，是可再生能源电解水制氢技术的关键装备。但是，风、光等新能源产生的电力作为电解水制氢设备的输入进行电解水制氢时，输入电流具有波动性和间歇性的特点，即会出现波动工况，而传统电解水制氢设备在波动工况下的响应力不足，现有电解槽的设计仍缺乏对波动工况的考虑。
一般而言，现有碱性电解槽的压力由氢气侧的单个气体压力调节阀和氧气侧的单个气体压力调节阀进行控制，通过压力传感器监测电解槽内的压力。但在波动工况下，氢气的生产速率随输入功率而波动，氢气侧和氧气侧的产气量不同，在波动工况下会导致氢氧两侧的压力产生波动，由于单个气体调节阀的精度有限，无法满足各类波动工况下的压力稳定，制氢的效率、氢气的质量及制氢装置的安全性均会受到影响，增加了电解槽的运行成本，缩短了设备的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，通过实时获取外部输入功率来确定压力设定值对压力调节阀的开度进行粗调，再根据外部输入功率的增减对压力调节阀的开度进行细调，采用高精度大流量和低精度小流量的两种不同的压力调节阀，从而可以适应不同波动工况下的压力变化，满足压力稳定的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，基于高精度压力控制系统实现，所述高精度压力控制系统包括控制单元、压力传感器和压力调节阀，所述控制单元与压力传感器和压力调节阀相连接，所述压力传感器设有两组，分别连接电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于测量电解槽内部的压力数据；所述压力调节阀设有两组，分别设置在电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于调节电解槽内部的压力，每组压力调节阀包括一个大流量调节阀和一个小流量调节阀，且大流量调节阀与小流量调节阀并联；
具体的，高精度主动压力控制方法包括以下步骤：
S1、获取波动工况下电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；
S2、确定外部输入功率所在的功率范围，根据其所在的功率范围确定压力设定值，将电解槽内部的压力稳定至压力设定值；
S3、若外部输入功率增大，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步增大压力调节阀的开度，若外部输入功率减小，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步减小压力调节阀的开度。
优选的，步骤S2中，预设置多个功率范围，为每个功率范围预设置一个对应的压力设定值。
优选的，电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，电解槽在额定功率X0下的额定工作压力为P0，获取外部输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.5X0，则压力设定值P1＝0.5P0，若0.5X0<X1≤0.8X0，则压力设定值P1＝0.75P0，若0.8X0<X1≤1.2X0，则压力设定值P1＝P0。
优选的，获取外部输入功率X1，当0.3X0≤X1≤0.5X0时，使用小流量调节阀进行压力的调节；当0.5X0<X1≤0.8X0，使用大流量调节阀进行压力的调节；当0.8X0<X1≤1.2X0时，大流量调节阀和小流量调节阀同时工作进行压力的调节。
优选的，步骤S3中，所述气体变化量包括氢气变化量和氧气变化量，氢气变化量ΔH2和氧气变化量ΔO2与电流变化量ΔI满足以下关系：
ΔO2＝ΔI/(4F)
其中，ΔH2和ΔO2的单位为mol/s，F为法拉第系数，值为96500C/mol。
优选的，所述高精度压力控制系统还包括保压阀，所述保压阀设有两组，分别设置在电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于保持电解槽内部的压力。
优选的，所述大流量调节阀和小流量调节阀为电磁调节阀。
优选的，所述控制单元通过信号数据线与压力传感器和压力调节阀相连接。
优选的，所述控制单元包括数据采集模块、运算模块和执行模块；所述数据采集模块连接电解槽的外部输入电源和压力传感器，用于获取电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；所述运算模块连接数据采集模块和执行模块，用于根据外部输入功率和实时压力计算压力调节阀的开度；所述执行模块连接压力调节阀，用于根据运算模块的输出控制压力调节阀的开度。
优选的，所述高精度压力控制系统还包括报警器，所述报警器与控制单元相连接，用于发出报警信号。
优选的，所述报警器包括蜂鸣器和LED灯。
优选的，所述高精度压力控制系统还包括显示屏，所述显示屏与控制单元相连接。
优选的，所述显示屏为触摸显示屏。
优选的，所述显示屏通过信号数据线与控制单元相连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)波动工况下外部输入功率会发生变化导致压力波动，因此先根据外部输入功率所在功率区间确定压力设定值，初步稳定电解槽内部压力，再根据外部输入功率的增大或减小实时调节电解槽压力，可以维持电解槽在最优压力区间工作，适应了动态的工况，提高电解槽效率，避免了电解槽内的压力不平衡引发的氢气氧气掺混，提升了电解槽的稳定性和安全性。
(2)一组压力调节阀包括大流量调节阀和小流量调节阀，采用高精度大流量和低精度小流量的两种不同的压力调节阀，大流量调节阀用于稳定压力，小流量调节阀用于精确控制压力范围，能够提供多种压力调节策略，从而可以适应不同波动工况下的压力变化，满足压力稳定的需求。
附图说明
图1为用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法的流程图；
图2为高精度压力控制系统的结构示意图；
附图标记：1、控制单元，2、压力传感器，3、大流量调节阀，4、小流量调节阀，5、保压阀，6、电解槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，基于高精度压力控制系统实现，如图2所示，高精度压力控制系统包括控制单元1、压力传感器2、保压阀5和压力调节阀，控制单元1与压力传感器2和压力调节阀相连接，控制单元1还连接外部电源，从而获取外部输入功率；
其中，压力传感器2设有两组，分别连接电解槽6的氢气侧出口和氧气侧出口，用于测量电解槽6内部的压力数据；保压阀5设有两组，分别设置在电解槽6的氢气侧出口和氧气侧出口，用于保持电解槽6内部的压力；压力调节阀设有两组，分别设置在电解槽6的氢气侧出口和氧气侧出口，用于调节电解槽6内部的压力，每组压力调节阀包括一个大流量调节阀3和一个小流量调节阀4，且大流量调节阀3与小流量调节阀4并联。
在电解槽6的工作过程中，外部输入功率决定了电解槽6内电流的大小，电流又确定了产气量的大小。引用新能源作为外部输入电源后带来了复杂的波动工况，高功率区间下产气量较大，低功率区间下产气量较小，为了配合外部输入功率波动带来的压力波动，满足压力稳定的要求，本申请设计了高精度压力控制系统，一组压力调节阀包括大流量调节阀3和小流量调节阀4，采用高精度大流量和低精度小流量的两种不同的压力调节阀，大流量调节阀3用于稳定压力，小流量调节阀4用于精确控制压力范围，二者可以单独使用，也可以配合使用，从而可以适应不同波动工况下的压力变化，满足压力稳定的需求。
本实施例中，控制单元1通过信号数据线与压力传感器2和压力调节阀相连接。大流量调节阀3和小流量调节阀4为电磁调节阀，易于控制。
具体的，控制单元1包括数据采集模块、运算模块和执行模块；数据采集模块连接电解槽6的外部输入电源和压力传感器2，用于获取电解槽6的外部输入功率和电解槽6内部的实时压力；运算模块连接数据采集模块和执行模块，用于根据外部输入功率和实时压力计算压力调节阀的开度；执行模块连接压力调节阀，用于根据运算模块的输出控制压力调节阀的开度。控制单元1可以确定一个合适的压力值，利用PID控制逻辑控制压力调节阀的开度，低精度的大流量调节阀3主要用于稳定水电解槽的压力，高精度的小流量调节阀4用于精确控制压力范围。
此外，为了进一步优化电解槽6压力控制系统，本实施例中，压力控制系统还包括报警器，报警器与控制单元1相连接，用于发出报警信号，能够在压力过高、压力过低、外部输入功率过高、外部输入功率过低等异常情况下报警，提示工作人员进行处理。报警器包括蜂鸣器和LED灯，能够发出声光报警信号。压力控制系统还还包括显示屏，显示屏与控制单元1相连接，显示屏为触摸显示屏，通过信号数据线与控制单元1相连接。通过显示屏，可以可视化外部输入功率、电解槽6内压力、压力调节阀的阀门开度以及氢气和氧气产气量等参数，便于工作人员监测电解槽6的运行状况。
为了使电解槽在不同工况下的气压保持稳定，在电解槽气体压力稳定的同时提高气体压力的控制精度，进而提升制氢的安全性和效率，基于上文描述的高精度压力控制系统，本申请给出了高精度主动压力控制方法，具体的，如图1所示，高精度主动压力控制方法包括以下步骤：
S1、获取波动工况下电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；
S2、确定外部输入功率所在的功率范围，根据其所在的功率范围确定压力设定值，将电解槽内部的压力稳定至压力设定值；
S3、若外部输入功率增大，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步增大压力调节阀的开度，若外部输入功率减小，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步减小压力调节阀的开度。
由于波动工况下外部输入功率随时可能发生变化，因此在上述方法的执行过程中，实时监测外部输入功率和电解槽的实时压力，一旦外部输入功率发生变化，不在原先确定的功率范围内，则立刻重新执行步骤S2，以实现实时压力控制。
其中，步骤S2中，预设置多个功率范围，为每个功率范围预设置一个对应的压力设定值。当电解槽在高功率区间工作时，设定较大的电解槽内压力，此时气体流量较大，启用流量范围大的大流量调节阀，先增加电解槽压力至设定值，并通过控制单元将电解槽内的压力稳定在设定值附近；当电解槽在低功率区间工作时，设定较小的电解槽内压力，此时气体流量较小，启用流量范围小的小流量调节阀，先降低电解槽的压力至设定值，并通过控制单元将电解槽内的压力稳定在设定值附近。
作为一种优选的实施方式，本实施例中设置了3个功率范围，并分别确定了各个功率范围对应的压力设定值，如下：
电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，电解槽在额定功率X0下的额定工作压力为P0，获取外部输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.5X0，则压力设定值P1＝0.5P0，若0.5X0<X1≤0.8X0，则压力设定值P1＝0.75P0，若0.8X0<X1≤1.2X0，则压力设定值P1＝P0。
进一步地，通过压力调节阀将电解槽内部的压力稳定在压力设定值左右，具体的，一组压力调节阀大流量调节阀和小流量调节阀，当0.3X0≤X1≤0.5X0时，即电解槽工作在低功率区间，电流较小，产生的气体变化也较小，使用小流量调节阀进行压力的调节，低精度的小流量调节阀在低功率工况下工作时可以更好的控制压力范围，提高了压力控制精度，提升了低输入功率工况下的电解槽稳定性；当0.5X0<X1≤0.8X0，使用大流量调节阀进行压力的调节；当0.8X0<X1≤1.2X0时，大流量调节阀和小流量调节阀同时工作进行压力的调节。此外，在电解槽处于稳定工况时，外部输入功率不会突变，可以使大流量调节阀和小流量调节阀同时工作，低精度大流量调节阀用于稳定压力，高精度小流量调节阀用于精确控制压力范围。
步骤S3中，若输入功率突然增加，控制单元根据功率变化计算大致需要改变的阀门开度，较为提前并逐步增加阀门开度，维持电解槽压力的稳定；若输入功率突然降低，控制单元根据功率变化计算大致需要改变的阀门开度，较为提前并逐步减小阀门开度，维持电解槽压力的稳定，此步骤中，外部输入功率仍处在步骤S2中确定的功率范围内，变化量较小，可以依靠小流量调节阀进行精确的压力控制，若外部输入功率突变不在步骤S2中确定的功率范围内，则需要重新执行步骤S2。气体变化量包括氢气变化量和氧气变化量，氢气变化量ΔH2和氧气变化量ΔO2与电流变化量ΔI满足以下关系：
ΔO2＝ΔI/(4F)
其中，ΔH2和ΔO2的单位为mol/s，F为法拉第系数，值为96500C/mol。
确定氢气和氧气的变化量之后，结合当前压力以及压力调节阀的工作参数，即可确定压力调节阀的开度。
可以理解的是，电解制氢不是瞬时发生的，从外部输入功率变化到气体产量变化中间存在时间差，本申请的步骤S3中，在外部输入功率增大或减小后，即开始调节压力调节阀，事实上是在气体量达到变化量之前提前进行阀门的控制。在外部输入功率增大后，根据计算生成的氢气和氧气变化量，计算稳定当前电解槽内部压力所需的阀门开度，较为提前并逐步增加压力调节阀的阀门开度，维持电解槽压力的稳定；在外部输入功率减小后，根据计算生成的氢气和氧气变化量，计算稳定当前电解槽内部压力所需的阀门开度，较为提前并逐步减小压力调节阀的阀门开度，维持电解槽压力的稳定。
波动工况下外部输入功率会发生变化导致压力波动，因此先根据外部输入功率所在功率区间确定压力设定值，初步稳定电解槽内部压力，再根据外部输入功率的增大或减小实时调节电解槽压力，可以维持电解槽在最优压力区间工作，适应了动态的工况，提高电解槽效率，避免了电解槽内的压力不平衡引发的氢气氧气掺混，提升了电解槽的稳定性和安全性。
本申请在压力控制上采用实时反馈控制，实时监测外部输入功率和电解槽内部压力，根据外部输入功率设定碱水电解槽最合适的工作压力，根据设定的碱水电解槽压力启用压力调节阀，先将碱水电解槽的压力稳定在理想工况的范围内，再调节高精度的小流量调节阀，使碱水电解槽的压力得到高精度的控制。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，基于高精度压力控制系统实现，所述高精度压力控制系统包括控制单元、压力传感器和压力调节阀，所述控制单元与压力传感器和压力调节阀相连接，所述压力传感器设有两组，分别连接电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于测量电解槽内部的压力数据；所述压力调节阀设有两组，分别设置在电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于调节电解槽内部的压力，每组压力调节阀包括一个大流量调节阀和一个小流量调节阀，且大流量调节阀与小流量调节阀并联；
具体的，高精度主动压力控制方法包括以下步骤：
S1、获取波动工况下电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；
S2、确定外部输入功率所在的功率范围，根据其所在的功率范围确定压力设定值，将电解槽内部的压力稳定至压力设定值；具体的，预设置多个功率范围，为每个功率范围预设置一个对应的压力设定值；
S3、若外部输入功率增大，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步增大压力调节阀的开度，若外部输入功率减小，则根据功率变化值确定电流变化量，基于电流变化量确定气体变化量，基于气体变化量确定压力调节阀需要改变的开度，逐步减小压力调节阀的开度；
其中，电解槽的额定输入功率为X0，工作范围为0.3X0～1.2X0，电解槽在额定功率X0下的额定工作压力为P0，获取外部输入功率X1，若0.3X0≤X1≤0.5X0，则压力设定值P1＝0.5P0，若0.5X0<X1≤0.8X0，则压力设定值P1＝0.75P0，若0.8X0<X1≤1.2X0，则压力设定值P1＝P0。
2.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，获取外部输入功率X1，当0.3X0≤X1≤0.5X0时，使用小流量调节阀进行压力的调节；当0.5X0<X1≤0.8X0，使用大流量调节阀进行压力的调节；当0.8X0<X1≤1.2X0时，大流量调节阀和小流量调节阀同时工作进行压力的调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述气体变化量包括氢气变化量和氧气变化量，氢气变化量ΔH2和氧气变化量ΔO2与电流变化量ΔI满足以下关系：
ΔO2＝ΔI/(4F)
其中，ΔH2和ΔO2的单位为mol/s，F为法拉第系数，值为96500C/mol。
4.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，所述高精度压力控制系统还包括保压阀，所述保压阀设有两组，分别设置在电解槽的氢气侧出口和氧气侧出口，用于保持电解槽内部的压力。
5.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，所述大流量调节阀和小流量调节阀为电磁调节阀。
6.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，所述控制单元通过信号数据线与压力传感器和压力调节阀相连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，所述高精度压力控制系统还包括报警器，所述报警器与控制单元相连接，用于发出报警信号。
8.根据权利要求1所述的一种用于碱水电解槽的高精度主动压力控制方法，其特征在于，所述控制单元包括数据采集模块、运算模块和执行模块；所述数据采集模块连接电解槽的外部输入电源和压力传感器，用于获取电解槽的外部输入功率和电解槽内部的实时压力；所述运算模块连接数据采集模块和执行模块，用于根据外部输入功率和实时压力计算压力调节阀的开度；所述执行模块连接压力调节阀，用于根据运算模块的输出控制压力调节阀的开度。
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