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中型PEM制氫系統(tǒng)BOP設(shè)計、優(yōu)化、仿真

 更新時間:2024-06-14    點擊量:1350

在堿性電解中,如下圖1所示,兩個電極浸泡在電解液中,電解液通常是KOH或NaOH溶液。通過這種方式,實現(xiàn)了堿性環(huán)境,其中水的電阻率將降低,使過程更容易。施加的直流電壓必須大于水分解所需的電壓,從而產(chǎn)生法拉第電流。電極之間由隔膜隔開,隔膜可將氣體隔開,同時可滲透水和氫氧根離子。

中型PEM制氫系統(tǒng)BOP設(shè)計、優(yōu)化、仿真

圖1:堿性電解水原理圖


另,在PEM電解中(下圖2),兩個電極與電解質(zhì)接觸,電解質(zhì)是一種固體聚合物(SPE),通常是Nafion,現(xiàn)狀也有各種增強型。電極通常由陰極鉑和陽極銥制成。

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圖2:PEM電解水原理圖


備注說明:

Anode:(在電解池中)陽極;(在原電池中)負極。

Cathode:(在電解池中,發(fā)生還原反應(yīng)的電極)陰極;(在原電池中,發(fā)生還原反應(yīng)的電極)正極。

與傳統(tǒng)堿性相比,PEM電解槽的電流密度可以達到2A/cm2以上,PEM可以保證較低的氣體交叉滲透,這也使得PEM電解槽在較低的負載范圍(0-10%)下工作,而且設(shè)計緊湊。另PEM可以獲得足夠高的操作壓力(30-40 bar)以便后面直接來填充氫氣罐。但是,PEM容易由外來的離子而引起中毒,因此必須予以重視。另水很容易被其中的雜質(zhì)污染,也很容易被系統(tǒng)中的金屬部件(如水管甚至電解槽部件本身)產(chǎn)生的腐蝕所污染。

這種中毒會導(dǎo)致電池陰極過電壓升高和運行性能下降,此外還會影響膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。因此,要使 PEM 電解技術(shù)成為一種有競爭力的制氫方式選擇,對 BOP 進行詳盡的設(shè)計和控制(包括水管理、電導(dǎo)率和純度)非常重要。

1、PEM電解系統(tǒng)的BOP
本文提供了在安全和性能規(guī)范范圍內(nèi) BOP 的解決方案。對于制氫技術(shù)而言,對BOP 的子系統(tǒng)中的設(shè)備進行研究非常重要,這是實現(xiàn)可靠設(shè)計和最佳生產(chǎn)的關(guān)鍵。如前所述,在 PEM 技術(shù)中,確保安全制氫條件下的特定水條件非常重要,以保證電解槽的正常運行。因此,這里提出了一種特殊的水處理和控制系統(tǒng),如下圖 3 所示。該系統(tǒng)首先從蒸餾(純)水箱中取水,蒸餾水箱的電導(dǎo)率低,便于確保延長電解槽的使用壽命。
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圖3:PEM電解槽的BOP:水子系統(tǒng)


水被引入系統(tǒng)后,會使用注入泵確保系統(tǒng)有足夠的輸入流量。在通過注入泵后,水還要經(jīng)過兩相過濾系統(tǒng),以獲得較低的電導(dǎo)率。否則,PEM 堆可能會受到嚴重損害。在第一階段,獲得 II 類電導(dǎo)率(ASTM 實驗室試劑水標準 (ASTM D1193-91),<1 μS/cm),在第二階段,電導(dǎo)率水平達到 I 類電導(dǎo)率(<0.056 μS/cm)。

在經(jīng)過過濾階段之后,水被引入一個具有雙重功能的水箱:

1)作為緩沖器,目的是調(diào)節(jié)回路內(nèi)的水流量;
2)作為水箱,收集 PEM 電解槽產(chǎn)生的氫氣在不同干燥階段過程產(chǎn)生的水。

水從水位控制箱繼續(xù)流向水控制和再循環(huán)階段。再循環(huán)泵用于調(diào)節(jié)水位控制箱之后的水流,而傳感器模塊則用于控制器在將水注入 PEM電解槽之前獲得所有關(guān)鍵水參數(shù)的信息,如溫度、壓力、流量、電導(dǎo)率和純度。如果水的電導(dǎo)率不在允許的范圍內(nèi),建議使用再循環(huán)管路來校正水的電導(dǎo)率。

除水路子系統(tǒng)外,氫氣子系統(tǒng)也必須經(jīng)過全面設(shè)計,以確保安全參數(shù)以及正確的干燥,從而消除可能含有的濕氣,并將其送回水位箱。

氫氣子系統(tǒng)(下圖 4)由 PEM 電解槽和高壓分離器組成。分離器利用以濕氣形式存在的水的壓力差來干燥氫氣(必要條件是必須使被干燥物料表面所產(chǎn)生的水汽壓強大于干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓。)。一旦高壓分離器達到較高的濕度梯度,就會允許濕氫流(臟氫)進入低壓分離器。在這里,可排入大氣中的氫氣被釋放出來(也可以考慮再次回收純化),而水則被送入液位水箱(水路子系統(tǒng),上圖 3)。相比之下,來自高壓分離器的干氫氣(清潔氫氣)則繼續(xù)進入干燥器階段。在這里,建議采用變壓吸附或變溫吸附干燥階段(PSA或TSA),在三個干燥循環(huán)中儲存和排出水分。釋放出的水按照之前描述的相同流程被送入低壓分離器。干燥階段結(jié)束后,產(chǎn)生的氫將儲存在儲氫罐等儲氫介質(zhì)中。在整個氫氣生產(chǎn)過程和階段中,都有一個傳感器模塊,用于控制氫氣在不同生產(chǎn)和干燥階段的壓力和溫度參數(shù),然后再進行最終儲存。

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圖4:PEM電解堆的裝置平衡(BOP):氫氣子系統(tǒng)。


2、控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計

PEM 電解槽的控制系統(tǒng)應(yīng)能夠掌握 BOP 兩個主要部分(水管理子系統(tǒng)和制氫子系統(tǒng))的信息并采取相應(yīng)行動。此外,控制邏輯必須包括運行狀態(tài)順序、冷卻階段、氮氣惰化(吹掃)階段、電源控制以及對電解槽運行期間產(chǎn)生的警告和警報的管理。

2.1、水管理系統(tǒng)

對于水管理子系統(tǒng),如下圖5所示,控制邏輯包括三個主要部分:水位控制塊、電導(dǎo)率控制塊和物理變量測控塊。然后,對于第一個控制塊,啟動激活水位箱中的液位傳感器,當(dāng)系統(tǒng)需要更多的水時,水位槽中的水位傳感器會啟動注水泵。當(dāng)液位足夠高時,泵停止工作。如果水位降低過多,達到低水位,PEM 電解槽就會停止工作。
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圖5:PEM堆疊控制流程圖;水管理子系統(tǒng)控制圖。


關(guān)于電導(dǎo)率控制塊,水的電導(dǎo)率是通過作用于一個電動閥使再循環(huán)管路工作來調(diào)節(jié)的。

這樣,當(dāng)電導(dǎo)率較低時,就可以直接向電解槽供水,而無需對水進行更多的凈化處理。如果電導(dǎo)率處于中等水平(I 型 < 電導(dǎo)率 < II 型),則在生產(chǎn)前,循環(huán)回路將打開,將水循環(huán)回凈化過濾器。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)這種情況,則會發(fā)出警告。最后,如果電導(dǎo)率上升到 II 型以上,電解槽將一直處于停止狀態(tài),并觸發(fā)警報。

對溫度、壓力和水流量等物理參數(shù)進行監(jiān)控,以確保系統(tǒng)性能符合其運行規(guī)范、使用壽命和安全條件,否則系統(tǒng)停止運行。

2.2、制氫分系統(tǒng)

對于氫氣子系統(tǒng)的控制,如下圖6所示,需要同時檢測高壓分離器(HPS)和低壓分離器(LPS)中的水位。

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圖6:PEM堆疊控制流程圖;氫控制圖。


當(dāng)檢測到HPS(高壓分離器)中水位達到中位時,閥門將打開,使積聚的水流向LPS(低壓分離器)。當(dāng)這種情況發(fā)生時,水位下降,閥門再次關(guān)閉。如果檢測到水位過高,電解槽會停止運行。LPS中的液位控制以類似的方式工作,當(dāng)LPS中集聚了足夠的水時,只要關(guān)閉從HPS流向LPS的閥門,就可以讓水流向水位箱。在電解過程中,避免水管和氫氣管直接接觸至關(guān)重要。如果 LPS 中的水位較低,閥門就會關(guān)閉,因為沒有足夠的水進行輸送。

在HPS 和 LPS 后,PSA 階段的干燥器在生產(chǎn)過程中遵循三階段循環(huán)流程。這主要是通過電閥的開啟和關(guān)閉來實現(xiàn)的,電閥的開啟和關(guān)閉可使氫氣流向最終儲存器、水的積聚以及通過 LPS 對積聚的水進行吹掃。在所有過程中,溫度和壓力都受到控制,如果超出既定范圍,系統(tǒng)將停止運行。

3、控制邏輯和仿真結(jié)果

在本節(jié)中,將介紹按照所開發(fā)的控制邏輯建立的順序正確運行系統(tǒng)的結(jié)果。用于實現(xiàn)控制邏輯的軟硬件工具基于 Siemens® SIMATIC STEP 7 Basic V15 平臺,除了用于模擬的 PLCSIM 和 WinCC RT 外,還有用于建模的 TIA Portal 工具。

然后,通過主屏幕(PEM電解槽管理監(jiān)控器)將電解涉及的所有過程可視化,如下圖7a所示。該監(jiān)視器顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài),允許啟動,停止或暫停生產(chǎn)以及啟動氮氣注入過程。此外,該監(jiān)視器還顯示水和氫子系統(tǒng)的運行狀況,并允許冷卻子系統(tǒng)運行和報警管理。

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圖7a:屏幕1:PEM電解槽管理監(jiān)視器。


控制系統(tǒng)還有一個電解槽參數(shù)界面(下圖 7b),通過該界面可以實時監(jiān)控電流和電壓的模擬值以及功率圖。


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圖7b:堆疊接口


氫氣干燥過程仿真如下圖7c所示,實時顯示了各烘干機的狀態(tài)、過程工藝狀態(tài)和剩余時間。


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圖7c:烘干機階段界面


3.1、水子系統(tǒng)控制仿真試驗

在這種情況下,對于上圖3所示的BOP方案和上圖5所示的控制圖,將使用該試驗來檢查水管理子系統(tǒng)是否正常運行。然后,系統(tǒng)從低水位開始,如下圖8a所示。這就需要啟動注水泵,直到水位上升到允許的較高水位,圖8b -圖8c。之后,水泵將斷開,水位下降;當(dāng)電解槽消耗水用于制氫時,不會向管路注入水,如圖8d


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圖8:水子系統(tǒng).液位(a~d)


當(dāng)注入泵停止工作時,水位開始下降,直到恢復(fù)到低水位時才會重新啟動。紅色指示燈顯示水位已下降,如圖8e所示。此外,如果由于傳感器故障而導(dǎo)致測量誤差,則會出現(xiàn)黃色警告燈,如圖8f所示。


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8水系統(tǒng)控制圖.液位(e~f),看指示燈


另一方面,從主監(jiān)控界面可以顯示水流是否滿足水的電導(dǎo)率和溫度要求,如圖9a然后,在類型I <電導(dǎo)率<類型II的情況下,暖燈將被激活,(圖9b),當(dāng)水的電導(dǎo)率上升類型II,圖9c時,暖燈將變成警報器,系統(tǒng)將停止運行(惰化階段)


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圖9:水子系統(tǒng).電導(dǎo)率(a~c)


同樣,控制邏輯負責(zé)控制水溫,如圖10a所示。然后,當(dāng)水溫升高到較高允許值(68℃)以上時,報警指示燈被激活,冷卻器開始工作,如圖10b所示。


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圖10:水子系統(tǒng).溫度(a~b)


3.2、氫氣分系統(tǒng)控制仿真試驗
第二次測試將根據(jù)上圖4所示的BOP和上圖6所設(shè)計的邏輯控制表明制氫子系統(tǒng)的行為。然后,試驗開始考慮HPS高壓分離器冷凝物水平較低,如圖11a,隨后它會上升。當(dāng)達到介質(zhì)液位時,開啟閥門,如圖11b所示。
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圖11:氫氣子系統(tǒng).高壓分離器HPS(a~b)


然后,冷凝水開始向LPS低壓分離器(圖11c),直到到達LPS的高水位(圖11d)。


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圖11氫氣子系統(tǒng).低壓分離器LPS(c~d


此時,需要等待HPS的水位下降,并隨之關(guān)閉流向LPS的閥門,一并打開LPS的閥門,如圖11e所示。如果HPS達到高水平,則會觸發(fā)警報并停止生產(chǎn),如圖11f所示。


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圖11氫氣子系統(tǒng)(e~f


類似于水管理測試,可以檢查氫氣流的溫度。如果氫氣溫度高于最高允許值(72oC),則會發(fā)出警告,如圖12a所示,如果繼續(xù)增加(~75oC),則會發(fā)出警報并停止運行;從生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到惰化狀態(tài),如圖12b所示。


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圖12:氫子系統(tǒng).溫度(a~b)


4、結(jié)論

本文設(shè)計了中型 PEM 電解槽的BOP,并在考慮運行變量、自動化參數(shù)以及能源和電力效率的情況下,始終在安全條件下實施了控制系統(tǒng)。

PEM 電解槽需要兩個主要部分,即水管理子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)。在第一部分中,控制系統(tǒng)負責(zé)確保水位在允許范圍內(nèi)、水管中的水流量、生產(chǎn)過程中的水溫和水壓以及水的導(dǎo)電率,以保證生產(chǎn)過程的效率和電解槽的使用壽命。氫氣子系統(tǒng)比控制器更需要跟蹤壓力分離器(HPS 和 LPS)中的液位,并通過閥門與兩個分離器進行通信。此外,控制系統(tǒng)還包括氫氣流的熱管理、氫氣流管線的壓力控制以及最后干燥階段的 PSA 順序控制。

為了驗證所開發(fā)的控制邏輯,對水和氫兩個子系統(tǒng)進行了仿真。結(jié)果表明,水和氫氣子系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)倪\行條件下工作,如果出現(xiàn)警告或傳感器故障,電解槽會通過惰化階段停止工作。



來源:氫眼所見

注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)





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