一种用于水电解制氢系统的补水装置及补水方法与流程

1.本发明涉及水电解制氢设备技术领域，尤其涉及一种用于水电解制氢系统的补水装置及补水方法。


背景技术：

2.氢能源以其燃烧无污染、发热量高等优点引起大家的关注。现有的电解水制备氢气技术比较成熟，且操作相对简单，是目前及以后制备氢气的重要手段。现有制氢设备的补水装置大多采用一对一(1台补水泵对应一套框架)的补水方式，只靠控制阀与水泵进行，对制氢系统(制氢设备)的氢、氧分离器补水易产生氢气和氧气混合现象，产生安全风险；且当多台套制氢设备运行时，多台套的补水装置同时运行补水，一方面增加了设备运行风险，另外也增加了设备的使用成本；怎样优化补水装置以及补水方式成为了当前水电解制氢系统重补水装置研究的重点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于水电解制氢系统的补水装置及补水方法，解决现有补水装置的单一补水泵及一对一单一补水的缺项，以及氢气、氧气混合的问题。
4.本发明提供了一种用于水电解制氢系统的补水装置，包括供水管路、出水管路和至少一件输水管路；出水管路包括相连地输入管路和输出管路；
5.供水管路与输入管路之间设有至少一件水箱，多件水箱并联设置于供水管路与输入管路之间；水箱的进水口连接供水管路，且进水口与供水管路间设有第一阀门；
6.水箱的出水口连接输入管路，且出水口与输入管路间设有第二阀门；输出管路设有至少一件供水接口，多件输水管路对应连接于输出管路的多件供水接口；多件输水管路的输出端分别连接多件水电解制氢系统，用以多件水电解制氢系统的补水；
7.输水管路包括并联设置的氢侧补水管路和氧侧补水管路，氢侧补水管路的补水出口设有第三阀门，第三阀门连接水电解制氢系统的氢分离器或氢洗涤器；氧侧补水管路的补水出口设有第四阀门，第四阀门连接水电解制氢系统的氧分离器或氧洗涤器。
8.进一步地，本技术的补水装置还包括泵送单元，泵送单元包括第一泵送回路，第一泵送回路设于输出管路上，且位于供水接口的前端；第一泵送回路包括依次设置的第一球阀、第一过滤器、第一补水泵、第一止回阀和第二球阀。
9.进一步地，泵送单元包括第二泵送回路；第二泵送回路与第一泵送回路并联设置，第二泵送回路包括依次设置的第三球阀、第二过滤器、第二补水泵、第二止回阀和第四球阀。
10.进一步地，本技术的补水装置还包括稳压回路，稳压回路包括稳压阀；稳压阀与泵送单元并联设置，用以第一泵送回路和/或第二泵送回路的稳压。
11.进一步地，泵送单元与供水接口之间的输出管路上设有压力监测单元和/或流量监测单元，压力监测单元用以监测输出管路的压力，流量监测单元用以检测输出管路的流
量。
12.进一步地，压力监测单元包括并联设置的压力变送器和压力表；流量监测单元包括流量计。
13.进一步地，每件水箱设有液位计，液位计用以监测水箱的液位；水箱的底部设有排污口。
14.进一步地，每件水箱还设有第五阀门，第五阀门与第一阀门并联设置，位于供水管路和输入管路之间。
15.本发明还提供一种用于水电解制氢系统的补水方法，包括上述的用于水电解制氢系统的补水装置，包括以下步骤：
16.设定制氢系统的补水液位阈值；获取各制氢系统的补水液位信息，且依据各制氢系统的补水液位信息控制执行相应地补水操作。
17.进一步地，所述设定制氢系统的补水液位阈值，获取各制氢系统的补水液位信息，且依据各制氢系统的补水液位信息控制执行相应地补水操作；具体包括：
18.多个制氢系统的当前补水液位信息均大于设定的补水液位阈值，表示多个制氢系统处于“满”状态，无需补水，此时各个输水管路的第三阀门和第四阀门均不会打开；
19.多个制氢系统中，有一个制氢系统的当前补水液位信息小于设定的补水液位阈值，则打开其输水管路的第三阀门或第四阀门，待制氢系统的氢侧和氧侧单独补水，制氢系统氢侧单独补水完成后再进行氧侧补水或制氢系统氧侧单独补水完成后再进行氢侧补水；补水完成的判定为补水液位信息升至设定的补水液位阈值；
20.多个制氢系统中，有多个制氢系统的当前补水液位信息没有达到设定的补水液位阈值，优先对补水液位信息最小的一侧进行补水，
21.补水液位信息最小的一侧为其中一制氢系统的氢侧，则多个需补水的制氢系统的氢侧同时进行补水，同时打开对应输水管路的第三阀门进行补水，补水液位信息升至设定的补水液位阈值关闭对应的第三阀门，直至所有需补水的制氢系统的氢侧补水液位信息均升至补水液位阈值，完成氢侧补水；
22.补水液位信息最小的一侧为其中一制氢系统的氧侧，则多个需补水的制氢系统的氧侧同时进行补水，同时打开对应输水管路的第四阀门进行补水，补水液位信息升至设定的补水液位阈值关闭对应的第四阀门，直至所有需补水的制氢系统的氧侧补水液位信息均升至补水液位阈值，完成氧侧补水。
23.本发明的上述技术方案具有如下优点：
24.本发明的用于水电解制氢系统的补水装置，通过一对多的设计理念可有效节省泵的使用数量，节约设备成本，同时一用一备的泵设计方案，有效避免单一泵出现问题致使整台补水装置无法使用的问题，且泵送回路中设有并联的稳压阀，当后级补水异常时，能够保证泵的正常使用。另外通过控制系统的逻辑控制来检测判断氢分离器、氧分离器的液位，以及补充原料水至洗涤器，各自的洗涤器再自动溢流至分离器，完成补水，保证制氢系统的安全稳定运行制氢；另通过控制系统的逻辑控制能够有效实现氢分离器、氧分离器的单独补水，避免氢氧混合的风险，提高补水装置以及制氢系统运行的安全性和稳定性。
25.本发明的补水方法实现了制氢系统的氢侧与氧侧单独补水，有效杜绝补水过程中氢侧与氧侧的氢气、氧气混合，同时满足多件制氢系统的氢侧与氧侧同时单独补水，满足
氢、氧分离保证安全性的同时，大大提升补水效率。
附图说明
26.图1为本发明的一种用于水电解制氢系统的补水装置的结构框图；
27.其中：1、第一阀门，2、液位计，3、水箱，4、排污阀门，5、稳压阀，6、压力变送器，7、压力表，8、流量计，9、第一过滤器，10、第一补水泵，11、第一止回阀，12、第三阀门，13、第四阀门，14、第五阀门，15、第二阀门，16、第一球阀，17、第二球阀。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.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。
31.参见图1，本发明的一种用于水电解制氢系统的补水装置，包括供水管路、出水管路和至少一件输水管路；出水管路包括相连地输入管路和输出管路；
32.供水管路与输入管路之间设有至少一件水箱，多件水箱并联设置于供水管路与输入管路之间；水箱3的进水口连接供水管路，且进水口与供水管路间设有第一阀门1；每件水箱还设有第五阀门14，第五阀门与第一阀门并联设置，第五阀门位于供水管路和输入管路之间；
33.水箱的出水口连接输入管路，且出水口与输入管路间设有第二阀门15；输出管路设有至少一件供水接口，多件输水管路对应连接于输出管路的多件供水接口；多件输水管路的输出端分别连接多件水电解制氢系统，用以多件水电解制氢系统的补水；
34.输水管路包括并联设置的氢侧补水管路和氧侧补水管路，氢侧补水管路的补水出口依次设有第一止回阀11和第三阀门12，第三阀门连接水电解制氢系统的氢分离器或氢洗涤器；氧侧补水管路的补水出口依次设有第一止回阀、第四阀门13，第四阀门连接水电解制氢系统的氧分离器或氧洗涤器。
35.本技术的补水装置还包括泵送单元，泵送单元包括第一泵送回路和第二泵送回路；第一泵送回路设于输出管路上，且位于供水接口的前端；第一泵送回路包括依次设置的第一球阀16、第一过滤器9、第一补水泵10、第一止回阀11和第二球阀17；第二泵送回路与第一泵送回路并联设置，第二泵送回路包括依次设置的第三球阀、第二过滤器、第二补水泵、第二止回阀和第四球阀。
36.本技术的补水装置还包括稳压回路，稳压回路包括稳压阀5；稳压阀与泵送单元并联设置，用以第一泵送回路和/或第二泵送回路的稳压。
37.本实施例中，第一阀门、第三阀门和第四阀门优选为补水电磁阀；第二阀门15为电磁球阀，第五阀门优选手动球阀；第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀为隔断球阀，优选电磁球阀。
38.原料水通过补水电磁阀进入各自的原料水箱，原料水箱设置有液位检测单元并控制补水电磁阀的启停，补水电磁阀的旁路设置有手动补水球阀，原料水箱设置有排污口和出水口，各水箱的出口合并后连接泵送装置的补水泵的进口；补水泵的进口设置有隔断球阀和过滤器，方便检修并过滤水中的杂质，补水泵的出口设置有止回阀和隔断球阀，避免其余单元水或气体返回泵出口，同时在补水泵的回路中并联设置有自力式稳压阀，当泵的出口压力过高时，通过调节旁路的稳压阀实现补水泵的回流设置；本发明装置采用双泵回路(第一泵送回路和第二泵送回路)一用一备的形式。
39.泵送单元与供水接口之间的输出管路上设有压力监测单元和/或流量监测单元，压力监测单元用以监测输出管路的压力，流量监测单元用以检测输出管路的流量。每件水箱设有液位计2，液位计用以监测水箱的液位；水箱的底部设有排污口，排污口上连接有排污阀门4，排污阀门为手动球阀或电磁球阀。优选的，压力监测单元包括并联设置的压力变送器6和压力表7；流量监测单元包括流量计8。
40.在主管道上设置有流量计和压力变送器，通过压力判断是否异常并设置流量低报警；多件输水管路里分别连接不同的制氢系统，并分别在氢分离器、氧分离器的氢侧补水管路和氧侧补水管路上设置有止回阀和气动球阀，防止水回流；补水过程优先补水至洗涤器，另通过控制逻辑的方式实现氢、氧侧补水，有效避免氢气、氧气的混合。
41.本发明还提供一种用于水电解制氢系统的补水方法，包括上述的用于水电解制氢系统的补水装置，包括以下步骤：
42.所述设定制氢系统的补水液位阈值，获取各制氢系统的补水液位信息，且依据各制氢系统的补水液位信息控制执行相应地补水操作；具体包括：
43.多个制氢系统的当前补水液位信息均大于设定的补水液位阈值，表示多个制氢系统处于“满”状态，无需补水，此时各个输水管路的第三阀门和第四阀门均不会打开；
44.多个制氢系统中，有一个制氢系统的当前补水液位信息小于设定的补水液位阈值，则打开其输水管路的第三阀门或第四阀门，待制氢系统的氢侧和氧侧单独补水，制氢系统氢侧单独补水完成后再进行氧侧补水或制氢系统氧侧单独补水完成后再进行氢侧补水；补水完成的判定为补水液位信息升至设定的补水液位阈值；
45.多个制氢系统中，有多个制氢系统的当前补水液位信息没有达到设定的补水液位阈值，优先对补水液位信息最小的一侧进行补水，
46.补水液位信息最小的一侧为其中一制氢系统的氢侧，则多个需补水的制氢系统的氢侧同时进行补水，同时打开对应输水管路的第三阀门进行补水，补水液位信息升至设定的补水液位阈值关闭对应的第三阀门，直至所有需补水的制氢系统的氢侧补水液位信息均升至补水液位阈值，完成氢侧补水；
47.补水液位信息最小的一侧为其中一制氢系统的氧侧，则多个需补水的制氢系统的氧侧同时进行补水，同时打开对应输水管路的第四阀门进行补水，补水液位信息升至设定
的补水液位阈值关闭对应的第四阀门，直至所有需补水的制氢系统的氧侧补水液位信息均升至补水液位阈值，完成氧侧补水。
48.本方案的具体一补水应用：
49.采用1#～n#原料水箱，根据制氢系统的规模进行配置，泵送装置采用一用一备的两条泵送回路；两台补水泵提供给01～i套制氢系统设备进行补水。
50.需4*1000立方制氢设备，共设置4套4套1000m3/h的制氢系统，制氢系统的工作压力2.0mpa，根据需氢规模采用2套10立方的原料水箱，根据化学反应式，2h2o＝＝＝2h2
↑
o2
↑
(通电)；产生1m3的氢气需要消耗约1l的水；因此4套1000m3/h的设备所需的最大补水量为4m3/h，补水泵选型应不小于6m3/h，
51.当单独给一套分离器进行补水时，我们以实际容器的大小为例，设备每次补水从低液位补水到高液位的需求量约为1m3，则有效补水流量最大为5m3/h(泵输出流量为6m3/h，补水过程的水消耗量为1m3/h，取两者的差值)，因此补水时间约为1/5*60＝12分钟(按照10分钟计算)。
52.根据泵的特性曲线，选择dn20的旁路稳压阀，该通径的选择是为了保证最大的回流流量能够流通，保证泵工作的最小流量。
53.当4套系统同时补水时，系统的需求约为3.5m3，最大补水为2m3/h，因此补水时间约为1.75h，该时间段系统可持续稳定运行。
54.时间法：
55.根据系统的产气量比例，电解水过程中2h2o＝＝＝2h2
↑
o2
↑
(通电)，氢气的产量是氧气的两倍，此处考虑气体带出的液体相同(含有教稀的碱液，需要在洗涤器中洗掉)，因此氢、氧分离器的补水次数按照2:1计算(补水比例不小于这个比例)，考虑到设备的不同运行工况，每套设备的补水时间和补水量不同；补水逻辑设置如下：
56.根据上述计算结果，当考虑氢、氧侧各自补水一次的时间，单时间段应不小于2*3＝6h(同时补水的时候，单次补水时间最长，约1.75h此处考虑2h，按照1个周期内氢同时补2次，氧同时补1次)；以24小时一天为例，4p 2小时的周期内进行补水。
57.示例：
58.0～6点，为一个周期，0～4点氢侧补水，5～6点氧侧补水；
59.6～12点，为一个周期，7～10点氢侧补水，11～12点氧侧补水；以下依次增加。
60.在各自的时间段内，氢侧与氧侧单独补水；仅进行氢分离器或氧分离器的补水，各气动阀门设置为互锁状态，保证仅有一个阀门进行动作。另通过判断01～i个气液处理器的最低液位，从最低液位进行补水。且可设定不同气液处理器单元的液位差值进行补水。
61.次数法：
62.根据系统的产气量比例，氢、氧分离器的补水次数按照2:1计算，考虑到设备的不同运行工况，每套设备的补水时间和补水量不同，补水逻辑设置如下：
63.各运行单元同时判断补水需求，当第i套设备需要补水时，首先判断补水氢、氧侧需求，系统中共计2i个气动阀门。
64.优选的，单套设备需要补水时，仅开一个阀门(该套设备对应的第三阀门或第四阀门)，其余阀门互锁。
65.当第2套或其余需要补水时，若补水一致，则可同时开启同侧补水，并以最后一级
的补水结束为判断时间。
66.示例：系统共计4套系统，每套系统补水按照每补2次氢侧后，氧侧补水1次，当仅单套系统补水时，1#设备补水完成后，通过液位判断最低液位补水装置i#启动，同时每套系统单独计数来判断补水的方向。
67.示例：系统共计4套系统，每套系统补水按照每补2次氢侧后，氧侧补水1次，1#设备补水氢侧时，若2#设备判断需要补水氢侧，则补水阀门同时开启，若2#设备判断需要补氧侧，则等待1#补水完成，同理依次判断，优先补水最低液位设备。
68.液位法：
69.根据系统的产气量比例，氢、氧分离器的补水次数按照2:1计算，考虑到设备的不同运行工况，每套设备的补水时间和补水量不同，补水逻辑设置如下：
70.各运行单元同时判断补水需求，对氢分离器、氧分离的液位进行分档补水。
71.根据计算，单次补水的最长时间为1.75h，为了进一步提升系统的安全性(避免单台设备补水时间太长造成液位太低)，补水液位可以分为4档(补水低液位到高液位之间)，当判断补水最低液位3/4时，提前开启补水泵进行补水。
72.优选的，当多台同时需求补水时，当补水侧一致时，可开启同侧补水；
73.当设备正常停机时，同时向分离器内补水至上限液位，保证分离器处于安全液位状态。
74.本发明的补水方法实现了制氢系统的氢侧与氧侧单独补水，有效杜绝补水过程中氢侧与氧侧的氢气、氧气混合，同时满足多件制氢系统的氢侧与氧侧同时单独补水，满足氢、氧分离保证安全性的同时，大大提升补水效率。
75.需要说明的是，本发明补水装置还包括控制器，控制器中包含控制系统，控制器与本技术涉及的阀门、压力监测单元、流量计、液位计以及补水泵连接，控制系统参照现有技术常规设置，以控制整个用于水电解制氢系统的补水装置的运行。
76.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。