电解水制氢工艺描述

电解水制氢工艺描述

电解水生产氢气氧气是一个比较成熟的工艺。其主要组成部分有：电解槽、气水分离罐、加碱罐、洗涤罐、脱水罐、缓冲罐、冷却水箱等，电气、仪表及配套的设备元器件主要有：直流电解电源（简称电解电源）、电源冷却循环泵（简称电源冷却泵或电源泵）、电解液循环泵（简称循环泵）、电解系统冷却循环泵（简称电解冷却泵或冷却泵）、补水泵、电磁阀、压力变送器、温度变送器、差压变送器、流量计、压力表、减压阀、回火防止器、纯净水生产装置等。

电解水制氢工艺流程示意图见图1。

图1 电解水制氢工艺流程示意图

压力的单位为Mpa，小数点后面保留3位。差压的单位为kPa，小数点后面保留2位,流量单位为m3/h，小数点后面保留2位。温度的单位为°C，小数点后面保留1位,累计流量的单位为m3，小数点后面保留1位，累计工作时间的单位为h，小数点后面保留1位。

所有的电磁阀均为电开阀，通电开启，断电关闭。

一、电解电源DDY、电源冷却泵DLB、循环泵XHB及冷却泵LQB控制

表1 电解系统与冷却系统对应输入输出关系表

信号来源 控制内容 输入编号 信号来源名称 输出编号 控制对象名称 AI1 电解电源DDY 氢气压力PH DO1 (PT101) 电源冷却泵DLB DO2 循环泵XHB AI2 系统温度TE (开关量) 冷却泵LQB (TT101) （电解液温度） 说明 根据氢气压力PH控制电解电源DDY、电源冷却泵DLB和循环泵XHB的启停。根据系统温度TE控制冷却泵LQB的启停。 1、氢气压力PH由压力变送器PT101变送为4~20mA直流信号，根据氢气压力PH控制电解电源DDY（电解电源DDY由一个开关量信号控制运行与停止）、电源冷却泵DLB和循环泵XHB（电源冷却泵DLB和循环泵XHB与电解电源DDY同步受氢气压力PH控制）的通断，氢气压力可以在触摸屏上设置：

1氢气压力上限设定值○（简称压力设定上限）PHH的设置范围0~3.00Mpa（参考值0.40Mpa）； 2氢气压力下限设定值○（简称压力设定下限）PHL的设置范围0~3.00MPa（参考值0.35Mpa）。

参考值就是第一次开机设置时（或者长时间断电数据丢失时）推荐使用的数值。

3当氢气压力PH高于压力设定上限PHH，PH＞PHH，DO1输出为OFF,电解电源DDY、电源泵○

DLB和循环泵XHB停止运行；

4氢气压力PH低于压力设定下限PHL，○PH＜PHL， DO1输出为ON,电解电源DDY、电源泵DLB

和循环泵XHB通电运行。

2、当电解系统温度（实际为电解系统电解液的温度，简称电解温度）TE由温度变送器TT101变送为4~20mA直流信号，根据电解温度TE控制电解电源DDY的通断，电解温控温度可在触摸屏上设置：

1电解系统温度上限设定值○（简称电解温控上限）TEH设置范围55~95°C（参考值90°C）； 2电解系统温度下限设定值○（简称电解温控下限）TEL设置范围50~90°C（参考值85°C）。

3当电解系统温度TE超过电解温控上限TEH，TE＞TEH，发出报警信号，DO9输出为ON，同○

时DO1输出为OFF，电解电源DDY、电源泵DLB和循环泵XHB停止运行，但这时其他系统继续正常工作。

4当电解系统温度TE低于电解温控下限TEL，TE＜TEL，解除报警， DO9为OFF，电解系统○

恢复正常工作。

3、根据电解温度TE控制冷却泵LQB的通断，冷却温控温度上下限可在触摸屏上设置：

1电解冷却温度上限设定值○（简称冷却温控上限）TCH设置范围30~90°C（参考值90°C）； 2电解冷却温度下限设定值○（简称冷却温控下限）TCL设置范围30~90°C（参考值85°C）。 3当电解温度TE超过冷却温控上限TCH，TE＞TCH，DO2输出为OFF，冷却泵LQB停止运行。○ 4当电解温度TE低于冷却温控下限TCL，TE＜TCL，解除报警， DO9为OFF，电解系统恢复○

正常工作。

电解与冷却控制流程框图如下：

AI1(氢气压力PT101) PH＞PHH TE＞TEH DO9 PH＜PHL TE＜TEL OFF AI2( 电解温度TT101) 产生报警(共8个报警) OR 0 DO1为OFF,电解停止

AI1( 氢气压力PT101) AI2(系统温度TT101) AND 1 DO1为ON,电解开始 解除报警 (共8个报警) AI2(电解温度TT101) TE＞TCH AI2(电解温度TT101) TE＜TCL S SET Q R CLR Q 1 0 TE＜TCL,DO2为ON,冷却泵运行 TE＞TCH,DO2为OFF,冷却泵运行 二、气水分离罐补水控制

表2 气水分离罐补水控制对应输入与输出关系表

信号来源 输入编号 信号来源名称

控制内容 输出编号 控制对象名称 说明

DI1 (L1L） DI2（L1H） DI3（L2L） DI4（L2H） 氢气加碱罐液位下限 氢气加碱罐液位上限 氧气加碱罐液位下限 氧气加碱罐液位上限 DO3 DO4 氢气加碱罐补水电磁阀BV1 氢气加碱罐补水电磁阀BV2 根据氢气加碱罐和氧气加碱罐液位控制氢气加碱罐补水电磁阀BV1和氧气气加碱罐补水电磁阀BV2的开闭 氢气加碱罐和氧气加碱罐各安装了一套液位开关，控制补水电磁阀BV1和BV2。氢气加 碱罐液位开关的下限接点为L1L（对应数字量输入编号为DI1），氢气加碱罐液位开关的上限接点为L1H（DI2），氧气加碱罐液位开关的下限接点为L2L（DI3），氧气加碱罐液位开关的上限接点为L2H（DI4）。

1、补水电磁阀BV1、BV2的开阀条件（同时开阀）

液位开关L1L接通（DI1为ON）或者液位开关关L2L接通（DI3为ON），DO3、 DO4输出为ON，同时打开补水电磁阀BV1和BV2。

2、补水电磁阀BV1、BV2的关阀条件（分别关阀）

当加碱罐的液位开关L1H断开（DI2为OFF）时，DO3输出为OFF，关闭补水电磁阀BV1。 当加碱罐的液位开关L2H断开（DI4为OFF）时，DO4输出为OFF，关闭补水电磁阀BV2。 3、氢气加碱罐的液位状态显示三种：低液位、正常、高液位

低液位：液位开关L1L接通（DI1为 ON ）+液位开关L1H接通（DI2为ON）。 正常：液位开关L1L断开（DI1为OFF）+液位开关L1H接通（DI2为ON）。 高液位：液位开关L1L断开（DI1为OFF）+液位开关L1H断开（DI2为OFF）。 4、氧气加碱罐的液位状态显示三种：低液位、正常、高液位

低液位：液位开关L2L接通（DI3为 ON ）+液位开关L2H接通（DI4为ON）。 正常：液位开关L2L断开（DI3为OFF）+液位开关L2H接通（DI4为ON）。 高液位：液位开关L2L断开（DI3为OFF）+液位开关L2H断开（DI4为OFF）。 气水分离罐补水流程框图如下： 氧气加碱罐的液位 氧气加碱罐液位L2H

氢气加碱罐的液位 L1L为ON L2L为ON 1 1 DO3为ON,BV1开启 DO4为ON,BV2开启 OR 氧气加碱罐液位L1H OFF 0 DO3为OFF,BV1关闭 OFF 0 DO4为OFF,BV2关闭

·三、补水泵BSB及补水电磁阀BV3、BV4控制

氢气洗涤罐和氧气洗涤罐上分别安装了一套液位开关，氢气洗涤罐上的液位开关的下限开关为L3L（DI5）、上限开关为L3H（DI6），氧气洗涤罐上的液位开关的下限开关为L4L（DI7），上限开关为L4H（DI8），用于控制补水泵BSB和补水电磁阀BV3、BV4。

表3 洗涤罐补水控制输入与输出对应关系表

输入编号 DI5（L3L） DI6（L3H） DI7（L4L） DI8（L4H） 信号来源 信号来源名称 氢气洗涤罐液位下限 (下限为低液位) 氢气洗涤罐液位上限 (上限为高液位) 氧气洗涤罐液位下限 氧气洗涤罐液位上限 控制内容 输出编号 控制对象名称 氢气洗涤罐补水电磁阀BV3 氧气洗涤罐补水电磁阀BV4 补水泵BSB 说明 DO5 DO6 DO7 根据氢气洗涤罐液位，控制补水泵BSB启停和氢气洗涤罐补水电磁阀BV3、氧气洗涤罐补水电磁阀BV4的开闭 1、开泵条件和开阀条件（泵和两个补水电磁阀同时打开）

L3L的下限开关（DI5）和L4L的下限开关（DI7）任意一个接通或者两个全部接通，接通补水泵电源（DO7为ON），同时打开补水电磁阀BV3、BV4（DO5、DO6为ON）。

2、关阀和关泵条件

当氢气洗涤罐高液位接点L3H（DI6）断开，关闭补水电磁阀BV3（DO5为OFF）。 当氧气洗涤罐高液位接点L4H（DI8）断开，关闭补水电磁阀BV4（DO6为OFF）。 当两个电磁阀BV3、BV4全部关闭后，关闭补水泵（DO7为OFF）。 3、氢气洗涤罐的液位状态显示三种：低液位、正常、高液位

低液位：液位开关L3L接通（DI5为 ON ）+液位开关L3H接通（DI6为ON）。 正常：液位开关L3L断开（DI5为OFF）+液位开关L3H接通（DI6为ON）。 高液位：液位开关L3L断开（DI5为OFF）+液位开关L3H断开（DI6为OFF）。 4、氧气洗涤罐的液位状态显示三种：低液位、正常、高液位

低液位：液位开关L4L接通（DI7为 ON ）+液位开关L4H接通（DI8为ON）。 正常：液位开关L4L断开（DI7为OFF）+液位开关L4H接通（DI8为ON）。 高液位：液位开关L4L断开（DI7为OFF）+液位开关L4H断开（DI8为OFF）。 洗涤罐补水流程框图如下：

氢气洗涤罐的液位 氧气洗涤罐的液位 氧气洗涤罐液位L3H 氧气洗涤罐液位L4H 氢气洗涤罐液位L3H 氧气洗涤罐液位L4H L3L为ON L4L为ON 1 1 1 0 DO5为ON,BV3开启 DO6为ON,BV4开启 DO7为ON,BSB开启 DO5为OFF,BV3关闭 OR OFF OFF 0 DO6为OFF,BV4关闭 OFF AND OFF 0 DO7为OFF,BSB关闭 四、差压调节系统（氢气与氧气压力平衡）

氧气与氢气压力的差压Pd由压力变送器PdT101变送为4~20mA直流信号，根据差压Pd

控制排氧电磁阀PV1的通断。

表4 排氧电磁阀PV1控制输入与输出对应关系表

信号来源 输入编号 信号来源名称 AI3 氧气与氢气的压差Pd（ΔP） 控制内容 说明 输出编号 控制对象名称 降压排氧电磁根据氧气与氢气的压差Pd，控制DO8 阀PV1 降压排氧电磁阀PV1的开闭 Pd=氧气压力-氢气压力，排氧所需的差压上限设定值(简称压差设定上限)PdH和排氧差压下限设定值（简称压差设定下限）可以在触摸屏上设置：

1压差设定上限PdH的设置范围为-3kPa ~ +3kPa，参考值0.50kPa； ○

2压差设定下限PdL的设置范围为-3kPa ~ +3kPa，参考值-0.50kPa）； ○

3当差压Pd超过压差设定上限PdH，Pd＞PdH，DO8输出为ON，排氧电磁阀PV1开启。 ○

4当差压Pd低于压差设定下限PdL，Pd＞PdL，DO8输出为OFF，排氧电磁阀PV1关闭。 ○

⑤报警压差设定值PdA的设置范围为3.00 ~ 5.00kPa，参考值3.50kPa，当氧气与氢气的

差压Pd的绝对值│Pd│＞PdA，发出报警信号，DO9为ON，DO1为OFF。

差压调节系统流程框图如下： AI3( 差压PdT101)Pd

Pd＞PdH Pd＜TdL AI3(差压PdT101)Pd S SET Q R CLR Q 1 Pd＞PdHDO8为ON,排氧阀开启 0 Pd＜PdL,DO8为OFF,排氧阀关闭

五、瞬时流量与累计流量

氢气的流量QH由流量变送器FT101变送为4~20mA直流信号，要求在触摸屏上显示瞬时流量QH和累计流量QA。

表5 氢气流量信号与输入输出对应关系表

信号来源 输入编号 信号来源名称 AI4 流量变送器FT101 控制内容 说明 输出编号 控制对象名称 无 无 显示瞬时流量QH和累计流量QA 六、报警显示、记录与查询

要求在触摸屏设一个报警记录查询页面，将所有报警按时间顺序记录下来，在触摸屏上能够查阅，存储器记录满了，循环抹除前面的记录，另外在该页面设一个报警消除按钮，按一下消除按钮，停止报警，DO9为OFF，但若仍然满足报警条件，间隔60秒，继续报警（DO9为ON）。

为了防止处于报警临界点时继电器频繁动作，以及干扰引起的报警，要求满足报警条件达到3秒以上，才能发出报警信号（DO9为ON），同一个报警源每两次报警之间需要间隔3秒，也就是说，当报警条件消除后，报警自动消除，如果又达到报警条件，至少延迟3秒才能再次报警，如果是人工消除报警，同一报警源需要延迟60秒才能再次报警。

1、当氢气压力PH＞（PHH+0.05MPa）时报警，DO9为ON，同时DO1为OFF；报警时显示的报警名称为“氢气压力过高”。

2、当系统温度(AI1)超过温度设定上限时报警,报警名称为“电解液温度过高” 3、当氢气加碱罐液位过低，同时氧气加碱罐液位过高时报警，DO9为ON），DO1为OFF，因为加碱罐与气水分离罐连通，加碱罐与气水分离罐的液位完全相同，报警名称为“两个气水分离罐水位相差过大（氧高氢低）”

4、当氧气加碱罐液位过低，同时氢气加碱罐液位过高时报警，DO9为ON），DO1为OFF，报警名称为“两个气水分离罐水位相差过大（氧低氢高）”。

5、当氢气洗涤罐液位过低，同时氧气洗涤罐液位过高时报警，DO9为ON，同时切断电解电源，DO1为OFF，报警名称为“两个洗涤罐水位相差过大（氧高氢低）”。

6、当氧气洗涤罐液位过低，同时氢气洗涤罐液位过高时报警，DO9为ON， DO1为OFF，报警名称为“两个洗涤罐水位相差过大（氧低氢高）”。

7、当氧气与氢气的差压Pd的绝对值大于报警差压设定值PdA，│Pd│＞PdA，发出报警信号，DO9为ON，DO1为OFF，报警名称为“氢氧压力相差过大。

8、当大功率直流电解电源DDY出现故障，电解电源DDY送来一个故障信号（DI13为ON），发出报警信号，DO9为ON，同时关闭电解电源，DO1为OFF，报警时显示的报警名称为“直流电解电源故障”。

报警流程框图如下： 氢气压力（PT101）PH 电解温度（TT101）TE 氢气加碱罐液位 氧气加碱罐液位 氢气加碱罐液位 氧气加碱罐液位 氢气洗涤罐液位 氧气洗涤罐液位 氢气洗涤罐液位 PH＞PHH+0.5MPa TE＞TEH L1L为ON L2H为OFF L1H为OFF L2L为ON L3L为ON L4H为OFF L3H为OFF AND AND AND 1 DO9为ON AND AND 氧气洗涤罐液位 L4L为ON 氧氢差压（PdT101）Pd │Pd│＞PdA 电源故障(DDY)，DI13为ON

七、PLC主页面显示内容

八、氢氧分离系统I/O点表

1、模拟量（AI）输入共计4点，见表5。

表5、模拟量输入（AI）点表

序号 数量 信号来源及种类 安装位置 1 1 压力变送器PT101 氢气气水分离器上部 2 1 温度变送器TT101 氧气气水分离器顶部 3 1 差压变送器PdT101 两个气水分离器之间 4 1 流量变送器FT101 脱水罐后氢气管道上 合计 4 全部为4~20mADC标准信号 2、数字量输入（DI）共计14点，见表6。

表6、数字量输入（DI）点表

序号 数量 信号来源 1 1 来自液位计L1 2 1 来自液位计L1 3 1 来自液位计L2 4 1 来自液位计L2 5 1 来自液位计L3 6 1 来自液位计L3 7 1 来自液位计L4 8 1 来自液位计L4

说明 氢气系统压力，量程0~1.0MPa 电解系统温度，量程0~150°C 氧气与氢气的压差，量程-5kPa~+5kPa 氢气流量，瞬时流量量程0-45m3 安装位置 氢气系统的加碱罐上 氢气系统的加碱罐上 氧气系统的加碱罐上 氧气系统的加碱罐上 氢气系统的洗涤罐上 氢气系统的洗涤罐上 氧气系统的洗涤罐上 氧气系统的洗涤罐上 说明 液位过低，低液位接点L1L接通 液位过高，高液位接点L1H断开 液位过低，低液位接点L2L接通 液位过高，高液位接点L2H断开 液位过低，低液位接点L3L接通 液位过高，高液位接点L3H断开 液位过低，低液位接点L4L接通 液位过高，高液位接点L4H断开

9 1 10 1 11 1 12 1 13 1 14 1 合计 14

来自电解循环泵接触器 来自电解冷却泵接触器 来自电源冷却泵接触器 来自补水泵接触器 来自直流电解电源DDY 流量变送器 控制箱内 控制箱内 控制箱内 控制箱内 直流电解电源箱 脱水罐后氢气管道上 电解循环泵运行，接触器KM1辅助触头接通 电解冷却泵运行，接触器KM2辅助触头接通 电源冷却泵运行，接触器KM3辅助触头接通 补水泵运行，接触器KM4辅助触头接通 直流电解电源DDY故障，电源故障触点接通 流量变送器发出流量脉冲信号，用于累计流量 3、模拟量输出（AO ）本次没有使用。 4、数字量输出（DO ）共9点，见表7。

表7、数字量输出（DO）点表

序号 数量 信号用途 1 1 (1)控制大功率直流电解电源DDY，(2) 控制电解液循环泵XHB, (3)控制电源冷却水循环泵（简称电源泵）DLB 2 1 控制电解冷却水循环泵(简称冷却泵)LQB 3 1 控制氢气气水分离罐补水电磁阀BV3 控制氧气气水分离罐补水电磁阀安装位置 直流电解电源本体上预留了一个控制接点 循环泵XHB安装在电解液循环管道上 电源冷却泵DLB安装在电解电源DDY水冷系统的管路上。 电解冷却水循环泵(简称冷却泵)安装在电解冷却水循环管路上。 BV3安装在氢气气水分离罐与氢气洗涤罐之间的管道上 BV4安装在氧气气水分离罐与氧气气体洗涤罐说明 当氢气压力（AI1）PH低于压力设定下限PHL时，电解电源DDY运行，开始电解，同时接通循环泵XHB、电源冷却泵DLB的电源（DO1为ON） 当氢气压力高于压力设定上限时，电解电源DY停止输出电流，同时关闭循环泵XHB、电源冷却泵DLB的电源（DO1为OFF） 当电解温度（AI3）TE超过冷却设定上限时，DO2为ON，接通冷却泵LQB，当电解液温度低于冷却设定下限时，DO2为OFF，关闭冷却泵LQB的电源。 当氢气气水分离罐和氧气气水分离罐低液位接点任意一个或两个同时接通时，同时打开BV3、BV4（DO3、DO4为ON）。 当氢气气水分离罐高液位接点断开时，关闭氢气补水电磁阀BV3（DO3为OFF）, 4

1

BV4 5 6 7 1 1 1 之间的管道上 控制补水泵BSB。 安装在氢气和氧气洗涤罐补水管路上。 控制氢气洗涤罐BV1安装在氢气洗涤罐补水电磁阀BV1 与补水泵之间的管道上 控制氧气洗涤罐BV2安装在氧气洗涤罐补水电磁阀BV2 与补水泵之间的管道上 8 1 氧气降压排气电磁阀PV1 9 1 报警输出，接闪光报警器，同时在触摸屏上显示报警原因 报警内容共有8个 1、氢气压力过高 2、电解液温度过高 3、两个气水分离罐水位相差过大（氧高氢低） 4、两个气水分离罐水位相差过大（氧低氢高） 5、两个洗涤罐水位相差过大（氧高氢低） 6、洗涤罐水位相差过大（氢水位高） 7、氢氧压力相差过大 8、大功率直流电解电源故障 氧气降压排气电磁阀PV1安装在氧气气水分离器后面的排气管道上 Pd=氧气压力-氢气压力 闪光报警器安装在氢氧机控制面板上 报警时DO9为ON，接同闪光报警器，闪光的同时发出警报声，同时切断电解电源（DO1为OFF） 注意：需要在触摸屏上设一个报警消除按钮。 当氧气气水分离罐高液位接点断开时，关闭氧气补水电磁阀BV4（DO4为OFF）。 当氢气和氧气洗涤罐低液位接点任意一个或两个同时接通时，同时打开补水泵BSB、BV1、BV2（DO5、DO6、DO7同时为ON）。 当氢气洗涤罐高液位接点断开时，关闭氢气洗涤罐补水电磁阀BV1（DO6为OFF） 当氧气洗涤罐高液位接点断开时，关闭氢气洗涤罐补水电磁阀BV2（DO7为OFF） 当两个洗涤罐高液位接点全部断开时，关闭补水泵BSB（DO5为OFF）。 当压差Pd大于压差设定上限，打开降压排气电磁阀PV1（DO8为ON）。 当压差Pd小于压差设定下限，关闭降压排气电磁阀PV1（DO8为OFF）。 1、当氢气压力PH＞（PHH+0.05Mpa）时报警，报警名称为“氢气压力过高”。 2、当系统温度(AI1)超过温度设定上限时报警,报警名称为“电解液温度过高” 3、当氢气加碱罐液位过低，同时氧气加碱罐液位过高时报警，报警名称为“两个气水分离罐水位相差过大（氧高氢低）”。 4、当氧气加碱罐液位过低，同时氢气加碱罐液位过高时报警，报警名称为“两个气水分离罐水位相差过大（氧低氢高）”。 5、当氢气洗涤罐液位过低，同时氧气洗涤罐液位过高时报警，报警名称为“两个洗涤罐水位相差过大（氧高氢低）”。 6、当氧气洗涤罐液位过低，同时氢气洗涤罐液位过高时报警，报警名称为“两个洗涤罐水位相差过大（氧低氢高）”。 7、当氧气与氢气的差压Pd的绝对值大于报警差压设定值PdA，│Pd│＞PdA，发出报警信号，报警名称为“氢氧压力相差过大。 8、当电解电源出现故障，（DI13为ON）时报警，报警名称为“直流电解电源故障”。 合计 9

实际使用9点。建议设计硬件时预留1~2点DO，预留2~4点DI，预留1点AI（4~20mA）。

5、4个模拟量需要绘出参数曲线记录下来，点击“趋势”，显示如下画面，点击一下曲线，弹出对话框，见图2。

图2 模拟量趋势图0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 绝对时钟：2015.12.14 04：10 氢气压力：0.31 Mpa 电解温度：65.8 °C 氧氢差压：0.48 kPa 氢气流量：29.7 m/h 3