1、 6 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢 装置 技术方案 （ 6000m3/h 制氢装置） 单位： 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 国泰蓝天氢能源科技有限公司 时间： 2018 年 05 月北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制 氢设备初步技术方案 目 录 1.技术方面的要求 .1 1.1 概述 .1 1.2 技术 参数 .1 2.初步 技术方案 .1 2.1 所需设备 .1 2.2 设备特点 .1 2.3 界区划分 .2 2.4 设备的主要技术参数及性能保证指标 .3 2.5 系统描述 .4 3.系 统公用条件及消耗（用户自备） . 11 4.供货范围及报价 .
3、 工艺系统 . 19 9.2 控制管理系统与调节 . 19 9.3 安全性 . 20 10.设备交货期 . 19 11.装置占地面积 . 20 附 ： 1、 500m3/h 水电解制氢装置参考流程图 2、 500m3/h 水电解制氢装置氢、氧纯化参考流程图 3、 6000m3/h 水电解制氢装置设备平面布置参考图 北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 1 1. 技术方面的要求 1.1 概述 本技术方案 用 于生产 6000Nm3/h纯净干燥氢气 及氧气 。 技术方案：采用 6组处理量为 1000Nm3/h电解制氢设备， 每
4、 2个 500Nm3/h电解槽为一组，共计 6组， 电解后的氢气经 6组处理量为 1000 Nm3/h 的纯化装置处理后送至氢气储罐（储罐的数量及容量 视情况 确定 ） ， 氧气分别进入 3台处理量为 1000 m3/h的氧气脱氢装置， 气液处理器 6台，变压器 2台一组、共 6组 ， 其余设备 、工艺管路 公用。 1.2 技术 参数 1.2.1 水电解制氢装置主要技术指标 （单套） 额定氢气产量： 1000m3/h 氢气纯度： 99.8% 工作所承受的压力 ： 1.6Mpa（ G） 1.2.2 氢气纯化设备主要技术指标 （单套） 氢气处理量： 1000 m3/h 氢气出口指标： 99.999% 含水
6、型水电解制氢设备 ， CDQ-600/2.0 型水电解制氢设备是北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 2 世界 上单台每小时产氢量最大水电解制氢设备 ， 广泛 用于 电子行业 、 发电行业 、 金属冶炼行业 、 石油化学工业行业 、 玻璃行业 、 航天行业等 。 2. 气体含碱量和含水量低相比较而 言，制氢设备内部的分离器、洗涤器和冷却器设计裕度比较大，所以能对碱液和气体进行了充分、彻底的冷却 ,这样虽然增加了设备的制造成本 ,但能够使产品气中的含碱量和含湿量降低，而且设备正常运行过程中不至于出现超温的现象。 3. 电
7、解槽技术特点密封垫片采用新型高分子材料保证了电解槽的密封性，电解槽绝不会出现渗漏现象；密封垫片与隔膜为分离式安装保证了安装过程中隔膜的平整，避免了隔膜在电解槽内部的起鼓现象，保证了小室氢氧两侧通路阻抗的完全一致。 4. 设备在外购件的采购上执行严格的出入厂复检制度，而且建立供应商挡案制，定期对他们所供的 另部件做全面检验，质量如有下降，则取消供应资格，另选质优厂商，以保证我方设备的整体可靠性，减少用户的不必要麻烦。 5. 独特的三大件结构。设备是采用端压板和端极板分离结构，这样虽然增加了设备成本，但对电解槽的整体刚度、耐热性和可维护性都有好处。采用端压板和端极板一体，分别从两侧出气，这固然
8、在使用户得到满足要求的前提下，又降低了成本，但由于端板处散热面积远大于中间的每一个小室的散热面积，这就会加大整个槽体的温度梯度，当槽温仍控制在 85 左右时，槽体部分小室的温度就一定会超过 100 ，这降低隔膜的寿命，以此来降低电解槽的寿 命。 6. 2007 年研制成功无石棉隔膜，重大突破 无石棉隔膜电解槽等多项新技术填补了国家空白，达到国际的领先水平。 目前是国内唯一可以生采用无石棉隔膜电解槽的厂家。采用无石棉隔膜布的电解槽有降低能耗、绿色环保、不用清洗过滤器等优势。 7. 微机控制系统软件全部自行开发 ， 尤其在微机控制技术占主流的当今时代，具有专业的软件开发队伍，现在，微机控制软件的编制已完全实现
9、自主开发、应用，而无须外援，因而开发的软件更完善可靠，对设备的调试更加娴熟。 8. 设备所有承压部分， 全部 采用承插焊弯头。完全按照有关标准进行设计及生产。 2.3 界区划 分 2.3.1 项目工作范围 序号 名称 供方 需方 1 土建设计 或 2 土建施工 或 3 氢站 安装 设计 4 安装材料 5 安装费用 6 相关能承受压力的容器及管道的报检 手续 7 水电解制氢装置制造 2.3.2 界区划分 （ 1）供方责任范围 a、负责按期提供制氢站土建要求。 b、负责按期提供制氢站的所有合同设备。 北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气
10、体科技有限公司 3 c、负 责按期完成整个制氢站合同设备的安装、调试工作至运行正常交付使用单位使用。 d、负责对需方有关人员进行关于合同设备的理论和真实的操作的培训工作。 e、供方应选派最好的技术力量，进行合同设备的设计工作。在设备制作的完整过程中，供方应满足需方提出的就设备制造的关键环节派员到供方工厂监造的要求，接受需方在合同范围内提出的合理要求。供方保证对合同装置的外观品质给予充分重视，并接受需方关于合同装置外观品质检查的合理要求。 f、供方人员在合同装置的安装指导、调试期间的劳动安全，由供方自己负责，避免发生设备及人身伤亡事故，如果发生 设备及人身伤亡事故所有责任概由供方负责。 （ 2）需方责任
11、范围 a、负责按期完成制氢站的土建、照明、采暖通风、避雷、上下水、消防等 共用 工程的设计和施工。 b、负责按期完成氢站的供水、压缩空气、高低压供电工程的设计、施工和调试工作。供水管线、供气管线至氢站；高压电线路至整流变压器一次端；低压供电线路至氢站低压配电柜前为止，并负责动力电缆到配电柜的接驳。 c、负责 设备的安装及 调试期间的协调工作。 d、负责提供设备调试、试运行期间的化学药品（氢氧化钾和五氧化二钒） ；设备在现场试压用钢瓶氮气由需方提供。 e、负责协助 供方人员在需方工厂执行合同期间的食宿、交通等生活问题 。 f、 需方负责协调本项目安装报批及申报等相关手续，供方负责提供相关证明文件
15、 水电解制氢工作原理 制氢系统采用单元组装式结构。主要由电解槽、气液处理器（框架）、加水泵、水碱箱、控制柜、整流柜、整流变压器、阻 火器等部分所组成。 水电解制氢系统的工作原理是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，再北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 5 阴极析出氢气，阳极析出氧气。其反应式如下： 阴 极： 2H2O + 2e H2+ 2OH- 阳 极： 2OH- - 2e H2O + 1/2O2 总反应： 2H2O 2H2+ O2 2.5.2
16、 制氢工艺流程描述 a) 电解槽 电解槽为压滤式双极性串联结构，是制氢系统的核心，水在此被电解成氢气和氧气。下部有进液管，上部有氢、氧气液出口管；电解液在电 解槽内直流电的作用下分解，在电极表面析出氢气与氧气，经各自通道分别进入气液系统。电解槽温度由氧和氢两侧分别监控。 b) 氢、氧气体系统 从电解槽出来的氢气和碱液混合物一起通过极框上阴极侧的出气孔流过氢气道，汇集后导入氢气液分离器，经内部的换热器进行热交换冷却，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气导入氢气液分离器上部的氢气洗涤冷却器进一步洗涤冷却，从而最大限度减少气体中的含碱量和含水量，经洗涤器、气水分离器进行气水分离后，最终经氢气薄膜调
17、节阀排出，进入系统或放空。氧气处理过程与上述过程基本相同。 c) 电解液循环系统 氢、氧分离器中的电解液经连通管汇集，经碱液过滤器除去机械杂质后，由循环泵经流量开关打入电解槽，形成闭环系统，保证连续运行。 d) 加水（碱）系统 去离子水分别进入水碱箱。水箱中的去离子水经过加水泵注入氢 (氧 )分离器上部的氢 (氧 )洗涤器部分。送水管路上设有止回阀以防止去离子水回流。若系统要补碱，则由经加水泵将配置好的电解液注入碱液过滤器。 e) 冷却水循环系统 由冷却水总管道来的冷却水分两路进入设备，一路通过气动薄膜调节阀进入碱液换热器，冷却循环碱液，经过控制薄膜阀调节冷却水量，从而使电解槽的工作时候的温度维持
18、在 955 ；另一路通过球阀进入氢、氧洗涤器中，来冷却气体，降低气体的含碱量和含水量，确保出口气体的温度不高于 40 。 本控制管理系统由 2 台上位数据管理机 （一用一 备 ） 及 1 套 西门子 S7-300 系列可编程序控制器（以下简称： PLC）组成。制氢装置的各个运行数据、氢气纯化的运行数据分别由 PLC 模块采集、处理并利用互联网传送至本地上位数据管理机，从而完成水电解制氢装置、氢气纯化装置的控制和运行数据管理。装置的控制及运行数据还可通过以太网络传送到集中监控中心，以此来实现制氢装置的远程监控。系统组成如下图 1： 2.5.4.2 控制管理系统组成 北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-10
19、00/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 6 2.5.4.3 制氢控制管理系统工作原理 水电解制氢单元部分的自动控制系统主要任务是在装置运行时，对系统压力、温度进行自动调节及控制，以保持系统压力及温度的稳定；对氢、氧液位进行调节，使氢液位、氧液位从始至终保持平衡；根据制氢装置的实际运作时的状态自动进行整流输出的电流给定；装置运行时根据一定的条件能对装置的补水进行自动控制；能对水电解后产出的氢气及氧气纯度进行在线分析，并根据气体纯度自动判断是否使氢气进入下一工艺流程；当装置运行异常时及时发出报警信号，如果装置的主要受控参数超 出规定的极限值时，自动发出连锁信号切断整流柜输
20、出直流电流，使电解槽停止工作。本自动控制管理系统还设置了槽压的二次保护功能，即当自动控制管理系统失灵时，槽压的超上限信号通过防爆电接点压力表或压力开关直接联锁整流柜直流电流输出，从而保障装置的安全稳定运行。 a) 槽压调节控制系统： 装置的槽压调节控制系统如图 2 所示。 系统压力（ 0 4Mpa）经压力变送器转换后，变成 4 20mA 的标准电信号进入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入 PLC 的模拟量输入模块（ AI），在 PLC 中与设定的系统工作所承受的压力作比较，应用PID 算法进行运算得 出结果，并将此结果通过 PLC 的模拟量输出模块输出一个标准的 4 20mA 信号，经电气转换器后转换成 0.0
21、2 0.10Mpa 的标准气动信号，控制调节槽压的气动薄膜调节阀（氧阀）开度的大小，使系统运行时的槽压稳定在设定值。例如，当槽压高于设定值时， PID 运算的结果将使氧阀的开度增大，致使槽压降低并与设定值基本保持一致；反之，当槽压低于设定值时， PID运算的结果将使氧阀的开度减小，致使槽压适当升高并与设定值基本保持一致。 北京环宇京辉 国泰蓝天氢 8 CDQ-1000/1.6 型水电解制氢设备初步技术方案 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 7 为使装置在非常状态下（如出现停电、停气源等不正常的情况）不使氢、氧液位发生较大、较快的偏差 ，出于安全考虑，氧阀选用气开式薄膜调节阀。 当槽压在系统运行时超
22、过了报警上限值（ Hi）时， PLC 发出声光报警，当超过了连锁上限值（ HiHi）时， PLC 不仅发出声光报警，而且输出连锁信号至整流柜一次连锁回路，切断整流柜输出电流。 当自动控制系统失灵时，若槽压上升达到危险值，由防爆电接点压力表或压力开关输出无源接点信号立即进入整流柜二次连锁回路切断整流柜断整流柜输出电流，这即是槽压的二次保护功能。 槽压调节控制管理系统中涉及到的参数如下： 系统运行压力设定值（ SP1）： SP1 是整个装置的工作所承受的压力设定值，一般设定在装 置的额定工作所承受的压力，并可在线修改，以使用户得到满足对不同的系统工作所承受的压力要求，但不允许超出装置的额定工作所承受的压力。 加水启动压力设定值（ SP2）：
23、当装置初始启动时，为了尽最大可能避免由于液位较低导致控制管理系统自动启动加水泵给系统加水，设置了加水启动压力。当装置启动后，随着水电解的进行，使系统产气量增加，氢、氧液位会逐渐上升，最后达到一个稳定的液位。如果在装置启动时就开始给系统加水，就非常有可能造成氢、氧液位随着产气量的增加而有可能上升至连锁值，发生连锁反应，切断整流柜电源，使装置无法正常运行。当出现开车时氢、氧液位比较高的情况时，可手动操 作整流柜使之输出较小的电解电流，装置在此电流下运行一段时间后，系统内的水被消耗一部分，使氢、氧液位降低至正常值，此时可加大电流，使装置继续运行。 干燥单元启动压力设定值（ SP3）：干燥单元启动的工作条件是：制氢单元
24、产出的氢气纯度合格且系统工作所承受的压力不低于 SP3；若系统工作所承受的压力过低 ，则产出的氢气流量很小，干燥单元异常工作。一般地，干燥单元启动压力设定在制氢装置的额定工作所承受的压力。 槽压连锁上限值（ HiHi）：装置运行时，若运行压力高于 HiHi 值时，控制管理系统给出连锁信号到整流柜，装置自动停车、泄压，同时控制管理系统发出声、光报警。 槽压报警上限值（ Hi）：装置运行时，若运行压力高于 Hi 值时，控制管理系统发出声、光报警。 槽压调节比例系数（ Kc）：控制管理系统对槽压调节时进行 PI 运算时的比例系数。 槽压调节积分系数（ Ti）：控制管理系统对槽压调节时进行 PI 运算时的积分时间，单位为秒。 b) 氢、氧液位平衡调节控制管理系统 : 装置的氢、氧液位平衡调节控制系统如图 3 所示。 氢液位调节控制 氢液位（ 0 600mm）经氢差压变送器转换成 4 20mA 的标准电信号，送入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入 PLC 的模拟量输入模块（ AI）。 装置在运行 过程中原料水由于电解而被消耗，因此就需要不时地补充原料水。自动控制系统是以氢液位的高低来判断是否对装置进行自动补水。 PLC 将氢液位信号与氢液位加水下限设定值及氢液位加水上限值作比较，再根据一定的条件（如装置处于开车状态、无连锁且装置的运行系统压力高于一定值等）输出信号至加水控制回路，控制加水泵的启停进而达到装置自动补水的目的。
