水电解制氢作业指导书ZDQ-120/1.5编制：生产技术部审批：编号：DMZG/JL-52河北东明中硅科技有限公司2011年2月30日第一章概述1 设备的用途ZQD系列水电解制氢装置是中国船舶重工集团公司第七一八研究所研制成功的自动化操作的制氢设备，其主要技术指标达到或超过世界先进水平，适用于化工、冶金、电子、航天等各种用氢量大、对氢气质量要求高的部门。

2 工作原理水电解制氢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电解池，当通以一定的直流电时，水发生分解，在阴极折出氢气，阳极析出氧气。

其反应式如下：阴极：2H2O+2e→H2↑+2OHˉ阳极：2OHˉ-2e→H2O+1/2O2↑总体反应：2H2O→2H2↑+O2↑3 装置构成水电解制氢装置由电解槽（1001）、气液处理器（1000）、水碱箱系统（1300）、整流系统、控制系统及其它辅助系统等组成。

注：供货范围根据用户具体的合同要求而定。

3.1电解槽（1001）电解槽为压滤式双极性结构，是制氢装置中的主体设备。

电解槽由若干个电解小室组成，每个电解小室由阴极、阳极、隔膜、绝缘垫片及电解液构成。

端极板上部设有氢、氧气液出口管，用于导出氢、氧气体，下部设有碱液进口，用于补充电解液；中间正极框为正极，两端极板为负极。

整流系统向电解槽提供直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

KOH（或NaOH）在水中的作用在于增加水的电导，本身不参加反应，理论上是不消耗的。

3.2气液处理器（1000）气液处理器由氢气分离器1002、氧气分离器1003、氢气洗涤器1001、氧气洗涤器1005、氢侧换热器1006、氧侧换热器1007、碱液过滤器1009、碱液循环泵1M11及各类阀门、一次仪表、管路等组成，主要用来分离来自电解槽的氢气与碱液的混合物及氧气与碱液的混合物，经过冷却、分离、洗涤、除雾获取纯净的氢气和氧气。

装置除在控制室设有集中显示的仪表外，还装有压力、液位、温度等现场仪表，用来显示设备运行的各主要参数，保证设备安全运行。

3.3水碱箱系统（1300）水碱箱系统由水箱1301、碱箱1311、加水泵1M21及阀门等组成。

水箱用来存储原料水，碱箱用来配制储存碱液。

装置运行中，通过加水泵向系统中注入原料水，有时也通过加水泵向系统中适当补充碱液。

3.4 整流系统整流系统由整流变压器1024和整流柜1022组成。

整流变压器用来将高压电转变为适合于可控硅工作的电压，初级绕组接高压电、次级绕组接整流柜。

整流柜用来将交流电转变为直流电，通过铜排为电解槽提供直流电。

3.5 控制系统控制系统包括控制柜1020和上位机。

控制柜由PLC、二次仪表、安全栅、声光报警器及操作按钮、开关等构成。

可实现对装置各种参数的自动检测、调节、故障报警与联锁、自动开机与停机等功能。

上位机可实现对装置各参数的监控和记录等功能，并可对设备进行远程操作。

4 主要技术参数及运行条件4.1 主要技术参数见表1.14.2 运行条件见表1.24.3 调试配件条件见表1.3表1.3 调试配备条件2）V2O5用量为电解液重量的2‰。

第二章工艺流程及自控系统1 工艺流程简介制氢装置的工艺部分由氢、氧气体分离洗涤系统、电解液循环系统、原料水补充系统、补碱系统、退碱系统、冷却水系统、排污系统和氮气吹扫系统等九部分构成。

1.1 氢、氧气体系统电解槽（1001）电解电解液产生的氢气同碱液一起通过极框上的出气孔流过氢气道，从左右端极框流出，首先进入氢气冷却器1006；冷却后的氢气、碱液混合物进入氢气分离器1002，在重力作用下进行气液分离；气液分离后含微量碱液的氢气进入氢气洗涤器1004，通过充分的洗涤和进一步的冷却，再经其顶部捕滴器除去液滴后成为含水量小于4g/m3、含碱量小于1 mg/m3的氢气；经氢气薄膜调节阀LV1001、气动三通球阀QS1030进入氢气纯化装置（或氢缓冲罐）或防空。

氧气处理过程与上述过程基本相同。

1.2 电解液循环系统氢气分离器1002、氧气分离器1003中的电解液通过容器底部的连通管汇集，在碱液过滤器1009中过滤掉碱液中的固体杂质，由碱液循环泵1M11驱动电解液，经过流量开关（FIS1001）打回电解槽（1001），形成电解液循环系统。

1.3 原料水补充系统原料水通过加水泵1M21，经单向阀H1040、球阀Q1040注入氢气洗涤器1004，或者经单向阀H1041、球阀Q1041注入氧气洗涤器1005，以补充电解所消耗的水。

注意事项：为防止单向阀失效而导致氢、氧串气，只能向一侧补水。

当向氢侧补水时必须关闭球阀Q1041；向氧侧补水时，关闭球阀Q1040.1.4 补碱系统在制氢设备运行过程中，氢、氧气会带走少量碱液，经过一段时间的运行后，系统中碱液浓度会有所降低。

所以应及时向制氢系统补充碱液。

配置好的碱液存放在碱箱1311中，通过加水泵1M21经单向阀H1042、球阀Q1042注入碱液循环系统中。

注意事项：补碱前先打开球阀Q1344、Q1042,同时关闭球阀Q1040、Q1041后开启加水泵。

1.5 退碱系统设备长期停车或检修时，需要将系统内的碱液排空。

电解槽1001内的碱液可经球阀Q1074、碱液循环泵1M11、Q1072、Q1076、Q1371回到碱箱1311中；气液处理器1000内的碱液经循环泵1M11、Q1072、Q1076、Q1371回到碱箱1311中。

1.6冷却水系统冷却水经球阀Q1077分二路进入制氢系统：一路通过球阀Q1050进入氢气洗涤器1004、氧气洗涤器1005中，冷却洗涤后的氢、氧气；另一路经薄膜调节阀TV1001冷却循环碱液，使电解槽1001的工作温度保持在规定范围内，冷却水量由气动调节阀TV1001控制。

1.7排污系统制氢设备原料水箱1301、碱箱1311、碱液过滤器1009等均设有排污阀，以备清洗、维修之用；电解槽废水可通过球阀Q1044排出；1.8氮气吹扫系统在氢气分离器1002、氧气分离器1003上部设有充氮口，用于制氢装置开机前和停车后的氮气吹扫。

氮气经球阀Q1022一路经单向阀H1020、球阀Q1023,另一路经单向阀H1021、球阀H1024吹扫气液处理器，在吹扫时可通过调节球阀Q1023、Q1024的开度大小使氢侧与氧侧液位保持水平。

注意事项：当吹扫完毕，必须将球阀Q1022、Q1023、Q1024关闭，同时打开放气阀J1012以防碱液回流造成危险。

2 控制系统简介自控系统由压力调节系统、液位调节系统、温度调节系统、水箱液位控制系统、产量调节系统、显示报警软联锁系统及硬联锁系统构成。

2.1控制柜（1020）制氢设备控制柜由西门子PLC、触摸屏、仪表、安全珊、继电器、指示灯及操作按钮等构成。

可实现对设备参数的自动检测、调节、故障报警与联锁保护、一停机等功能2.2压力调节系统压力调节系统由压力变送器PT1001、安全栅、PLC、电气转换器PY1001及压力调节阀PV1001构成，其中压力变送器PT1001、压力调节阀PV1001安装于制氢设备气液处理器内，PLC、安全栅和电气转换器PY1001安装于制氢控制柜内。

压力变送器PT1001将测到的设备压力信号经安全栅送入PLC模拟量输入模块，PLC将输入值与设定压力值进行比较，经过PID运算后通过模拟量输出模块输出的4-20mA信号，输出信号经电气转换器PY1001转换为0.3-1.3 bar气信号调节压力调节阀PV1001的开度，从而使系统工作压力保持稳定。

2.3液位调节系统液位调节系统由液位变送器LT1003，氧液位变送器LT1001,安全栅，PLC,电气转换器LY1001及压力调节阀LVVV1001安装于制氢设备气液处理器内，PIC,安全栅及电气转换器LY1001安装于制氢控制柜内。

氢液位变送器LT1003和氧液位变送器LT1001测得的系统氢、氧液位信号经安全栅送入PLC 的模拟量输入模块，PLC将氢液位信号作为给定，氧液位信号调节信号，两信号经PLC比较及PID运算后，通过模拟量输出模块输出4~20mA信号，输出信号经电气转换器LY1001转换为气信号调节液位调节阀LV1001的开度，从而使系统氢氧液位保持平衡。

同时PLC还根据氢液位信号控制加水泵的起停，以补充设备电解所消耗的水。

设备启动后，但压力高于0.5MPa，且氢侧液位值低于加水泵启动设定值时，PLC自动向配电柜加水泵控制回路输出闭合触点信号，启动加水泵，向设备内补水；如果设备停车或氢侧液位值高于加水泵停止设定值时，PLC输出触点断开，自动停止加水泵运行。

2．4温度调节系统温度调节系统由安装在氧侧电解槽出口测温元件铂电阻TE 1 0 01、温度变送器TT 1 00 1、P L C、电气转换器TY 1 0 01及冷却水调节阀TV 1 00 1构成，其中铂电阻TE l 0 0 1及温度调节阀T V 1 0 0 1安装于制氢设备气液处理器内，PL C、温度变送器TT 1 0 0 1、电气转换器T Y100 1安装于制氢控制柜内。

电解槽碱液出口的温度铂电阻T E 1 0 0 1经温度变送器TT 1 00 1转换为4—2 0mA 信号送入P L C的模拟量输入模块，P L C自动与设定温度进行比较并经过PID运算后，经模拟量输出模块输出4—2 0mA信号经电气转换器TY 1 0 0 1转换为0.2—1.2 b a r的气信号调节冷却水调节阀T V l 0 0 l的开度，从而使电解槽工作温度保持稳定。

2．5电流调节系统电流调节系统由安装于制氢控制柜内的输入端电压变送器E T l 5 0 1、电流ET 1 5 0 l、P L C、输出端电压变送器E T15 0 2组成。

整流柜输出的直流电压和电流信号分别经过电压变送器E T 1 5 0 1、电流变送器I T 1 5 0 1送入PL C的模拟量输入模块，P L C 分别将电压值和电流值与电压、电流设定值进行比较并通过模拟量输出模块输出4—2 0mA 调节信号，该信号经电压变送器E T 1 5 0 2转变成0—10 V的电压给定信号送给整流柜触发板，以调节整流柜直流输出，达到电流调节目的。

2．6显示报警及软联锁系统显示报警及软联锁系统用于备工艺参数的显示。

当相应参数超上限或下限时，发出声、光报警信号提示操作者进行处理。

一些关键性的工艺参数(如系统压力、氢氧液位、系统温度及碱液流量等)一旦未及时处理，参数超上上限或下下限时，执行软联锁停机动作。

装置的工艺参数又可分为模拟量和开关量两大类，对于模拟量参数其系统通常由变送器、安全栅、P L C组成。

变送器安装于现场，安全栅及PL C安装于控制柜内(如变送器安装于非防爆间内则可取消安全栅)。