一种天然气水蒸气转化与PEM电解耦合的混动制氢系统的制作方法

本申请涉及制氢，具体为一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统。

背景技术：

1、天然气水蒸气转化与质子交换膜（pem）电解技术是工业制氢的两种重要途径。天然气水蒸气转化具备产能大、成本低的特点，而pem电解技术具有响应快且能适应波动性可再生能源输入的优势。将这两种技术结合构建混动制氢系统，通过能量与物质流转的耦合，能够综合提升制氢效率并优化碳排放，是当前大型制氢系统发展的基础方向。

2、在现有的混动制氢系统中，天然气与高温水蒸气通常需要进入预混设备进行预先混合，随后输送至反应器内进行重整。同时，系统往往需要结合pem电解装置的运行状态，对介质的流量和配比进行干预。这一多气源协同过程高度依赖气体进入重整反应器之前预混阶段的均匀混合。传统的预混设备普遍采用固定截面的通道与静态的喷射器件，主要依靠流体自身的初始动能以及固定管道的物理阻挡来实现天然气与水蒸气的物理混合。

3、然而，现有混动制氢系统在变工况运行时面临气体混合均匀度差的技术缺陷。由于混动系统需根据pem电解装置的实时制氢负荷或外部能源波动，动态调节天然气与水蒸气的进气配比，预混设备内部的流场压力与流速处于持续改变的状态。传统固定结构的预混设备缺乏对内部流场的动态干预能力，无法根据流量变化调整流道截面或扰流强度；同时，固定角度的喷射件导致水蒸气的喷射轨迹无法随工况变化改变，难以动态追踪流场内部的强湍流区域。这种静态物理结构与动态气流场的不匹配，导致气体在非额定工况下容易形成流速盲区或局部浓度偏差，造成混合不均，进而降低了后端天然气水蒸气转化反应的转化率与系统的整体运行稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本申请提供了一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，解决了现有系统在变工况运行时气体混合均匀度差、以及供气端与pem电解装置输出端动态响应滞后且难以精确匹配的问题。

2、为实现以上目的，本申请通过以下技术方案予以实现：一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，包括：控制系统、预混腔、风门、注入环、雾化喷嘴、电磁阀、氧浓度传感器以及pem电解装置。

3、预混腔为分层螺旋腔体，整体呈圆筒形，风门安装在预混腔的入口端，注入环呈环形结构并套设在预混腔的中段，电磁阀连接在预混腔的出口端，pem电解装置布置在预混腔出口端的一侧，氧浓度传感器安装在靠近pem电解装置的位置。控制系统分别与风门、预混腔、注入环、电磁阀以及氧浓度传感器连接。

4、预混腔内部沿轴向设置有多个螺旋延伸的分层通道，分层通道分为上层通道、中层通道以及下层通道，内壁面安装有微型扰流栅格。微型扰流栅格分为沿分层通道的圆周均匀分布的第一栅格组、第二栅格组和第三栅格组。微型扰流栅格通过嵌入式驱动杆与截面调节机构连接，截面调节机构包含滑动楔块和导向槽。嵌入式驱动杆接收控制系统的指令产生轴向位移，推动滑动楔块在导向槽内滑动以改变分层通道的截面积，在预混腔内部产生高低速混合区。

5、系统还包括驱动轴和齿轮组，齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮。主动齿轮固定在微型扰流栅格的驱动轴上，从动齿轮固定在承载雾化喷嘴的可旋转的环形支架的旋转轴上。主动齿轮与从动齿轮的传动比设置为1:2。微型扰流栅格旋转带动驱动轴转动，进而通过齿轮啮合驱动从动齿轮及环形支架同步旋转，使得环形支架的旋转角度为微型扰流栅格旋转角度的两倍，雾化喷嘴的喷射角度调整范围为零度至九十度。

6、风门连接有线性驱动机构，注入环开度的调节机构采用两端螺距不同的差动螺杆，差动螺杆的第一端螺距大于第二端螺距。控制系统内的步进电机控制差动螺杆旋转，使得与进气口连接的开度调节件产生非线性位移。

7、电磁阀的阀体内部设置有容纳腔室，容纳腔室内部沿轴向堆叠并串联布置有多个呈锥形薄片状的碟形弹簧，构成预压缩弹簧组。控制系统的压力输出模块与连接于阀体端部的调节螺母连接，驱动调节螺母旋转以拧紧压缩预压缩弹簧组，改变预紧力。

8、控制系统内部的机器学习模块接收氧浓度传感器的氧浓度信号。氧浓度传感器的触发条件设置为多级阈值模式，输出信号分为第一区间、第二区间和第三区间。控制系统根据输出信号所在的区间，分别驱动不同组别的微型扰流栅格调整角度。同时，控制系统监测pem电解装置的氧气利用率与预混腔的混合效率的偏差值，实时调整步进电机的转速；线性驱动机构与差动螺杆的旋转速度形成复合调节曲线，控制系统依据复合调节曲线控制注入环开度与风门位置形成动态平衡，并同步调整电磁阀内部预压缩弹簧组的预紧力，使得电磁阀的开启延迟与预混腔内的压力波动相匹配。

9、本申请提供了一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统。具备以下有益效果：

10、1、本申请通过滑动楔块改变分层通道截面积与多层级微型扰流栅格角度调整的结合，在预混腔的内部产生高低速混合区，采用1:2传动比的齿轮组使雾化喷嘴的喷射方向与微型扰流栅格的栅格角度形成机械联动，实现了天然气与水蒸气的混合增强。

11、2、本申请通过利用差动螺杆两端螺距不同的结构，将步进电机的旋转转化为注入环开度调节件的非线性位移，控制系统整合风门位置与注入环开度的关系，依据复合调节曲线控制注入环开度与风门位置形成动态平衡，确保天然气与水蒸气的混合比例与pem电解装置的氧气需求相匹配。

12、3、本申请通过电磁阀内部设置由串联布置的碟形弹簧构成的预压缩弹簧组。风门的位置发生变化时，压力输出模块根据风门位置的变化量计算调节螺母的旋转角度并驱动其旋转，改变预紧力，使得电磁阀的开启延迟时间与预混腔内压力波动的相位差保持在十毫秒以内，形成对pem电解装置氧气利用的动态耦合链。

1.一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，包括：控制系统（1）、预混腔（2）、风门（3）、注入环（4）、雾化喷嘴（5）、电磁阀（6）、氧浓度传感器（7）以及pem电解装置（8）；

2.根据权利要求1所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述截面调节机构（24）通过嵌入式驱动杆（23）接收驱动指令；所述微型扰流栅格（21）的旋转由独立的驱动轴（25）驱动；所述截面调节机构（24）包括滑动楔块（241）和导向槽（242），所述滑动楔块（241）安装在所述分层通道（22）的侧壁上，所述导向槽（242）沿所述分层通道（22）的轴向设置；

3.根据权利要求2所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述分层通道（22）分为上层通道、中层通道以及下层通道；所述微型扰流栅格（21）分为第一栅格组（211）、第二栅格组（212）和第三栅格组（213），沿所述分层通道（22）的圆周均匀分布；

4.根据权利要求3所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述氧浓度传感器（7）的触发条件设置为多级阈值模式，所述氧浓度传感器（7）的输出信号分为第一区间、第二区间和第三区间；

5.根据权利要求1所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，还包括驱动轴（25）和齿轮组（52），所述齿轮组（52）包括主动齿轮（521）和从动齿轮（522）；

6.根据权利要求5所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述齿轮组（52）采用斜齿轮；所述主动齿轮（521）与所述从动齿轮（522）的传动比设置为1:2，使得所述环形支架（51）的旋转角度为所述微型扰流栅格（21）旋转角度的两倍；所述雾化喷嘴（5）随所述环形支架（51）旋转，所述雾化喷嘴（5）的喷射角度调整范围为零度至九十度。

7.根据权利要求1所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述风门（3）连接有线性驱动机构（31），所述注入环（4）连接有差动螺杆（41）和步进电机（44），所述注入环（4）开度的调节机构采用所述差动螺杆（41）；

8.根据权利要求7所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述步进电机（44）控制所述差动螺杆（41）的旋转速度；

9.根据权利要求1所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述电磁阀（6）整体呈圆柱形结构，所述电磁阀（6）包括：阀体（61）、预压缩弹簧组（62）、调节螺母（63）以及压力输出模块（64）；

10.根据权利要求9所述的一种天然气水蒸气转化与pem电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，所述调节螺母（63）为电磁阀的弹簧预紧力调节部件，螺纹连接于阀体（61）的端部；碟形弹簧（621）的预紧力通过调节螺母（63）的旋转压缩/释放进行调整，用于匹配阀芯开启压力与预混腔压力波动；