一种基于SOEC的蒸汽发生系统的制作方法

本实用新型涉及固体氧化物电解技术(soec)领域，尤其涉及一种基于soec的蒸汽发生系统。

背景技术：

氢气因具有清洁、热值高、原料储量大、应用场景丰富等优势而越来越受到关注，成为我国开发新能源的载体，其大规模利用的前提是先要解决氢的制备问题，电解水制氢的产物和过程中均无任何污染物，是一种清洁的制氢方法。

目前电解水制氢储能技术主要有碱性电解技术、固体聚合物电解技术(spe)和固体氧化物电解技术(soec)。碱性电解技术最为成熟、成本最低，已经实现了大规模制氢应用，但是效率较低。spe电解水制氢适用于波动性电源供电场合的应用，成本较高。固体氧化物水电解技术(soec)采用固体氧化物作为电解质材料，在高温下进行电氢转换，具有能量转化效率高不需要贵金属催化剂，电解电压低等优点，是当前最具前景的一种电解水技术。

目前国外在soec领域开展研究的公司有德国的sunfire公司，美国idaho国家实验室、bloomenergy，丹麦托普索燃料电池公司、韩国能源研究所以及欧盟relhy高温电解技术发展项目，研究方向由电解池材料研究逐渐转向电解池堆和系统集成。从近几年的研究成果得知，美国idaho国家实验室的项目soec电堆功率已达到15kw，德国sunfire公司在2017年推出初期产品，加氢站已经开始进行示范。国内中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国矿业大学、国家电网公司、中国科技大学在固体氧化物燃料电池研究的基础上，开展了soec相关研究工作。由于soec对材料要求十分苛刻，其研究方向也具有一定的针对性，如电解水在高温高湿条件下，ni/ysz氢电极中的ni容易氧化失活的衰减机理和微观结构的调控研究；常规材料的氧电极在电解模式下存在严重的阳极极化和易发生脱层，氧电极电压损失远高于氢电极和电解质的损失，开发新型材料及新氧电极以降低极化损失的研究。在电堆集成方面，新型玻璃或玻璃–陶瓷密封材料以提高材料的使用寿命的研究。但对于电解池系统层面上的研究还很少，尤其在soec系统中各模块单元的实用新型创新更少。

一般的，在soec系统中主要包括电解池堆单元、气体供应单元、水蒸气制备单元、气体预热单元、电解池充放电单元、尾气处理单元等。soec制氢系统在制氢的工作模式下，进气一般是氢和水蒸气的混合气，得到的产物是纯氢和纯氧，进气中需要有足够高含量的水蒸气以保证电解的顺利进行，高温水蒸气能否实现连续、精准、稳定的供应是影响soec系统顺利运行的关键因素之一，也是当前急需攻克的一个难题；同时，由于蒸汽单元产生的高温蒸汽一般在700℃左右，属于高温危险源，如何在连续稳定输出高温蒸汽的前提下提高系统单元的安全性能也是研究的关键点。目前，已经公布的与soec系统相关的专利如cn101067209a“高温蒸汽电解制氢电极测试装置”、cn101216495a“高温水蒸汽电解制氢在线测试系统及其测试方法”、cn105449250a“一种千瓦级可逆固体氧化物燃料电池—电解池测试系统”、cn208955118u“一种基于固体氧化物电解池的固体氧化物燃料电池尾气处理系统”等，但没有关于soec系统中蒸汽单元控制方法的相关报道。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于soec的蒸汽发生系统，以实现水蒸气连续、精准、稳定的供应，确保soec中蒸汽发生系统的顺利运行。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种基于soec的蒸汽发生系统，包括蓄水箱、磁力泵、耐压水箱、液体质量流量计和蒸汽发生器；

所述蓄水箱、磁力泵、耐压水箱、液体质量流量计和蒸汽发生器通过管道依次连接；

所述蒸汽发生器的蒸汽出口与蒸汽输送管道连接，将产生的蒸汽送至后续的用汽单元中；

所述磁力泵与耐压水箱之间，设有用于调节流量的电磁调节阀a；

所述液体质量流量计和蒸汽发生器之间，设有用于调节流量的耦合电磁阀；

所述蒸汽输送管道分别与用汽单元和排空管道连接，且连接处分别设有用于管道开合的切断阀a和切断阀b。

进一步地，所述耐压水箱、蒸汽发生器的顶部分别通过排气管道回连至蓄水箱内，且排气管道上分别对应设置有自动排气阀和安全阀。

进一步地，所述磁力泵与电磁调节阀a之间，通过一循环管道回连至蓄水箱内，且该循环管道上设有用于调节流量的电磁调节阀b。

进一步地，所述蓄水箱的底部设有排水口，其通过手阀a与排空管道连接，通过排空管道将蓄水箱内的水排空；所述排空管道出水口处设有手阀b。

进一步地，所述耦合电磁阀与蒸汽发生器之间，设有止回阀。

进一步地，所述蓄水箱上设有用于监测蓄水箱内水位的液位计l1；所述耐压水箱上设有用于监测耐压水箱内压力的压力表p1；所述蒸汽发生器上设有用于监测蒸汽发生器内温度的温度表t1。

进一步地，所述蒸汽输送管道上设有压力表p2和温度表t2。

更进一步地，还包括plc控制系统，所述plc控制系统的插脚分别信号连接液位计l1、磁力泵、电磁调节阀b、电磁调节阀a、压力表p1、液体质量流量计、耦合电磁阀、温度表t1、压力表p2、温度表t2、切断阀a和切断阀b，以及蜂鸣器。

有益效果：

(1)本实用新型蒸汽发生系统采用了耐压水箱，避免了输入端产生的流量波动对输出端造成影响，为液体质量流量计提供了连续稳定的输送压力。同时，液体质量流量计与耦合电磁阀联锁控制实现液体流量的精准控制，为蒸汽发生器提供精确的流量。

(2)本实用新型蒸汽发生系统集耐压水箱、液体质量流量计、空气蒸发器与多个功能阀门、仪表等进行实时控制和监测，实现了水源供应至空气蒸发器最后至下一单元过程的中连续稳定运行、同时也实现了高精度流量的控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为该基于soec的蒸汽发生系统的整体结构示意图。

其中，各附图标记分别代表：1蓄水箱；2磁力泵；3电磁调节阀a；4耐压水箱；5液体质量流量计；6耦合电磁阀；7止回阀；8蒸汽发生器；9电磁切断阀b；10电磁切断阀a；11电磁调节阀b；12自动排气阀；13安全阀；14用汽单元；15蜂鸣器；16注水口；17压力表p1；18压力表p2；19温度表t2；20温度表t1；21手阀a；22手阀b；23液位计l1。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。

如图1所示，该基于soec的蒸汽发生系统主要由plc控制系统及示意图中各仪表、阀门、流量计、辅助设备组成。包括蓄水箱1、磁力泵2、耐压水箱4、液体质量流量计5和蒸汽发生器8；蓄水箱1、磁力泵2、耐压水箱4、液体质量流量计5和蒸汽发生器8通过管道依次连接；蒸汽发生器8的蒸汽出口与蒸汽输送管道连接，将产生的蒸汽送至后续的用汽单元14中；磁力泵2与耐压水箱4之间，设有用于调节流量的电磁调节阀a3；液体质量流量计5和蒸汽发生器8之间，设有用于调节流量的耦合电磁阀6；蒸汽输送管道分别与用汽单元14和排空管道连接，且连接处分别设有用于管道开合的电磁切断阀a10和电磁切断阀b9。

其中，耐压水箱4、蒸汽发生器8的顶部分别通过排气管道回连至蓄水箱1内，且排气管道上分别对应设置有自动排气阀12和安全阀13。磁力泵2与电磁调节阀a3之间，通过一循环管道回连至蓄水箱1内，且该循环管道上设有用于调节流量的电磁调节阀b11。蓄水箱1的底部设有排水口，其通过手阀a21与排空管道连接，通过排空管道将蓄水箱1内的水排空；所述排空管道出水口处设有手阀b22。耦合电磁阀6与蒸汽发生器8之间，设有止回阀7。蓄水箱1上设有用于监测蓄水箱内水位的液位计l123；所述耐压水箱4上设有用于监测耐压水箱内压力的压力表p117；所述蒸汽发生器8上设有用于监测蒸汽发生器8内温度的温度表t120。蒸汽输送管道上设有压力表p218和温度表t219。plc控制系统(6es7288)的插脚分别信号连接液位计l1(rlt-1000)23、磁力泵(hpp/hpf100)2、电磁调节阀b(zq-16p-dn10*3)11、电磁调节阀a(zq-16p-dn10)3、压力表p1(bst6600-20bb)17、液体质量流量计(m13-aad-22-k-s)5、耦合电磁阀6、温度表t1(t32/tif50s)20、压力表p2(eja530e-jbs9n-012en/nf2)18、温度表t2(t32/tif50s)19、电磁切断阀a(zsb311-16p-g-dn10)10和电磁切断阀b(zsb311-16p-g-dn10)9，以及蜂鸣器(0905无源12v)15。

该蒸汽发生系统的运行流程为：蓄水箱中的水通过磁力泵输送至耐压水箱，耐压水箱经液体质量流量计与耦合电磁阀联锁控制后输送至蒸汽发生器，最后蒸汽发生器产生的蒸汽输送至下一用汽单元(soec电堆系统)。蒸汽发生器出口至下一用汽单元的蒸汽输送管路上安装有压力表p2、温度表t2及电磁切断阀；耐压水箱出口管线设置自动排气阀与蓄水箱形成回路，蒸汽发生器与蓄水箱之间设有安全阀，plc系统对各阀门、仪表及设备进行指令控制。

蓄水箱的作用为供水源，磁力泵提供输送动力，电磁调节阀a控制供水量，耐压水箱与自动排气阀的配合使用，其优点是避免磁力泵在启动或异常时产生的气泡夹带对供液压力产生影响，并为后面的液体质量流量计提供连续稳定的输送压力。液体质量流量计与耦合电磁阀联锁，经plc系统控制，可为蒸汽发生器提供精准的液体流量，使其单位时间内产生的蒸汽量在可控的范围内。蒸汽发生器回至蓄水箱中的管路上设有安全阀同样保证了其发生异常时及时泄放蒸汽，保证蒸汽出口压力始终在控制范围内。在蒸汽发生器的出口至用汽单元(soec电堆系统)管线上安装压力表p2、温度表t2及电磁切断阀，起到对输送蒸汽的最终监测及响应的目的。plc控制系统中装有蜂鸣器，当系统出现异常模式会发出警鸣提醒。以上阀门、仪表及设备均由plc控制程序指令按照本实用新型的控制方法监测、响应及运行。其控制系统中采用的具体控制方法包括以下步骤：

1、前置设置：

首先系统送电、蓄水箱通过注水口16注水、系统开机，纯水输送磁力泵，设定工艺参数后plc控制系统自动检测控制点位，蒸汽出口管道电伴热打开。

2、开机模式：

步骤1：l1液位计检查蓄水箱液位反馈plc控制系统，plc判定液位是否正常，异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，正常则进入步骤2。

步骤2：plc发出电动调节阀a、电动调节阀b启动信号，电动调节阀a及电动调节阀b执行动作，启动异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口；正常则进入步骤3。

步骤3：plc发出磁力泵启动信号，磁力泵执行动作，反馈信号异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口，正常则自动排气阀自动控制排气，plc控制系统进入步骤4。

步骤4：plc输出压力检查信号，耐压水箱压力p2执行，反馈信号，plc控制判定压力，压力异常则plc发出信号，调整电动调节阀a、电动调节阀b开度。压力正常进入步骤5。

步骤5：plc输出液体质量流量计启动、耦合电磁阀启动、电磁切断阀b打开信号，液体质量流量计、耦合电磁阀及电磁切断阀b执行动作，反馈信号异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口，正常进入步骤6。

步骤6：plc发出蒸汽发生器启动信号，蒸汽发生器执行动作，反馈信号异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口，正常进入步骤7。

步骤7：plc发出t1温度检测采集信号，蒸汽发生器温度t1检测，反馈信号异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口，正常则进入步骤8。

步骤8：plc发出蒸汽出口压力p2检测、温度t2检测信号，p2及t2执行动作，反馈信号，此时plc接收信号判定。若判定结果为p2、t2满足条件时，则进入步骤9；若判定结果为p2满足条件t2不满足条件或t2满足条件p2不满足条件时系统将延迟响应，此时t2、p2将被继续监测，监测结果若p2、t2满足条件，则进入步骤9，若p2、t2仍不满足条件，则plc发出提高蒸汽发生器温度信号，此时蒸汽发生器将执行升温动作。

步骤9：plc发出具备正常输送蒸汽条件，请求终端控制系统是否执行输送蒸汽，若不执行输送蒸汽则维持现状，等待指令；若执行输送蒸汽则plc发出电磁切断阀a启动，电磁切断阀b关闭信号，电磁切断阀执行动作，反馈信号异常则plc发出信号，蜂鸣器报警，显示屏弹出异常窗口，正常则plc控制系统提醒蒸汽发生单元正常运行。

3、正常运行模式：

正常运行模式中有8个步骤需要监测，步骤1：监测蓄水箱液位；步骤2：监测耐压水箱压力；步骤3：监测蒸汽发生器温度；步骤4：监测蒸汽发生器出口压力；步骤5：监测蒸汽发生器出口温度；步骤6：监测压力表p2、温度表t2变化，plc控制系统自动微调蒸汽发生器控温系统；步骤7：监测压力表p1变化，plc控制系统自动微调电磁调节阀a与电磁调节阀b开度；步骤8：根据监测l1变化，plc控制系统发出报警蜂鸣声，提醒注水。

4、失效模式：

l1液位计异常：

(1)液位计突然无液位显示时，plc控制自动发出蜂鸣声，控制屏弹出对话框，确认系统是否继续运行确认，若继续运行则人工排查处理异常点；若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式1。

(2)液位计液体大幅度波动时，plc控制自动发出蜂鸣声，plc监控耐压水箱压力p1确认，若未超出压力控制范围，则人工检查液位计l1有无异常，特护运行；若超出压力控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行则处理异常，特护运行。若停止运行plc控制系统执行紧急停机模式1。

电动调节阀4异常：

(1)调节阀未执行动作或未收到信号，plc控制自动发出蜂鸣声，plc监控耐压水箱压力p1，若未超出压力控制范围，则特护运行；若超出压力控制范围，控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行则处理异常，特护运行，若停止运行则plc控制系统执行紧急停机模式1。

(2)调节阀突然关闭，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式1。

电动调节阀1异常：

(1)调节阀未执行动作或未收到信号，plc控制自动发出蜂鸣声，plc监控耐压水箱压力p1，未超出压力控制范围，则特护运行；若超出压力控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式1。

(2)调节阀突然关闭，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式2。

耐压水箱p1异常：

(1)压力计突然无压力显示，plc控制系统自动发出蜂鸣声，液体质量流量计1流量变化检测，未超出流量控制范围，则处理异常点，特护运行；若超出流量控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式2。

(2)压力计大幅度波动，plc控制系统自动发出蜂鸣声，液体质量流量计1流量变化检测，若未超出压力控制范围，则处理异常点，特护运行；若超出流量控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式2。

磁力泵异常：磁力泵突然停止运行，此时plc控制系统执行紧急停机模式1。

液体质量流量剂控制异常：

(1)突然无流量显示，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控p1压力变化，若未超出压力控制范围，则处理异常点，特护运行；若超出压力控制范围(低于)，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式1。

(2)流量波动超出控制范围，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控压力p1变化，若超出压力控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，处理异常，特护运行。若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式1；若未超出压力控制范围，则监控蒸汽发生器出口压力p2或蒸汽发生器出口温度t2变化，若蒸汽发生器出口压力p2或蒸汽发生器出口温度t2超出控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式1。

蒸汽发生器异常：

(1)t1温度突然不显示，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控蒸汽发生器出口压力p2及蒸汽发生器出口温度t2变化，若未超出控制范围则处理异常点，特护运行。若超出控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行，则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式3。

(2)t1温度突然超出控制范围，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控蒸汽发生器出口压力p2及蒸汽发生器出口温度t2变化，若未超出控制范围，则处理异常点，特护运行；若超出控制范围，则控制屏弹出对话框，人工判定是否继续运行，若继续运行则处理异常，特护运行，若停止运行，则plc控制系统执行紧急停机模式3。

蒸汽出口温度t2异常：t2温度突然不显示或t2温度突然超出控制范围，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控蒸汽发生器温度t1、液体质量流量控制1流量及蒸汽发生器出口压力p2三项数据，若plc判定三者数据均在控制范围之内，则处理异常点，特护运行；若三项中至少有一项不在控制范围内，则plc控制系统执行紧急停机模式3。

蒸汽出口压力p2异常：p2温度突然不显示或p2温度突然超出控制范围，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc监控蒸汽发生器温度t1、液体质量流量控制1流量、蒸汽发生器出口温度t2三项数据，若plc判定三者数据均在控制范围之内，则处理异常点，特护运行；若三项中至少有一项不在控制范围内，则plc控制系统执行紧急停机模式3。

蒸汽出口电磁切断阀a异常：若电磁切断阀未执行动作、未收到信号或突然关闭，plc控制自动发出蜂鸣声，则plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式4；若电磁切断阀a突然打开，plc控制系统自动发出蜂鸣声，plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式5。

蒸汽出口电磁切断阀b异常：若切断阀未执行动作、未收到信号或切断阀突然关闭，plc控制自动发出蜂鸣声，则plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式5；若电磁切断阀b突然打开，plc控制系统自动发出蜂鸣声，则plc延迟一定时间后，执行紧急停机模式4。

5、停机模式：

停机模式中共有5种紧急停机模式和1种正常停机模式，这6种停机模式中都包含了plc发出停供蒸汽，请求终端控制系统是否执行的设置，因此在以下每种模式示例中不在重复描述。

紧急停机模式1：plc自动发出指令，磁力泵停运、电动调节阀b全开、电动调节阀a全开、蒸汽发生器停运、电磁切断阀b打开、电磁切断阀a关闭。

紧急停机模式2：plc自动发出指令，电动调节阀b全开、蒸汽发生器停运、电磁切断阀b打开、电磁切断阀a关闭。

紧急停机模式3：plc自动发出指令，电动调节阀b全开、蒸汽发生器停运、电磁切断阀b打开、电磁切断阀a关闭、电磁调节阀a关闭。

紧急停机模式4：plc自动发出指令，电动调节阀b全开、蒸汽发生器停运、电磁切断阀b打开、电磁调节阀a关闭。

紧急停机模式5：plc自动发出指令，电动调节阀b全开、蒸汽发生器停运、电磁调节阀a关闭、蒸汽发生器内部压力达到安全阀起跳压力时，起跳泄压。

正常停机模式：plc自动发出指令，蒸汽发生器停运、电磁切断阀a关闭、电磁切断阀b打开，此时蒸汽发生器温度t1降至设定值时，磁力泵停，电动调节阀a关闭、电动调节阀b关闭。

本实用新型提供了一种基于soec的蒸汽发生系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。