碱性水电解制氢系统构成与运行原理
该系统主要由碱液循环单元、氢气处理单元、氧气处理单元、原料水供给单元、冷却水循环单元、氮气吹扫与密封单元、电解副产物处理单元、排污单元、整流电源以及自动控制系统等部分组成。各子系统协同配合，共同实现安全、稳定、高效的氢气制备。
一、碱液循环单元
该单元承担多项关键功能：
1. 将电解过程中产生的氢气、氧气以及反应热带离电解槽；
2. 向电解槽补充原料水，维持液位与浓度稳定；
3. 通过对电解区域进行流体搅动，减少浓差极化现象，降低电能消耗；
4. 减少碱液中的气体滞留，有助于降低单槽电压，提高能效。
碱液循环量直接影响槽电压与气体纯度。每套电解槽均存在一个适宜循环量，通常以每小时完成2–4次槽内液体更换为标准。碱液在氢、氧分离器中依靠重力实现气液分离，汇总后经碱液泵输送至过滤器，去除机械杂质后重新注入电解槽，形成完整的循环回路。
二、氢气处理单元
氢气在电解槽阴极侧生成后，随碱液进入氢分离器进行气液分离。分离后的氢气进入氢洗涤冷却器，经冷却、洗涤及除沫处理后，通过氢中氧分析仪进行实时监测。若气体不达标，则经三通阀与阻火器排空；合格氢气则进入缓冲罐，后续输送至纯化单元作进一步处理。
三、氧气处理单元
氧气作为电解过程的副产物，具有一定的综合利用价值。该单元在结构与运行方面与氢气系统高度对称，系统的工作压力与温度通常以氧侧作为监测基准。氧气自电解槽输出后，依次流经氧分离器、氧综合塔、冷却器及汽水分离器，最终通过气动调节阀控制排放。如用户无氧气回收需求，排空阀将保持常开状态。
四、原料水供给单元
纯水是电解制氢的唯一消耗性原料。为弥补气体带出的水分及电解消耗，需持续向系统补充纯水，以维持电解液浓度与液位的稳定。补水可单独从氢侧或同时从氢、氧两侧注入。原料水经洗涤器溢流至分离器，可有效稀释碱液、降低气体中的碱含量。补水管道上设有止回阀，防止泵停时气体或碱液倒流。
五、冷却水循环单元
电解过程总体为放热反应，需借助冷却水排出多余热量，以维持反应区温度在合理范围内。较高的温度有利于降低电耗，但过高则会损坏电解槽隔膜。本系统要求工作温度不超过90℃。冷却水分为三路：
– 一路经气动调节阀进入碱液换热器，控制电解温度在85±5℃；
– 另一路进入气体洗涤器，确保出口气体温度不高于40℃；
– 第三路向整流柜提供冷却，保障其正常运行。
水质不良易导致管路结垢或堵塞，需特别注意。
六、氮气吹扫与密封单元
系统在启动前需进行气密性测试，并通过氮气吹扫清除气相管道与设备中的空气，确保氢、氧两侧气体浓度远离爆炸极限。氮气自氢、氧分离器之间的连通管中部注入，实现系统吹扫与气氛置换。
七、排污单元
系统设置多处排污点，包括：
1. 电解槽两端；
2. 碱液过滤器；
3. 氢气系统排水器；
4. 氧气系统排水器；
5. 原料水箱；
6. 碱液储箱。
定期排污有助于维持系统清洁与稳定运行。
八、整流电源单元
根据法拉第电解定律，氢气产量与输入电流成正比。通过调节整流柜输出的直流电大小，可实现对产氢量的精确控制。
九、自动控制系统
该系统涵盖以下核心控制子系统：
1. 压力控制
通过氧侧压力变送器采集信号，经PLC进行PID运算后，调节氧侧气动阀开度，维持系统压力稳定。
2. 液位与差压控制
– 氢分离器液位通过差压变送器监测，触发补水泵动作以维持液位；
– 氢、氧两侧压差通过分别监测气液压力，经PLC计算后调节氢气出口调节阀，保持压力平衡。
3. 温度控制
依据氧侧温度传感器信号，PLC通过反作用PID控制冷却水调节阀开度，使电解温度维持在设定范围内。
4. 产量调节
根据氢气储罐压力变化，自动调节整流柜输出电流，实现产氢量与用气需求的动态匹配。
系统所有运行参数及控制功能均可在工控界面进行实时监控与操作。
关键监测参数包括：
1. 原料纯水液位
2. 碱液储箱液位
3. 系统压力
4. 纯化单元氢气压力
5. 氢、氧分离器液位
6. 碱液温度
7. 氢、氧压差
8. 电解槽温度
9. 碱液循环流量
10. 电解槽出口氢气含氧量与氧气含氢量
11. 整流柜直流电流与电压
12. 外送氢气氧含量
13. 外送氢气露点温度
14. 储罐压力
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