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1、TELYDYNE TITANTM HMXT发生器系列氢氧气体系统操作和维护手册 美国德立台公司翻译：北京中电丰业技术开发有限公司 姚奇峰北京中电丰业技术开发有限公司2010年11月目 录第一节 系统说明 6 1 引言 62 电解液 63 电解槽 74 电解液子系统 7（1）KOH泵 7（2）KOH贮罐 7（3）换热器 7（4）KOH过滤器 7（5）流量开关 7（6）KOH温度传感器 8（7）KOH液位计 85给水子系统 8 （1）给水 8（2）给水水质监测器 8（3）给水泵 8（4）给水控制 86 气体控制和调节子系统 9（1）压力变送器 9（2）产气速率 9（3）预压 9（4）备用 9（5）
2、卸压 10（6）背压调节器 10（7）差压控制系统 10（8）安全阀 10（9）排空阀 10（10）冷凝器和捕集器 10（11）氮气吹扫 107 氢气干燥 11（1）干燥器 11（2）干燥器阀 118 冷却水及冷凝器冷却水子系统 11（1）温度调节阀 11（2）冷凝器冷却水的控制 129 系统安全 12（1）氧中氢监测器 12（2）氢气测报仪 12（3）停车报警 1210 电力和过程控制子系统 13（1）DC电源 13（2）可编程控制器 13（3）过程控制及程序 14（4）干燥器程序 1511 数据显示和过程监控 15（1）触摸屏显示 15第二节 发生器安装 171 系统类别 172 存放2
3、发生器安装 173 装置连接 18 （1）给水 20 （2）冷却水 20 （3）冷凝器冷却水 20 （4）氢和氧排空 20 （5）产品气输送 20 （6）电源 20 （7）氮气吹洗 204电源接电 215 外部报警连接 21第三节 发生器运行 221 前言 222 初次起动 223 起动模式 224 运行模式 225 备用模式 236 常规操作 237 卸压 248 停车 249紧急停车开关 25第四节 维护和校准程序 261 前言 262 电解液 27（1）电解液混和 28（2）电解液注入 30（3）电解液检查 30（4）电解液排污 323 电解槽检查 33（1）外观检查 33（2）内部检查
4、 33（3）再紧程序 344 穿透泄漏检查 345 KOH过滤器更换 346 给水过滤器更换 377 KOH泵检查 398 阀门和调节器的维护和校准 41（1）电磁阀 41（2）背压调节器 44（3）差压调节器 46（4）止回阀和安全阀 469 氧中氢监测器的维护及校准 48（1）流量控制器 48（2）过滤器罐 50（3）温度传感器 5010 系统试压 5011 压力变送器的校准检查 5012 KOH流量开关检查 5113给水泵注水及清洗 5314 给水监测器检查 53 15 干燥器维护 53 （1）孔板维护 55 （2）止回阀维护 55 （3）分子筛更换 57 （4）气体过滤器更换 5716
5、 温度调节阀检查 57 第五节 排除故障指南 58第六节 HMXT零部件清单 62第七节 附加仪表 661 仪表描述 66（1）引言 66（2）可燃气体测报仪 66（3）湿度仪 66（4）微氧仪 662 安装（1）接线 663操作 66（1） 前言 66（2） 仪表数据屏 67（3） 仪表的操作67（3.1）可燃气体测报仪 67（3.2）湿度仪 67（3.2）微氧仪 67第八节 附录 68插图清单图4-1 KOH过滤器 36图4-2 给水过滤器 38图4-3 KOH泵 40图4-4 常闭电磁阀 42图4-5冷凝器冷却水电磁阀 43图4-6 背压调节器 45图4-7 安全阀组件 47图4-8流量
6、控制器 49图4-9流量开关 52图4-10干燥器吹扫控制组件 54 图4-11干燥器止回阀 56表格清单表2-1HMXTX发生器输入要求 19表3-1电解槽电压 23表3-2系统停车 25第一节 系统说明1 引言HMXT系统的基本配置由两件设备组成，即氢气发生器和电源。氢气发生器内包含有维持电解过程所需的所有的机械构件及配管。系统的控制及仪表功能均位于发生器内。控制面板上显示出有效地操作该系统的工艺条件和必要的数据。HMXT发生器设计在美电气规程（NEC）的类1区 2场所运行。该电源含有把输入的交流电转化成电解所需的直流电的装置。此电源供装在一个分开的无类别的区域。操作该系统需要的输入有高纯
7、水和电解电力、最初吹扫用氮和除去废热的冷却水。利用这些输入，系统就将给出147Psig（10.2kg/cm2）的氢气和120Psig（8.3kg/cm2）的氧气。整个发生器装置必须包括给水、氮气、冷却水、电力、输气配管和分开排放氢、氧的配管供应。本系统设计成全自动操作。当操作始于减压系统时，自动起动程序给系统引入操作参数。产气速率直接相应于用户的需求量直至发生器的最大出力。若无须输气，系统会滞留在最小产出并气体可立即输出的压力下。所有重要的操作参数均被连续监控。万一系统内的条件偏离了许可范围，就会发生系统停车。如果停车，系统就会吹扫和减压。本系统设计成一个安全可靠的运行系统，然而制定和实施定期
8、维护对维持系统的可靠性是很重要的，日常维护包括部件的检查/调整，电解液的检查/更换，以及控制器/仪表的标定。在部件出故障的情况时，系统的显示器在确定系统停车原因和故障点的范围方面会提供有用的信息。随后的系统描述用了参考了单个部件的字母编码，这些参考可在本手册原理部分的管路图和接线图的部件标记中找到。建议读者参照这些图以帮助理解HMXT系统。每个部件自身的位置表示在第6节的部件分解图中。2 电解液电解纯水是无效的，因为纯水具有一个低的电离常数和较高的电阻。碱水电解使用强碱水溶液以给出丰富的氢氧根离子（OH-）以把电极间的电阻减至最小。当加上一电压后，直流电会流经电极，在每个电极上都发生了各自的半
9、电池电化学反应，在正极上：4OH O2+2H2O+4e-在负极上：4H2O+4e 2H2+4OH-总反应是：2H2O 2H2 +O2此反应的速率与流经电极间的电量是成正比例的。HMXT系统使用的电解液，通常指KOH，为25%重量百分浓度的KOH水溶液，相应的比重是1.236（20）。这种电解液腐蚀性很强，因此全系统的配管和部件均需要特殊的材质。当处理KOH时，适当的防备措施应当遵循。此溶液是有危险的，会严重的灼伤眼睛和皮肤。3 电解槽 HMXT系统的心脏是电解槽。在电解槽内发生了水被分解成为它的元素成分这样一个基本的过程。HMXT电解槽从外观看会误认为是很简单的，但内在的制作工艺却是很复杂的。
10、其构件需要严密的公差，装拆时需要用专用的设备和工具。电解槽包含有一系列单个电解小室，氢、氧是在独立的电极表面产生的。每个电室均含有一个氢电极及流动网、一张隔膜及一个氧电极及流动网。每个电室的两电极是由一个浸透了电解液的多孔的纸型材质分隔开来的。当湿润的纸型材质成了一个气密的膜时，它能阻止生成的气体重新结合。电解槽内的薄电室是用双极性的极板串联的。所有电室通过围绕着端压板圆周均布的8根螺杆将它们压在两个或三个（依据型号）大的端压板之间。这种结构通常称之为双极性、压滤型结构，最终成为一紧凑且高效的电解槽。4 电解液子系统电解液连续地在一封闭的配管回路中进行循环。此回路包括贮罐、过滤器、循环泵、换热
11、器、流量开关、温度传感器及电解槽本体。电解液经此回路的循环能为电解槽各室不断地供水同时又能除去电解过程生成的废热。每个电室内生成的氢、氧随电解液带出，而后在各自的贮罐内分离。此电解液在换热器中冷却，固体物在过滤器中被除去。流量开关和温度传感器提供了监测到的电解液流量和温度。当电解液流量过低或电解液温度过高，其结果都会导致系统停车。（1）KOH泵电解液是通过磁力离心泵来循环的。离心设计允许泵连续地长时期运行，泵电机与泵叶轮之间由于使用了磁性结合，消除了泵轴的转动密封，从而给出了无泄漏操作。除了轴承表面外，泵的所有浸湿件都是不锈钢。围着陶瓷轴转动的叶轮轴承是石墨和热塑性塑料化合物。建议定期检查这些
12、轴承表面状况应作为日常维护日程的一部分。依据电解槽的规格大小和电解液过滤器的状况， KOH流量通常在8-11gpm（30-42L/min）之间。（2）KOH贮罐本贮罐为一个不锈钢压力容器，它为电解液回路管内的KOH提供了一个贮存空间。贮罐的顶、底部担供了一个三钳位接头。系统经顶部的三钳位接头注入电解液，而底部的接头提供了通入贮罐中的过滤器。本贮罐设置在KOH泵的上游，这样为泵的起动提供了必要的条件。从电解槽 返回的产的气和从电解液在此容积内分离。电解消耗水也加到此贮罐中。（3）换热器本换热器是一个标准板式不锈钢构件。除热速度是控制的，以维持进入电解槽的电解液温度是恒定的，它是通过改变冷却水量来
13、实现的。冷却水量是由比例阀（MV1）来控制的。（4）KOH过滤器电解液过滤器位于KOH贮罐底部。过滤元件是一个不锈钢管壳。该管壳能除去小至100微米大小的所有颗粒。保持电解液子系统无颗粒状物对电解槽来说特别重要，因为这些固体颗粒能沉积到带电表面上并阻塞复杂的流道。定期的清洗或更换滤筒是维护日程的一部分。（5）流量开关 为了防止各个电室内的纸型隔膜材料变干及电解槽过热，必须维持适量的电解液流入电解槽。流量开关（FS1）和（FS2）是一个转动的叶轮装置，流体流经该装置时便会转动。当流量降至低于能驱动叶轮的最小量时，磁性开关便会动作，系统便会因流量低而停车。（6）KOH温度传感器三个铁-康斯坦丁热电
14、偶（TC1, TC2和TC3）用以检测流体回路中电解液的温度，热电偶TC1监测离开电解液换热器进入电解槽之前的KOH的温度，该温度通过改变进入到换热器中的冷却水量用来控制除热速度的。TC2和TC3热电偶监测离开电解槽的KOH温度以防止电解槽发生过热。如果此温超过了设定的最大值，则系统就会停车。（7）KOH液位计监测氧KOH贮罐内的液位就控制了系统中电解液的容量。当系统消耗水后,液位变送器监测到的电解液位就会下降。变送器读出的是实际液位，在低和高的两设定点会有动作。低液位设定点控制给水补入到贮罐中，当液位变送器达到低位设定点时，PLC传出了一个补水信号。给水的补入是通过运转补水泵15秒，直到液位
15、变送器满意。不管什么原因，如果KOH液位不能在120秒（8个时段）内重新建立起来，系统就会在低液位停车。还有一个高液位设定点，当液位变送器显示出高液位的状况时，系统就会停车以防溢出该贮罐。5 给水子系统 给水子系统输送电解所需的高纯水到KOH贮罐的电解液中。本系统含有一个给水水质监测器、一个高压泵和控制用的开关/阀门。（1）给水本HMXT系统在产氢量200SLM（12m3/h）下大约消耗3gph（11L/h）水，在其它产气速率下，其耗水率是成正比例的。给水应符合ASTM规范D1193-72中类水。这种水可用蒸馏、离子交换、反渗透或电渗析法来制得。最小许可的电阻率是200K-cm（25）。使用劣
16、质水可能导致电槽内形成沉淀，严重时，会引起电解槽失效。（2）给水水质监测器 水质电阻监测器用以监测给水水质。流体探头装在给水入口内的一个塑料三通内。该探头有一个4-20mA的摸拟输出，此输出与给水的电阻成正比的。电阻报警设定点是200 K-cm，如电阻率掉到设定点之下，系统就会停下。（3）给水泵 本给水泵（PMP-1102）是一个容积式旋转叶轮泵。它能打入到贮罐内通常的147psig（10Kg/cm2）。从接近大气状态到147psig（10。2Kg/cm2）泵的排量约是15GPH（1.0L/min）。此泵无须任何日常维护。内轴承、叶轮和轴瓦都是碳石墨材料制成的。其余湿润件为不锈钢。注意，如果干
17、磨超过30秒，那么泵的内构件会是很危险的。（4）给水控制液位变送器触发了给水子系统部件的自动控制。当液位降至低液位设定点时，电磁阀SV1就会打开，给水泵开始运行，给水补入仅是一个很短的时段。位于系统控制面板上的一按钮能用于手动操纵给水泵，在手动给水泵动作期间，给水阀SV1不能打开。手动操作此泵仅提供给泵注水或冲洗给水水质探头。6 气体控制和调节子系统位于氢发生器上半部的大多设备与控制和调节工艺产品气有关。气体控制设定在额定系统压力147psig（10.2Kg/cm2）下产氢和氧。压力控制和监测包括维持系统压力在额定的压力范围内,如果压力偏离出额定范围,就会停下系统。在需氢量超出系统出力的情况下
18、，背压调节阀会消除低压停车的可能性。从KOH贮罐出来的氢气和氧气均以饱和水汽的形式逸出。两种气体流经分离水的冷却冷凝器和湿气捕集器以除去大部分湿气。从捕集器出来的冷凝液直接返回到各自的KOH贮罐内。（1）压力变送器 要使HMXT系统自动运行，压力控制是至关重要的。压力变送器（PT1、PT2）连续地监测氢、氧两压力，从压力变送器来的4-20mA信号直接输入可编程控制器以达到全系统的压力控制。两个独立的压力变送器（PT3，PT4）用于干燥器工艺上。它们监测每个干燥器组件的出口氢压。（2）产气速率本HMXT发生器使用一个单独的DC电源以提供电解电力。该电源用于本发生器相匹配的电解槽（可用于3种规格）
19、提供专用技术要求。发生器的可编程控制器通过到电源控制板上的一个信号来控制到电解槽上的DC电流输出。HMXT的可编程控制器已经编制好了程序，即通过改变电解产气速率来维持恒定的额定系统氢压。在氢需量为发生器最大出力的20-100%（50-400A）时，输入电解槽的电流也成比例地改变，这样在产气率与需量是相匹配的同时，维持了额定的系统压力。当需量大于100%时，发生器以最大的速率生产，此时系统的压力允许掉至背压调节器（BPR2）的设定点。在需量小于20%时，发生器会通过一背压调节器（BPR3）排放出多余的氢气，同时维持了系统的压力。RV2的作用如同系统安全阀，它设定高于180psig时排放系统压力。
20、除压力控制外，产气速率可被电解液温度限定。当电解液温度低于许可的操作温度（55）时，限定了最大的产气率。此限定值正比于测得的电解液温度与许可的操作温度之间的差值。（3）预压 当HMXT系统在没有氢余压情况下初次起动时，就需要一个预压周期。本系统用氮气预压至10psig（0.7Kg/cm2），然后系统减压至5 psig（0.35Kg/cm2），在氢开始生产前，回至10 psig（0.7Kg/cm2）的增量两次。（4）备用 HMXT发生器已设计成常规操作时，不管是否要氢总是保压的。额定的系统氢压，设备已设定为150psig（10.2kg/cm2）。如果不需要气（关上系统的输气管线），系统的内压会开
21、始上升至额定压力之上，当压力达到160psig,过量氢就会排空。当不需产氢时，系统会运行在50A这一最小的产气速率下。当系统内压降至额定压力之下，重新开始产气。（5）卸压 配置的一个卸压按钮允许操作者给系统减压，按下此钮，系统停车并开始氮气吹扫，通过排气阀控制卸压，在若干项自动停车期间，也是要卸压的。（6）背压调节器系统内设有3个背压调节器，它们用于系统压力的高低限位控制。背压调节器BPR1设定维持系统压力约140 psig（9。8kg/cm2），它低于额定系统氢压（150 psig），这就防止了一个氢干燥器充气故障时危及电解槽。倘若系统切换到一个空的干燥器上，BPR1会防止电解槽上出现反向压
22、差。背压调节器BPR2设定维持系统压力低于额定的系统氢压大约145psig（10.15kg/cm2），此压低于额定的系统氢压。这就防止了需氢量大于HMXT系统最大出力时系统压力损失。背压调节器BPR3设定维持系统压力约160 psig（11.2kg/cm2）,此压高于额定系统氢压。当需氢量小于HMXT系统最小的出力时允许系统排空。（7）差压控制系统设计的差压控制系统维持了在等压下产气（极限设定在10吋水柱差），本系统由一个差压变送器，两个差压控制阀，一个排放氢，另一个排放氧所组成。此两阀有电子起动器，它是由可编程控制器控制的。系统氢、氧两侧的差压是由差压变送器连续检测的。此变送器送信号到可编程
23、控制器，可变程控制器比较此值与接近0吋水柱的控制设定值。如果氢侧差压太高，此可编程控制器会输出一信号给氢控制阀以放掉一些氢气，在系统的氧侧也一样。（8）安全阀氢输出配管上的安全阀（RV1）针对系统超压时提供一备用的安全装置，在干燥器输气管路上的第二个安全阀（RV2）用于在干燥器超压时提供一个安全装置。两个安全阀均设定在170psig（12Kg/cm2）时开启。（9）排空阀电磁阀SV2是发生器卸压时的系统排空阀。该排空阀把氢卸至到氢排空管中。在若干项系统停车期间，SV2会自动开启或按下系统控制面板上的卸压按钮手动开启。在排空期间，阀门脉动给出一个缓慢地，受控的卸压，避免了剧烈的压力波动和可能的液
24、体流失。（10）冷凝器和捕集器产品气的调节从冷凝器开始。氢、氧冷凝器都是板式换热器。冷却水需量约为1GPM（4L/min）。冷却后的气体以接近冷却水温的温度离开此冷凝器，冷凝液引入到捕集器，捕集器的容积使得气和冷凝液分离，捕集器来的冷凝液直接返回到它们各自的贮罐中。冷凝器的效率直接取决于冷却水的温度，本HMXT为冷凝器配置了一单独的冷却水回路。用少量的冷冻水源来冷却冷凝器确保了冷凝的高速率并输出高纯度的产品气。（11）氮气吹扫HMXT发生器包含起动和卸压时用氮吹扫气路的方案。前压力调节器（FPRI）把设备的氮压输入减压至约100psig。电磁阀（SV6）把氮气分配到发生器的氢、氧两侧的管路中。
25、止回阀（CV3、CV4 和CV5、CV6）的作用是防止发生器产气时产品气倒流至氮气分配管路中。7 氢气干燥 干燥器包含有输出氢的进一步调节。此干燥工艺采用分子筛小球从氢中除去水汽。此干燥器能够把气体干燥至大气（atmosphere）露点低于-73（-100F），相对应的体积浓度小于1PPM。在此吸收过程之后，分子筛小球采用热循环程序自动再生。（1）干燥器HMXT干燥器系统包含一对内部装好的调节氢的干燥器。两干燥器经12小时吸附和解吸周期后自动切换。吸附6小时后，在线干燥器切换到离线开始其6小时的再生过程。该干燥器卸压，干燥器内的电阻加热器加热分子筛小球以释放出吸附的水汽。少量的吹扫产品气用以经
26、排气管驱赶水汽。吹扫气流是由位于干燥器之间的孔板（OR1）来控制的。在解吸后，断开加热元件，在返回到在线之前要让干燥器冷下来。 氢干燥器内还装含有少量的催化剂，它能再次化合极少量的氧和氢，重新结合的产物是吸附在干燥器小球上的水。 （2）干燥器阀干燥器阀组件（MV2）是一个四通球阀。此阀把产品氢引到工作的干燥器去的同时，又把再生干燥器出来的吹扫氢引到气体排放管中。每隔六小时，其阀位切换一次，为产品气的调节和干燥器的吹扫排空选择相应的干燥器。已再生的干燥器返回到在线之前，必须加压至系统的操作压力。这样做为了防止经此系统时突然间的压力瞬变。电磁阀（SV4）控制了吹扫氢的排放。在此干燥器切换把再生干燥器带入系统压力之前，此阀是自动地关闭的。干燥器系统包括一个系统卸压期间排放干燥器的电磁阀（SV5）。止回阀（CV7、CV8）是用以分隔产品气和随后干燥过程的吹扫气。一背压调节器（BPR2）是用于当氢需量大于HMXT系统最大出力时防止损失干燥器压力的。8 冷却水和冷凝器冷却水子系统需要冷却电解液的冷却水和需要冷却冷凝器的水，在各自的管路回路中流着。这种安排使操作者能用经济的方法来冷却大部分热负荷,如果需要仅用少量的冷冻水源来冷却冷凝器。如果期望达到最大的冷凝器效率和最大的指定产品气的纯度，冷凝器冷却可能必需要冷冻水了。如果产品气并不需要最小的湿含量，冷凝器冷却用冷却水源也是许可的。
