QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備試驗(yàn)及在高寒環(huán)境下問(wèn)題解析

李艷

摘要 通過(guò)QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備在錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)開(kāi)展為期3個(gè)多月的業(yè)務(wù)化試驗(yàn)工作為基礎(chǔ)，在試驗(yàn)中，對(duì)氫氣產(chǎn)量的指標(biāo)要求、氫氣純度、泄漏率、達(dá)標(biāo)率、設(shè)備可靠度、故障率進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè)和分析，并對(duì)儀器設(shè)備在高寒環(huán)境中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，提出合理建議，為今后自動(dòng)水電解制氫業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 QDQ2-1A;自動(dòng)水電解制氫;試驗(yàn);高寒環(huán)境

中圖分類號(hào)：P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095–3305（2021）01–0161–02

常規(guī)高空氣象觀測(cè)是指氣球攜帶無(wú)線電探空儀，以自由升空方式對(duì)自地球表面到幾萬(wàn)米高度空間的大氣氣象要素（氣壓、溫度、濕度）和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（風(fēng)向、風(fēng)速）等的變化進(jìn)行觀測(cè)、收集、處理的活動(dòng)和工作過(guò)程，為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和國(guó)際交換，提供及時(shí)、準(zhǔn)確的高空氣象資料[1]。水電解制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法，在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。氫氣因?yàn)榫哂休^高的能量密度和清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種新型的燃料，在未來(lái)的可持續(xù)能源體系發(fā)展中具有非常好的應(yīng)用前景，電解水制氫具有更綠色清潔的優(yōu)點(diǎn)，水電解制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法之一。目前，我國(guó)120個(gè)探空站中約有90個(gè)探空站使用水電解方式制氫，QDQ2-1型制氫設(shè)備雖穩(wěn)定可靠，但自動(dòng)化程度低，亟需更新?lián)Q代以實(shí)現(xiàn)與氣象行業(yè)時(shí)代進(jìn)步的一致性。2019年9月QDQ2-1A型在錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)開(kāi)展業(yè)務(wù)化試驗(yàn)工作，為今后全國(guó)高空站配備自動(dòng)水電解制氫設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。

1 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備研制及建設(shè)過(guò)程

中船重工第七一八研究所根據(jù)中國(guó)氣象局要求，自2019年3月起研制QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備，7月底完成了樣機(jī)的研制并于8月完成定型，11月8日由上海物管處組織進(jìn)行了出廠靜態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足《全自動(dòng)水電解制氫設(shè)備氣象業(yè)務(wù)使用技術(shù)要求》。

上海物管處于2019年12月12—16日在錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)組織完成了QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備（方艙型）的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及驗(yàn)收工作。

2 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫水電解制氫設(shè)備試驗(yàn)情況

錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)于2020年1月1日—4月3日對(duì)QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備開(kāi)展了為期3個(gè)多月的業(yè)務(wù)化試驗(yàn)工作。試驗(yàn)期間，錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)成立了試驗(yàn)小組，設(shè)備嚴(yán)格按照《QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)》中的操作規(guī)程進(jìn)行操作，并由專人負(fù)責(zé)，嚴(yán)格落實(shí)責(zé)任制度，確保了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行順利，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)基本正常，各連接處密封情況良好，無(wú)漏氫漏液現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)要求，錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)每天開(kāi)機(jī)制氫2次，產(chǎn)生的氫氣用于每天探空氣球的施放，共累計(jì)試驗(yàn)180次，試驗(yàn)人員按要求將每次制氫情況填寫(xiě)在記錄表內(nèi)。對(duì)于試驗(yàn)中遇到的技術(shù)問(wèn)題，生產(chǎn)企業(yè)也能按要求做到及時(shí)響應(yīng)，解決問(wèn)題。

3 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫在高寒地區(qū)出現(xiàn)問(wèn)題

錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)現(xiàn)址（116°07′E，43°57′N，海拔高度1 004 m）位于錫林浩特市東郊，屬大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，最低氣溫達(dá)-37.7℃。實(shí)驗(yàn)期間，氫氣、氧氣放空管由于水蒸氣凝華導(dǎo)致管路堵塞，從而連鎖停機(jī)。值班員采用開(kāi)水澆融方艙頂部的氫、氧放空管的方法，臨時(shí)解決此問(wèn)題。錫林浩特冬季方艙頂部積雪覆蓋，在上面淋開(kāi)水很不安全，也違背設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行的初衷，建議廠家在艙內(nèi)安裝氫、氧放空干燥裝置，保障氣體為干燥氣體后排空。

過(guò)濾水裝置由于實(shí)驗(yàn)期低溫，過(guò)濾桶緊靠方艙壁，桶內(nèi)因結(jié)冰無(wú)法制取超純水，實(shí)驗(yàn)期值班員需要提水制氫，希望通過(guò)位置調(diào)整或保溫處理，提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。

2020年1月9日—2月7日，室外溫度最低降至-33.7℃，夜間艙內(nèi)溫度逼近0℃，為了保障設(shè)備安全運(yùn)行，我們?cè)黾恿艘慌_(tái)電暖氣輔助供熱。建議艙內(nèi)增加一部空調(diào)供熱。

4 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在180次試驗(yàn)中，氫氣產(chǎn)量均達(dá)到了2 m3/h的指標(biāo)要求;氫氣純度均達(dá)到了99.7%的指標(biāo)要求;24 h平均泄漏率不超過(guò)0.25%/h。氫氣產(chǎn)量的達(dá)標(biāo)率和氫氣純度的合格率都達(dá)到100%。試驗(yàn)期間設(shè)備的可靠度≥0.95，即故障率≤5%;設(shè)備的平均故障維修時(shí)間≤30 min（表1）。

5 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

（1）能夠在值班室上位機(jī)內(nèi)遠(yuǎn)程操作，以自動(dòng)控制方式，完成一鍵式制氫、氣體純度分析、儲(chǔ)罐充氫等工作。

（2）有參數(shù)超過(guò)報(bào)警值，設(shè)備應(yīng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警以提示值班人員，如果有參數(shù)超過(guò)連鎖值，設(shè)備應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)連鎖停機(jī)。

（3）可對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)顯示、存儲(chǔ)、查詢。

6 QDQ2-1A方艙型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備的安全性

制氫主機(jī)、控制裝置與儲(chǔ)氫裝置采取分室隔離方式，遠(yuǎn)程控制，人機(jī)分離。制氫主機(jī)設(shè)有壓力上限報(bào)警、上限聯(lián)鎖及壓力控制器硬聯(lián)鎖系統(tǒng);儲(chǔ)氫裝置設(shè)有壓力下限報(bào)警、上限報(bào)警、上限聯(lián)鎖及壓力控制器硬聯(lián)鎖系統(tǒng);氫、氧分離器液位設(shè)有下限報(bào)警、下限聯(lián)鎖及上限報(bào)警、上限聯(lián)鎖系統(tǒng);制氫室、儲(chǔ)氫室內(nèi)設(shè)有氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng);氫、氧分離器內(nèi)設(shè)有自勵(lì)式電解液外溢阻止裝置;氫氣出口設(shè)有阻火設(shè)施;各操作開(kāi)關(guān)具有防誤操作功能及特別標(biāo)識(shí);所有涉氫的電氣設(shè)備采取防爆措施。充球裝置具有漏氫自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)停止充氣的功能。制氫室、儲(chǔ)氫室安裝有視頻監(jiān)控，可實(shí)時(shí)觀看或者定時(shí)回看房間里影像。制氫方艙頂部布設(shè)防雷裝置，并有良好的接地性能，接地電阻不大于10 Ω，制氫主機(jī)、儲(chǔ)氫罐、控制裝置和充球裝置有良好的接地。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生安全生產(chǎn)事故，該設(shè)備沒(méi)有發(fā)生安全性故障，值班人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)使用中的安全隱患。氫氣是易燃易爆氣體，電解水制氫是十分嚴(yán)格謹(jǐn)慎的工作， 稍有麻痹大意就可能引發(fā)安全事故。韋肖林等學(xué)者對(duì)QDQ2-1型電解水制氫設(shè)備的使用、操作注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，QDQ2-1A型雖然安全性很高，制氫員還是要嚴(yán)格遵守制氫操作規(guī)程和安全制度，避免事故的發(fā)生[2]。

7 小結(jié)

此次QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備業(yè)務(wù)化試驗(yàn)過(guò)程符合《全自動(dòng)水電解制氫設(shè)備測(cè)試評(píng)估工作方案》中的要求;試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行正常，安全可靠;試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果滿足全自動(dòng)制氫設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)。

QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備提高了設(shè)備的性能，完全滿足氣象部門探空制氫業(yè)務(wù)使用的各項(xiàng)要求，為探空業(yè)務(wù)自動(dòng)化觀測(cè)工作提供強(qiáng)有力的保證[3]。解決QDQ2-1型水電解制氫設(shè)備常見(jiàn)故障，有助于完善并提升現(xiàn)有探測(cè)設(shè)備的探測(cè)能力，獲取準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)，優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)提供基礎(chǔ)，從而提升我國(guó)防御氣象災(zāi)害和應(yīng)對(duì)氣候變化的能力[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)氣象局.常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2010.

[2] 韋肖林，蘇娟.QDQ2-1A型電解水制氫設(shè)備安全操作要點(diǎn)[J].氣象研究與應(yīng)用，2012，33（S1）：226-227.

[3] 楊騰慧，黎潔波，韋玉潔.QDQ2-1A型自動(dòng)水電解制氫設(shè)備在南寧高空觀測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2020， 27（10）：95-96.

[4] 韋振華.QDQ2-1型水電解制氫設(shè)備常見(jiàn)故障分析及其維護(hù)[J].氣象研究與應(yīng)用，2012，33（S1）：215-216.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Test of QDQ2-1A Shelter Type Automatic Water Ele-

ctrolysis Hydrogen Pro-duction Equipment And Problem Analysis in Alpine Environment

LI Yan （Xilinhot National Climate Observatory，

Xilinhot， Inner Mongolia 026000）

Abstract Based on the more than three-month operation test of QDQ2-1A automatic water electrolysis hydrogen production equipment in Xilinhot National Climate Observatory， the index requirements of hydrogen production， hydrogen purity， leakage rate， standard rate， equipment reliability and failure rate were accurately observed and analyzed in the test. The problems of instruments and equipment in the alpine environment are summarized， and reasonable suggestions are put forward. It provided a scientific basis for the future operation of hydrogen production by automatic water electrolysis.

Key words QDQ2-1A; Hydrogen prod-

uction by automatic water electrolysis; Exper-

iment; Alpine environment