碱性水电解槽液位异常原因分析

碱性水电解槽制氢技术是目前大规模制氢正在使用的一种技术。随着可再生能源的应用，电力成本逐渐下降，技术成

熟度较高的碱性水电解槽将具有更广泛的应用价值。电解槽主体由槽体、框架（气液分离器、冷却器、冷干机、缓冲罐、气体纯化器、集液器、循环泵等）、整流柜、程控柜、配电柜、变压器等组成。

水电解设备需要进行液位测控的设备有气液分离器液位和集液器液位。电解生成的氢气、氧气会以电解液夹带气泡的形式被带入气液分离器，由于氢气、氧气均难溶于水，在分离器中碱液和气体凭借各自的重力和浮力进行分离。分离器内的存液既保证了正常电解液循环所需，也把氢气、氧气通过液封隔开。一旦液位过高、过低或偏差较大，很可能导致循环量不足或者氢氧混合，影响系统安全运行。为保证设备安全，气液分离器安装了压差式液位变送器和磁翻板液位计两种液位测量设备。通过压差液位变送器的液位数据控制分离器液位的平衡用于维持正常运行，并设置了相应的液位联锁值，保证数据超限即联锁；同时在磁翻板液位计相应的限值高度也安装了磁感应式的液位开关，确保磁翻板液位计的磁浮子到达相应的高度时就会触发液位开关致系统联锁。其联锁逻辑原理是优先以压差变送器数据为准，若该数据错误或失效以液位开关为准。

电解槽产气纯度并不是１００％，氢气中会含有少量的杂质氧气，氧气中会含有少量的杂质氢气。为提高产气纯度，氢气与其中少量的杂质氧气一同进入高温脱氧器发生氢氧合成反应生成水。由于脱氧器内部高温，水会以气态形式与氢气一同被带入冷却器，其中水汽会被冷却为液态并被收集至氢集液器。当液体达到一定量时集液器排液将液体送回系统重复利用，氧气的纯化类似上述过程。为确保集液器自动排液，氢、氧集液器均安装了压差式液位变送器和磁翻板液位计两种液位测量设备。设置相应的“开始排液”与“停止排液”值，通过压差液位变送器的数据控制集液器排液；同时在磁翻板液位计相应的限值位置也放置了磁感应式的液位开关，待磁翻板液位计磁浮子到达相应的位置时也会触发液位开关同样可以控制集液器的排液。其排液控制逻辑原理是优先以压差变送器数据为准，若该数据错误或失效以液位开关为准。

１液位异常情况

本文就碱性水电解设备使用期间分离器、集液器的变送器、磁翻板液位数据作为基础，在运行期间发现了&濒诲辩耻辞;集液器液位

偏移&谤诲辩耻辞;&濒诲辩耻辞;集液器排液间隔缩短&谤诲辩耻辞;&濒诲辩耻辞;分离器液位跳动&谤诲辩耻辞;叁个问题。

１．１液位偏移问题

１．１．１异常情况

运行过程中，通过对比磁翻板液位计显示高度与压差变送器示数发现，集液器压差液位变送器显示的液位发生偏差，低于磁翻板显示的真实值，并且差距逐渐增大，即当磁翻板液位显示为同一高度时，压差液位变送器示数会随运行时间增加而逐渐降低。而相比较之下，分离器液位未发生类似情况。

１．１．２数据分析

当压差液位变送器数据向低偏移低于磁翻板液位计液位开关高度时，集液器的排液仅由液位开关控制，此时通过集液器压差液位变送器液位数据记录，取集液器液位排液前#高值的趋势变化进行分析，如图１所示。

由图１可见，排液高度一定的情况下，压差液位变送器显示液位值逐渐下降，甚至接近０ｍｍ。第３４天、第１６６天人为对液位进行了后台修正，以保证设备正常运行。再取第３６天与第１６６天修正后一段时间内的液位数据，形成趋势变化见图２、图３。

由图２、图３可见，第３６天至第５３天、第１６６天至第１７８天期间液位保持了修正后的平稳，但在之后便出现下移，所以在液位修正后约１０～２０日，液位高点显示会开始向下偏移。集液器压差液位变送器液位数据向下偏移会导致集液器压差变送器触发“开始排液”控制失效，“停止排液”液位会不断升高，导致排液量不断减少，排液频率不断增加，导致排液相关阀门、设备动作愈发频繁。排液相关的阀门有８个，频繁的动作可能使控制阀门的继电器、阀门本身或控制阀门的压空元件发生故障，导致阀门无法开启排液无法进行，影响设备稳定运行。

１．２排液间隔缩短问题

１．２．１异常情况

运行后期，由于１．１液位异常问题，集液器压差变送器已偏移低于液位开关低限值，集液器压差变送器数据已完全失效，集液器排液由液位上、下开关控制，此时排液量基本一致，该情况下发现氧集液器的排液间隔在逐渐缩短。

１．２．２数据分析

根据第３６５天以后氧集液器的磁翻板液位数据，使用氧集液器每次排液前#高值与排液后#低值的磁翻板液位数据，绘制趋势图如图４所示。

由图４可见，每次排液量在１５～１７格，排液量较为稳定。通过液位数据与排液间隔进行换算，得出氧侧集液速率的变化数据形成折线图见图５。由图５可见集液速率是呈现上涨趋势的。

若其他工况不变的情况下，集液器集液速率从侧面可反映出电解槽的产气纯度，集液速率的不断加快意味着产气的纯度不断下降，此时需尽快进行产气纯度检测，及时作出处理，避免出现事故。

１．３液位显示周期性波动问题

１．３．１异常情况

运行过程中，从第１１７天开始分离器液位发生周期性波动，液位会在６～７ｈ发生一次异常降低，浮动约５～６ｍｍ。

１．３．２数据分析

通过液位跟踪，第１１７天开始一周的分离器液位数据，形成趋势变化图见图６。

从图６中明显可见，这段时间变送器显示的分离器液位并不是平缓、连续的波动，在一定时间内会出现５ｍｍ左右的降低，使液位趋势呈锯齿形跳动。电解槽液位、压力均有调节阀动态控制，受到液位波动影响，电解槽的压力、液位、调节阀开度均会发生异常波动。

２液位异常分析

２．１ “集液器液位偏移”异常分析

压差式液位变送器工作原理是从液体上端引一路气路，从液体底部引一路液路至变送器，变送器感压膜盒会测量出气液

两路压差从而换算出液位高低。但是一旦变送器液路进气或气路进液就会导致液位测量不准，当气路进液时会导致测量压差变小，测量液位就会比实际液位偏小。集液器液位偏移的现象会随时间而加重，而且#高显示会不断下降，经分析是由于压差式变送器气路混入液体，导致两相压差变化所致。对于常规电解槽通常的做法是打开变送器排液阀用工艺气将液体吹扫至环境中即可。但对于生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽此方法并不适用。由于本次实验即模拟使用生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽，故只定期对液位进行显示值与真实值的对比，再通过程序上的数据修正将变送器液位尽可能向实际值拉拢，同时配合进行排液下限值的修改，用以增加排液量，增加排液间隔。为了保证设备正常运行，仅前３６５天氧集液器液位就进行了３次修正和８次下限值调整。但从图２、图３可见每次修正完后的１０～２０日后，显示数据会再次向下偏移，并且偏移逐渐增加，所以修正液位并不是根除异常的方法，仅能缓解偏移。

运行过程中发现分离器压差液位变送器没有发生与集液器类似的异常，但分离器液位变送器与集液器液位变送器使用的是同款压差式液位变送器。取每月集液器压差液位变送器液位与磁翻板示数并进行对比形成表１。取每月分离器压差液

位变送器液位与磁翻板示数并进行对比形成表２。

由表１、表２可知，两者使用同一款压差液位变送器情况下，集液器液位在使用过程中其液位数据会逐渐小于实际值，需要不定期对数据进行修正，而分离器液不会出现类似偏差，仅会在小幅度可接受的误差范围内波动，综上所述异常原因可从分离器与集液器之间的差距进行分析。

通过现场观察发现，分离器至变送器气路管路连接方式与集液器至变送器气路管路连接方式有很大的不同，如图７所示。

由于集液器上端是纯化后合成冷凝水的入口，而集液器至变送器气路管路直接从容器上端侧面接入，集液器上端冷凝液会顺容器壁流至气路管路#终流到表头导致显示偏差；而分离器至变送器气路管路在顶端做了垂直向下的回折，水蒸气会顺管路向上流动，但冷凝后会回流至分离器，避免了液体向变送器表头回流，从而基本未发生显示偏差。综上所述，冷凝液溢流至变送器气路是导致液位偏移的根本原因。

２．２ “集液器排液间隔缩短”异常分析

集液器的液体是纯化器合成工艺气与杂质气生成的水蒸汽凝结而来，或者由工艺气体夹带的水蒸气凝结产生。氧气的产气流程见图８，氧气由氧分离器进入氧洗涤器除碱，然后进入初步冷凝器和捕滴器除水，再进入冷干机除水，再进入纯化器除杂，#后进入冷凝器除水。多次的冷凝除水使氧气进入纯化器前基本不含过多水分，并且冷凝器使用的冷却水温度长期保持在一定温度，冷干机冷却温度也未发生明显波动，所以工艺气夹带水分并未增多，不会导致集液加快。

对产气纯度进行分析，数据如表３所示。由表３可见，脱氢器的纯化率超过９９．９％，可以确定集液器内的液体绝大部分是来自纯化后水蒸气的冷凝产物。

在排液量相差不大，并且其他运行条件不改变的情况下，集液速度的加快，说明单位时间内由纯化而生产的水的量不断增加，可判断电解槽产出的氧气纯度在下降，经气体纯度分析测量，发现氧气中杂质氢的含量已达约１．３％。可以判断是氧气纯度下降导致了集液器排液间隔的缩短。有可能引起电解槽产气纯度下降的因素有下列几种：整流柜故障、碱液循环量过高、分离器液位过低产生“漩涡”、槽体隔膜破损。设备整流柜在运行前进行过维护保养，运行期间碱液流量长时间维持在２．８～３．０ｍ３／ｈ，运行液位维持在１４５～１５５ｍｍ。排除大多数可能原因后，目前仅有槽体隔膜破损导致的氧中氢超标无法排除。实验结束后对槽体进行拆解，发现一片隔膜中部有小部分烧结，确实存在微小破损。

２．３ “分离器液位跳动”异常分析

电解槽纯化器纯化的工艺气中难免会夹带少量电解质碱，经过高温纯化后水蒸发碱结晶滞留在纯化器，会导致纯化器堵塞。通过如图６所示的锯齿变化，发现产生的气体疑似呈股状送气，怀疑是纯化器堵塞。于是在７月１０日开启氢、氧纯化器的旁通阀门，旁路纯化器后再次观察氢、氧分离器液位变化见图９。从图９可见分离器液位在旁路纯化器后，未发生变化，排除纯化器堵塞可能。

第２２７天开始停机期间，氢、氧分离器液位在停机状态下有着不同的表现，取氢、氧分离器液位数据，形成停机时趋势如图１０所示。

通过氢、氧液位趋势图的对比可见设备停机时，氢分离器液位仍在锯齿波动，而氧侧波动消失，可以判断氢侧分离器液位变送器故障。经过与技术人员和仪表厂家的检查、分析，确认变送器感压部分故障，需要整体更换液位变送器。

变送器连接方式如图１１所示，由于目前使用的仪表连接方式为直接使用接头对接，更换变送器时需要提前清空分离器内所有液体，由于本次实验模拟生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽条件，导致该条件下目前的仪表连接方式分离器液位变送器无法更换。

３减少电解槽液位发生上述异常的建议

针对本电解槽运行过程中发现的液位异常，提出了相应的改进方法和建议。

３．１对于“集液器液位偏移”异常的改进建议

集液器液位偏移根本原因是未设置垂直回水管路，冷凝水溢流至气路导致气路进液而产生液位偏移。对于常规电解槽可使用变送器自带的锥形螺纹排气、排液口将多余气体或液体排放，恢复变送器正常工作状态。

对于生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽，为防止物料对人员的伤害和对环境的污染，采用压差液位变送器

的设备，可在设备上更改集液器气路管道结构，增加垂直回水弯（如图１２所示），避免液体流至变送器气路；或者介于排液监测对于液位数据的精度要求并不高，可弃用压差式变送器，改用磁感应式液位变送器，虽然磁感应式液位变送器降低了测量精度，但并不影响排液的操作。该方法杜绝了液位偏移问题，实现了对工作人员和环境的保护，是相对比较合适的选择。

３．２ “集液器排液间隔缩短”异常的改进建议

电解槽隔膜的寿命是有限的，槽体内部隔膜损耗是不可避免的，对于这类问题导致的产气纯度下降会随着时间的推移逐渐加剧。故需要加强对电解槽的日常维护和监测，定期对电解槽纯化前的氢气、氧气纯度进行检测，当大致工况未改变的情况下，可简单地通过集液器集液速率的变化，粗略判断气体纯度的大致变化趋势。发现问题及时处理或更换槽体，纯度下降涉及设备运行安全，必须加强重视。

３．３ “分离器液位跳动”异常的改进建议

对于常规电解槽液位变送器发生故障需要更换时，按照操作要求停机置换，排空分离器存液，拆卸更换。对于生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽，为防止物料对人员的伤害和对环境的污染，无法进行开放式作业。建议更改变送器的连接管路结构，适当增加截止阀门（图１３），拆卸前隔离分离器与变送器，通过吹扫口外接高压气瓶适当减压后供气，排气、排液口外接低压封闭容器，提前吹扫气、液管路并收纳有毒有害物料，#后拆卸更换变送器。该方法能在不清空分离器液体的前提下更换、检修变送器，并能极大地降低有毒有害物料与外界的接触与排放，降低了工作人员与危险物料接触和对环境污染的风险。

本次模拟生产高危化学品或使用有毒有害电解液的电解槽实验，模拟条件下对工艺安全要求很高，为确保分离器液位在压差液位变送器失效情况下仍能正常监测液位数据，本次实验后期在磁翻板液位计上端加装雷达液位计。经过短期运行发现雷达液位计精度高、反应灵敏、易更换，但是造价较贵，且由于雷达液位计反应灵敏如果使用雷达液位计的数据控制液位平衡，需重新调试一套新的调节阀微积分操控值，但是理论上是可以代替故障压差液位变送器工作的，而且经过适当调试可以完全接替其工作。

４结论

对于“集液器液位偏移”问题，基于集液器对液位测量精度要求不高，可将压差式变送器改为外挂式磁感应液位变送器，实现简单的排液过程即可；或者增加集液器液路垂直方向回弯，以减少气路进液；亦或采用图１３所示的改进方案，实现常规电解槽的检修方法。

对于“集液速率加快”问题，需工作人员加强对产气纯度的监测，关注隔膜使用寿命，发现问题及时更换槽体或隔膜。对于分离器液位变送器故障问题，如果电解设备生产或使用的物料涉及有毒有害物质时，条件允许情况下可采用管路改进方案（图１３）便于检修、维护，保护工作人员与环境。如果对设备安全性要求较高，可以考虑在磁翻板液位计上端加装雷达液位计，用于辅助监测分离器液位，调试后也可作为备用的液位变送器使用。

本文仅对碱性水电解槽进行了实验，希望能对电解槽液位相关的安全性改进提供参考。