QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫設備試驗及在高寒環境下問題解析

李艷

摘要 通過QDQ2-1A型自動水電解制氫設備在錫林浩特國家氣候觀象臺開展為期3個多月的業務化試驗工作為基礎，在試驗中，對氫氣產量的指標要求、氫氣純度、泄漏率、達標率、設備可靠度、故障率進行準確的觀測和分析，并對儀器設備在高寒環境中出現的問題進行總結，提出合理建議，為今后自動水電解制氫業務化運行提供科學依據。

關鍵詞 QDQ2-1A;自動水電解制氫;試驗;高寒環境

中圖分類號：P412 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）01–0161–02

常規高空氣象觀測是指氣球攜帶無線電探空儀，以自由升空方式對自地球表面到幾萬米高度空間的大氣氣象要素（氣壓、溫度、濕度）和運動狀態（風向、風速）等的變化進行觀測、收集、處理的活動和工作過程，為天氣預報、氣候分析、科學研究和國際交換，提供及時、準確的高空氣象資料[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，水分子在電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。氫氣因為具有較高的能量密度和清潔環保的優點，被認為是一種新型的燃料，在未來的可持續能源體系發展中具有非常好的應用前景，電解水制氫具有更綠色清潔的優點，水電解制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。目前，我國120個探空站中約有90個探空站使用水電解方式制氫，QDQ2-1型制氫設備雖穩定可靠，但自動化程度低，亟需更新換代以實現與氣象行業時代進步的一致性。2019年9月QDQ2-1A型在錫林浩特國家氣候觀象臺開展業務化試驗工作，為今后全國高空站配備自動水電解制氫設備提供科學依據。

1 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫設備研制及建設過程

中船重工第七一八研究所根據中國氣象局要求，自2019年3月起研制QDQ2-1A型自動水電解制氫設備，7月底完成了樣機的研制并于8月完成定型，11月8日由上海物管處組織進行了出廠靜態測試，測試結果滿足《全自動水電解制氫設備氣象業務使用技術要求》。

上海物管處于2019年12月12—16日在錫林浩特國家氣候觀象臺組織完成了QDQ2-1A型自動水電解制氫設備（方艙型）的現場測試及驗收工作。

2 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫水電解制氫設備試驗情況

錫林浩特國家氣候觀象臺于2020年1月1日—4月3日對QDQ2-1A型自動水電解制氫設備開展了為期3個多月的業務化試驗工作。試驗期間，錫林浩特國家氣候觀象臺成立了試驗小組，設備嚴格按照《QDQ2-1A型自動水電解制氫設備使用維護說明書》中的操作規程進行操作，并由專人負責，嚴格落實責任制度，確保了試驗的正常進行。

整個試驗過程進行順利，設備運轉基本正常，各連接處密封情況良好，無漏氫漏液現象。根據試驗要求，錫林浩特國家氣候觀象臺每天開機制氫2次，產生的氫氣用于每天探空氣球的施放，共累計試驗180次，試驗人員按要求將每次制氫情況填寫在記錄表內。對于試驗中遇到的技術問題，生產企業也能按要求做到及時響應，解決問題。

3 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫在高寒地區出現問題

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

過濾水裝置由于實驗期低溫，過濾桶緊靠方艙壁，桶內因結冰無法制取超純水，實驗期值班員需要提水制氫，希望通過位置調整或保溫處理，提高設備的環境適應性。

2020年1月9日—2月7日，室外溫度最低降至-33.7℃，夜間艙內溫度逼近0℃，為了保障設備安全運行，我們增加了一臺電暖氣輔助供熱。建議艙內增加一部空調供熱。

4 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫試驗數據分析

在180次試驗中，氫氣產量均達到了2 m3/h的指標要求;氫氣純度均達到了99.7%的指標要求;24 h平均泄漏率不超過0.25%/h。氫氣產量的達標率和氫氣純度的合格率都達到100%。試驗期間設備的可靠度≥0.95，即故障率≤5%;設備的平均故障維修時間≤30 min（表1）。

5 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫設備優點

（1）能夠在值班室上位機內遠程操作，以自動控制方式，完成一鍵式制氫、氣體純度分析、儲罐充氫等工作。

（2）有參數超過報警值，設備應能夠自動實現聲光報警以提示值班人員，如果有參數超過連鎖值，設備應能夠實現連鎖停機。

（3）可對設備運行數據進行自動顯示、存儲、查詢。

6 QDQ2-1A方艙型自動水電解制氫設備的安全性

制氫主機、控制裝置與儲氫裝置采取分室隔離方式，遠程控制，人機分離。制氫主機設有壓力上限報警、上限聯鎖及壓力控制器硬聯鎖系統;儲氫裝置設有壓力下限報警、上限報警、上限聯鎖及壓力控制器硬聯鎖系統;氫、氧分離器液位設有下限報警、下限聯鎖及上限報警、上限聯鎖系統;制氫室、儲氫室內設有氫氣濃度監測系統;氫、氧分離器內設有自勵式電解液外溢阻止裝置;氫氣出口設有阻火設施;各操作開關具有防誤操作功能及特別標識;所有涉氫的電氣設備采取防爆措施。充球裝置具有漏氫自動報警并自動停止充氣的功能。制氫室、儲氫室安裝有視頻監控，可實時觀看或者定時回看房間里影像。制氫方艙頂部布設防雷裝置，并有良好的接地性能，接地電阻不大于10 Ω，制氫主機、儲氫罐、控制裝置和充球裝置有良好的接地。

在整個試驗過程中沒有發生安全生產事故，該設備沒有發生安全性故障，值班人員沒有發現使用中的安全隱患。氫氣是易燃易爆氣體，電解水制氫是十分嚴格謹慎的工作， 稍有麻痹大意就可能引發安全事故。韋肖林等學者對QDQ2-1型電解水制氫設備的使用、操作注意事項進行了總結，QDQ2-1A型雖然安全性很高，制氫員還是要嚴格遵守制氫操作規程和安全制度，避免事故的發生[2]。

7 小結

此次QDQ2-1A型自動水電解制氫設備業務化試驗過程符合《全自動水電解制氫設備測試評估工作方案》中的要求;試驗過程中設備運行正常，安全可靠;試驗數據結果滿足全自動制氫設備的主要技術指標。

QDQ2-1A型自動水電解制氫設備提高了設備的性能，完全滿足氣象部門探空制氫業務使用的各項要求，為探空業務自動化觀測工作提供強有力的保證[3]。解決QDQ2-1型水電解制氫設備常見故障，有助于完善并提升現有探測設備的探測能力，獲取準確的探測數據，為準確的氣象預報，優質的氣象服務提供基礎，從而提升我國防御氣象災害和應對氣候變化的能力[4]。

參考文獻

[1] 中國氣象局.常規高空氣象觀測業務規范[M].北京：氣象出版社，2010.

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

[3] 楊騰慧，黎潔波，韋玉潔.QDQ2-1A型自動水電解制氫設備在南寧高空觀測業務中的應用研究[J].技術與市場，2020， 27（10）：95-96.

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

責任編輯：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