基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法
2023-07-20 05:21:51
基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法。該裝置的自熱型醇類重整制氫反應器中插有J型熱電偶，J型熱電偶經溫度顯示儀、數據採集卡與微型計算機相連；數據採集卡還分別有兩路，一路經固態繼電器和自熱型醇類重整制氫反應器中的加熱捧連接，另一路經燃燒用注射泵、流量調節閥與自熱型醇類重整制氫反應器中的重整制氫入口連接。溫控方法：包括自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程的溫度控制、重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制。本發明解決了不同工況條件下的溫度控制問題；與工業上使用的溫控儀相比，本發明的控制程序多變，控制界面友好，通過改進控制程序可使溫度控制更加精確。
【專利說明】基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法，尤其是涉及一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法。
技術背景
[0002]自熱型醇類重整制氫反應器是一種現場在線制氫設備，結構緊湊，能量效率較高，特別適用於汽車或移動氫燃料電池上使用。一般由燃料蒸發腔、若干重整腔、若干個燃燒腔和輔助電加熱裝置組成。裝有催化燃燒催化劑的燃料腔內進行醇類燃燒反應，生成熱量後提供給裝有重整催化劑的重整腔，用於進行醇類重整制氫反應。通過集成放熱反應和吸熱反應，實現了反應器的自熱運行。由於燃燒催化劑在不同溫度條件下燃燒效率不一樣，低溫條件下效率較低，影響反應器的啟動時間，因此，往往有必要在自熱反應器中增加輔助電加熱裝置。
[0003]近年來，自熱型醇類重整制氫反應器得到了較快的發展，中國發明專利(申請號200820079472.0)、中國發明專利(申請號200910100100.0)、中國發明專利(申請號200510033759.0)公開了三種不同結構形式的自熱型醇類重整反應器，並對各自反應器的機械和幾何結構進行了詳細的描述。然而，作為一個催化反應器，自熱型醇類重整制氫反應器制氫過程複雜，受到熱動力學參數(溫度、流量、壓力等)影響較大。其中，溫度對反應器的制氫性能影響尤為突出。根據阿倫尼烏斯方程，溫度與反應速率呈指數關係。溫度的小範圍變化都將使自熱反應器重整制氫的反應速率發生較大的變化，從而直接影響自熱反應器的制氫性能。因此，需對自熱型重整制氫反應器進行溫度監控。在自熱反應器運行過程中，溫度控制主要包括如下步驟:預熱過程的溫度控制，重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制。目前常用的溫度控制主要針對大型化工反應器，控制方法主要為採用溫度控制儀通過PID程序對反應器溫度進行控制，該方法操作簡單，但在複雜工況條件下控制性能不好，瞬態效應較差。而且，溫控儀控制程序固定，無法精確控制不同工況條件的反應器，影響自熱反應器的溫度控制效果。不同的反應器溫度控制系統不盡相同，針對自熱反應器的溫度控制系統報導很少。中國發明專利(申請號200780008555.9)公開了一種氫製備裝置和氫製備方法。該專利中提及了自熱重整反應的溫度控制，但控制系統簡單，無法實現精確控制。
【發明內容】
[0004]為了準確控制自熱反應器的溫度，提高自熱反應器效率，本發明的目的在於提供一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置及方法。該溫控裝置及方法可對自熱型醇類重整制氫反應器進行有效的溫度控制，通過引入LabView虛擬儀器技術，顯示界面友好，控制程序多樣、可調，特別適合自熱型醇類重整制氫反應器複雜反應條件下的溫度控制。[0005]本發明採用的技術方案是:
一、一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置:
包括J型熱電偶、溫度顯示儀、數據採集卡、微型計算機、流量調節閥、加熱棒、固態繼電器、自熱型醇類重整制氫反應器和燃燒用注射泵；自熱型醇類重整制氫反應器中插有J型熱電偶，J型熱電偶經溫度顯示儀、數據採集卡與微型計算機相連；數據採集卡還分別有兩路，一路經固態繼電器和自熱型醇類重整制氫反應器中的加熱捧連接，另一路經燃燒用注射泵、流量調節閥與自熱型醇類重整制氫反應器中的重整制氫入口連接。
[0006]所述的溫度顯示儀具有溫度調理與顯示模塊、0-5V信號輸出模塊和高溫報警裝置。
[0007]二、一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控方法，該方法的步驟如下:
包括自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程的溫度控制、重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制，該方法的工作流程如下:
1)首先，微型計算機通過數據採集卡和固態繼電器控制加熱棒加熱自熱型醇類重整制氫反應器；通過J型熱電偶得到自熱型醇類重整制氫反應器測量溫度Tr，當自熱型醇類重整制氫反應器測量溫度Tr等於自熱型醇類重整制氫反應器(8)內燃料催化燃燒設定的預熱溫度Tl時，加熱棒停止供熱；
2)當測量溫度Tr等於設定的預熱溫度Tl時，燃燒用注射泵開啟，還原氣體進口閥開啟，進入自熱型醇類重整制氫反應器(8)程序升溫階段，調節燃燒用注射泵流量，使自熱型醇類重整制氫反應器(8)的測量溫度Tr按醇類重整制氫還原過程所要求的程序升溫曲線上升；當測量溫度Tr等於程序升溫曲線設定的溫度Ts時，維持燃燒用注射泵進給流量，當測量溫度Tr到達自熱型醇類重整制氫反應器設定的反應溫度T2時，程序升溫過程結束；減少燃燒用注射泵進給流量，維持自熱型醇類重整制氫反應器在設定的反應溫度T2上，當還原時間t達到設定的還原時間th時，還原過程結束；
3)當還原過程結束後，自熱型醇類重整制氫反應器開始自供熱重整制氫過程，微型計算機通過數據採集卡啟動重整用注射泵，調節燃燒用注射泵進給流量，使自熱型醇類重整制氫反應器維持在設定的反應溫度T2上，維持燃燒用注射泵進給流量和重整用注射泵進給流量。
[0008]與【背景技術】相比，本發明具有的有益效果是:
1.本發明採用LabView軟體實現自熱型醇類重整制氫反應器的溫度控制，解決了自熱反應器在不同工況條件下的溫度控制問題。
[0009]2.與工業上使用的溫控儀相比，本發明的控制程序多變，控制界面友好，通過改進控制程序可使溫度控制更加精確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明的溫度控制裝置示意圖。
[0011]圖2是本發明的自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程溫度控制流程圖。
[0012]圖3是本發明的自熱型醇類重整制氫反應器重整催化劑還原過程溫度控制流程圖。[0013]圖4是本發明的自熱型醇類重整制氫反應器重整制氫過程溫度控制流程圖。
[0014]圖中:1、J型熱電偶，2、溫度顯示儀，3、數據採集卡，4、微型計算機，5、流量調節閥，6、加熱棒，7、固態繼電器，8、自熱型醇類重整制氫反應器，9、燃燒用注射泵。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0016]如圖1所示，本發明包括J型熱電偶1、溫度顯示儀2、數據採集卡3、微型計算機
4、流量調節閥5、加熱棒6、固態繼電器7、自熱型醇類重整制氫反應器8和燃燒用注射泵9 ；自熱型醇類重整制氫反應器8中插有J型熱電偶1，J型熱電偶I經溫度顯示儀2、數據採集卡3與微型計算機4相連；數據採集卡3還分別有兩路，一路經固態繼電器7和自熱型醇類重整制氫反應器8中的加熱捧6連接，另一路經燃燒用注射泵5、流量調節閥5與自熱型醇類重整制氫反應器8中的入口連接。
[0017]通過USB進行通訊，微型計算機4依據接受到的溫度信號，通過運算，實時輸出控制信號，一方面通過數據採集卡3調節固態繼電器7開閉狀態，控制加熱棒6的通斷，加熱自熱型醇類重整制氫反應器8，另一方面通過數據採集卡3控制燃燒用注射泵9，調節自熱型醇類重整制氫反應器8燃燒通道入口燃料流量。
[0018]微型計算機4控制加熱棒6加熱的方法為脈寬調製的方法，通過LabView程序運行，輸出脈寬調製信號，通過數據採集卡間斷輸出OV或5V信號，控制加熱棒6加熱，實現自熱型醇類重整制氫反應器8的溫度控制。
[0019]溫度顯示儀2:具有溫度調理與顯示模塊、0-5V信號輸出模塊和高溫報警裝置。型號為AI704等。
[0020]燃燒用注射泵9:可輸出1-5V電信號至數據採集卡3，具有量程範圍寬，如LSPOl等。
[0021 ] 數據採集卡3:至少具有I個信號輸入埠、2個信號輸出埠，可與微型計算機4進行通訊。如NI數據採集卡等。
[0022]固態繼電器7:型號如SSR-380D06E，JGX-1等。
[0023]自熱型醇類重整制氫反應器8:為具有醇類重整和醇類燃燒兩通道，並需要電輔助加熱的自熱型反應器即可，如2005年公開的發明專利電啟動疊板式自動熱重整器(申請號:20051003379.0).自熱型醇類重整制氫反應器8具有重整制氫通道，催化燃燒通道和輔助加熱板，輔助加熱板內含有加熱棒。自熱型醇類重整制氫反應器8的制氫原理一般為:催化燃燒通道中布置有燃燒催化劑，甲醇和空氣混合物從自熱型醇類重整制氫反應器8的燃燒入口進入催化燃燒通道，在燃燒催化劑輔助下燃燒，釋放熱量，為反應器催化劑還原和重整制氫提供熱量；其燃燒反應為:
甲醇燃燒(MC):CH3OH+1.502=C02+2H20。
[0024]根據研究表明，自熱型醇類重整制氫反應器如果進行預熱，將有利於燃料反應的快速進行，可減少反應器的啟動時間，因此，自熱型醇類重整制氫反應器增加輔助加熱板，用於預熱反應器。
[0025]重整制氫通道內布置有制氫催化劑，在制氫前需進行還原，還原方法為:由自熱型醇類重整制氫反應器8的重整制氫入口往自熱型醇類重整制氫反應器8的重整制氫通道中通入氮氣和氫氣的混合氣體，程序升溫自熱型醇類重整制氫反應器8並保溫一段時間，完成還原。還原後進行，甲醇重整制氫，甲醇和水混合物由重整用注射泵泵入自熱型醇類重整制氫反應器8的重整制氫通道,吸熱後在制氫催化劑輔助下重整制氫,其重整反應包括:
甲醇重整(SR):CH30H+H20 — 3H2+C02,
水汽逆變換(rWGS):C02+H2 — C0+H20,
甲醇分解(DE):CH3OH — 2H2+C0。
[0026]自熱型醇類重整制氫反應器的制氫過程需要進行準確的溫度控制，根據其工程過程，溫度控制過程主要包括自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程的溫度控制、重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制，具體工作流程如下所示:
1)如圖2所示，由於通過預熱提高自熱型醇類重整制氫反應器8溫度，可有效提高醇類燃料催化燃燒效率，降低自熱型醇類重整制氫反應器8的啟動時間，因此，需進行自熱型醇類重整制氫反應器8預熱過程的溫度控制:微型計算機4通過數據採集卡3和固態繼電器7控制加熱棒加熱自熱型醇類重整制氫反應器8 ;在加熱的同時，採用J型熱電偶I測量並得到自熱型醇類重整制氫反應器8 測量溫度Tr。隨著加熱的進行，自熱型醇類重整制氫反應器8溫度不斷上升，當自熱型醇類重整制氫反應器8測量溫度Tr等於自熱型醇類重整制氫反應器8內燃料催化燃燒所設定的預熱溫度Tl時，加熱棒停止供熱；
2)由於重整制氫催化劑在制氫之前需要進行還原，為了完成還原過程，自熱型醇類重整制氫反應器8需要從預熱溫度程序升溫至還原溫度，並保溫一定時間，因此需要在該過程進行控制。重整催化劑還原過程的溫度控制包括自熱型醇類重整制氫反應器8的程序升溫過程和保溫過程的溫度控制。圖3為重整催化劑還原過程的溫度控制流程圖。當測量溫度Tr等於預熱溫度Tl時，燃燒用注射泵9開啟，還原氣體進口閥開啟，開始自熱型醇類重整制氫反應器8的程序升溫過程。重整制氫的還原氣體一般為氫氣和氮氣的混合氣體，通過流量控制器由重整制氫入口流入自熱型醇類重整制氫反應器，還原制氫催化劑。當測量溫度Tr到達自熱型醇類重整制氫反應器8設定的反應溫度T2時，程序升溫過程結束。減少燃燒用注射泵5進給流量，維持自熱型醇類重整制氫反應器8在設定的反應溫度T2上，保持該溫度一段時間至設定的還原時間th，關閉還原氣體進口閥，還原過程結束。自熱型醇類重整制氫反應器8的程序升溫的溫度控制方案如下:在Labview程序中設置程序升溫曲線，設置起始燃燒注射泵9流量，通過J型熱電偶I測量自熱型反應器測量溫度Tr，將自熱型醇類制氫反應器測量溫度Tr與程序升溫曲線相應的溫度作比較，得到差量後根據Labview編程的程序調節注射泵流量，控制測量溫度Tr按程序升溫曲線上升，當測量溫度Tr達到反應溫度T2時，程序升溫過程結束。
[0027]3)如圖4所示，當還原過程結束後，自熱型醇類重整制氫反應器8開始自供熱重整制氫過程。在燃燒用注射泵9開啟條件下，微型計算機4通過數據採集卡3啟動重整用注射泵。重整燃料一般為甲醇和水的混合液體，由重整用注射泵泵入自熱型醇類重整制氫反應器8，進行醇類重整制氫反應。調節燃燒用注射泵9進給流量，使反應溫度維持在設定的反應溫度T2上，維持燃燒用注射泵9進給流量和重整用注射泵進給流量，實現制氫反應器自熱運行，直至工作結束。
[0028]該溫控開始後全程無需人工操作，從自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程的溫度控制、到重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制全部由Labview自動控制完成，實現自熱型醇類重整制氫反應器制氫過程溫度的自動控制。
【權利要求】
1.一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置，其特徵在於:包括J型熱電偶(I)、溫度顯示儀(2)、數據採集卡(3)、微型計算機(4)、流量調節閥(5)、加熱棒(6)、固態繼電器(7)、自熱型醇類重整制氫反應器⑶和燃燒用注射泵(9);自熱型醇類重整制氫反應器(8)中插有J型熱電偶(1)，J型熱電偶(I)經溫度顯示儀(2)、數據採集卡(3)與微型計算機⑷相連；數據採集卡(3)還分別有兩路，一路經固態繼電器(7)和自熱型醇類重整制氫反應器(8)中的加熱捧(6)連接，另一路經燃燒用注射泵(9)、流量調節閥(5)與自熱型醇類重整制氫反應器(8)中的重整制氫入口連接。
2.根據權利要求1所述的一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控裝置，其特徵在於:所述的溫度顯示儀(2)具有溫度調理與顯示模塊、0-5V信號輸出模塊和高溫報警裝置。
3.根據權利要求1所述裝置的一種基於LabView的自熱型醇類重整制氫反應器溫控方法，其特徵在於:包括自熱型醇類重整制氫反應器預熱過程的溫度控制、重整催化劑還原過程的溫度控制和重整制氫過程的溫度控制，該方法的工作流程如下: 1)首先，微型計算機⑷通過數據採集卡⑶和固態繼電器(7)控制加熱棒加熱自熱型醇類重整制氫反應器(8);通過J型熱電偶(I)得到自熱型醇類重整制氫反應器(8)測量溫度Tr，當自熱型醇類重整制氫反應器(8)測量溫度Tr等於自熱型醇類重整制氫反應器(8)內燃料催化燃燒設定的預熱溫度Tl時，加熱棒停止供熱； 2)當測量溫度Tr等於設定的預熱溫度Tl時，燃燒用注射泵(9)開啟，還原氣體進口閥開啟，進入自熱型醇類重整制氫反應器(8)程序升溫階段，調節燃燒用注射泵(9)流量，使自熱型醇類重整制氫反應器(8)的測量溫度Tr按醇類重整制氫還原過程所要求的程序升溫曲線上升；當測量溫度Tr到達自熱型醇類重整制氫反應器(8)設定的反應溫度T2時，程序升溫過程結束；減少燃燒用注射泵(9)進給流量，維持自熱型醇類重整制氫反應器(8)在設定的反應溫度T2上，當還原時間t達到設定的還原時間th時，還原過程結束； 3)當還原過程結束後，自熱型醇類重整制氫反應器(8)開始自供熱重整制氫過程，微型計算機(4)通過數據採集卡(3)啟動重整用注射泵，調節燃燒用注射泵(9)進給流量，使自熱型醇類重整制氫反應器(8)維持在設定的反應溫度T2上，維持燃燒用注射泵(9)進給流量和重整用注射泵進給流量。
【文檔編號】G05D23/22GK103576722SQ201310509856
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】梅德慶, 錢淼, 姚喆赫, 婁心洋, 梁靈威, 陳子辰 申請人:浙江大學