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摘要 通过QDQ2-1A型自动水电解制氢设备在锡林浩特国家气候观象台开展为期3个多月的业务化试验工作为基础，在试验中，对氢气产量的指标要求、氢气纯度、泄漏率、达标率、设备可靠度、故障率进行准确的观测和分析，并对仪器设备在高寒环境中出现的问题进行总结，提出合理建议，为今后自动水电解制氢业务化运行提供科学依据。
关键词 QDQ2-1A;自动水电解制氢;试验;高寒环境
中图分类号：P412 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0161–02
常规高空气象观测是指气球携带无线电探空仪，以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间的大气气象要素（气压、温度、湿度）和运动状态（风向、风速）等的变化进行观测、收集、处理的活动和工作过程，为天气预报、气候分析、科学研究和国际交换，提供及时、准确的高空气象资料[1]。水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。氢气因为具有较高的能量密度和清洁环保的优点，被认为是一种新型的燃料，在未来的可持续能源体系发展中具有非常好的应用前景，电解水制氢具有更绿色清洁的优点，水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。目前，我国120个探空站中约有90个探空站使用水电解方式制氢，QDQ2-1型制氢设备虽稳定可靠，但自动化程度低，亟需更新换代以实现与气象行业时代进步的一致性。2019年9月QDQ2-1A型在锡林浩特国家气候观象台开展业务化试验工作，为今后全国高空站配备自动水电解制氢设备提供科学依据。
1 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢设备研制及建设过程
中船重工第七一八研究所根据中国气象局要求，自2019年3月起研制QDQ2-1A型自动水电解制氢设备，7月底完成了样机的研制并于8月完成定型，11月8日由上海物管处组织进行了出厂静态测试，测试结果满足《全自动水电解制氢设备气象业务使用技术要求》。
上海物管处于2019年12月12—16日在锡林浩特国家气候观象台组织完成了QDQ2-1A型自动水电解制氢设备（方舱型）的现场测试及验收工作。
2 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢水电解制氢设备试验情况
锡林浩特国家气候观象台于2020年1月1日—4月3日对QDQ2-1A型自动水电解制氢设备开展了为期3个多月的业务化试验工作。试验期间，锡林浩特国家气候观象台成立了试验小组，设备严格按照《QDQ2-1A型自动水电解制氢设备使用维护说明书》中的操作规程进行操作，并由专人负责，严格落实责任制度，确保了试验的正常进行。
整个试验过程进行顺利，设备运转基本正常，各连接处密封情况良好，无漏氢漏液现象。根据试验要求，锡林浩特国家气候观象台每天开机制氢2次，产生的氢气用于每天探空气球的施放，共累计试验180次，试验人员按要求将每次制氢情况填写在记录表内。对于试验中遇到的技术问题，生产企业也能按要求做到及时响应，解决问题。
3 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢在高寒地区出现问题
锡林浩特国家气候观象台现址（116°07′E，43°57′N，海拔高度1 004 m）位于锡林浩特市东郊，属大陆性季风气候，冬季寒冷，最低气温达-37.7℃。实验期间，氢气、氧气放空管由于水蒸气凝华导致管路堵塞，从而连锁停机。值班员采用开水浇融方舱顶部的氢、氧放空管的方法，临时解决此问题。锡林浩特冬季方舱顶部积雪覆盖，在上面淋开水很不安全，也违背设备自动化运行的初衷，建议厂家在舱内安装氢、氧放空干燥装置，保障气体为干燥气体后排空。
过滤水装置由于实验期低温，过滤桶紧靠方舱壁，桶内因结冰无法制取超纯水，实验期值班员需要提水制氢，希望通过位置调整或保温处理，提高设备的环境适应性。
2020年1月9日—2月7日，室外温度最低降至-33.7℃，夜间舱内温度逼近0℃，为了保障设备安全运行，我们增加了一台电暖气辅助供热。建议舱内增加一部空调供热。
4 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢试验数据分析
在180次试验中，氢气产量均达到了2 m3/h的指标要求;氢气纯度均达到了99.7%的指标要求;24 h平均泄漏率不超过0.25%/h。氢气产量的达标率和氢气纯度的合格率都达到100%。试验期间设备的可靠度≥0.95，即故障率≤5%;设备的平均故障维修时间≤30 min（表1）。
5 QDQ2-1A方艙型自动水电解制氢设备优点
（1）能够在值班室上位机内远程操作，以自动控制方式，完成一键式制氢、气体纯度分析、储罐充氢等工作。
（2）有参数超过报警值，设备应能够自动实现声光报警以提示值班人员，如果有参数超过连锁值，设备应能够实现连锁停机。
（3）可对设备运行数据进行自动显示、存储、查询。
6 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢设备的安全性
制氢主机、控制装置与储氢装置采取分室隔离方式，远程控制，人机分离。制氢主机设有压力上限报警、上限联锁及压力控制器硬联锁系统;储氢装置设有压力下限报警、上限报警、上限联锁及压力控制器硬联锁系统;氢、氧分离器液位设有下限报警、下限联锁及上限报警、上限联锁系统;制氢室、储氢室内设有氢气浓度监测系统;氢、氧分离器内设有自励式电解液外溢阻止装置;氢气出口设有阻火设施;各操作开关具有防误操作功能及特别标识;所有涉氢的电气设备采取防爆措施。充球装置具有漏氢自动报警并自动停止充气的功能。制氢室、储氢室安装有视频监控，可实时观看或者定时回看房间里影像。制氢方舱顶部布设防雷装置，并有良好的接地性能，接地电阻不大于10 Ω，制氢主机、储氢罐、控制装置和充球装置有良好的接地。
在整个试验过程中没有发生安全生产事故，该设备没有发生安全性故障，值班人员没有发现使用中的安全隐患。氢气是易燃易爆气体，电解水制氢是十分严格谨慎的工作， 稍有麻痹大意就可能引发安全事故。韦肖林等学者对QDQ2-1型电解水制氢设备的使用、操作注意事项进行了总结，QDQ2-1A型虽然安全性很高，制氢员还是要严格遵守制氢操作规程和安全制度，避免事故的发生[2]。 7 小结
此次QDQ2-1A型自动水电解制氢设备业务化试验过程符合《全自动水电解制氢设备测试评估工作方案》中的要求;试验过程中设备运行正常，安全可靠;试验数据结果满足全自动制氢设备的主要技术指标。
QDQ2-1A型自動水电解制氢设备提高了设备的性能，完全满足气象部门探空制氢业务使用的各项要求，为探空业务自动化观测工作提供强有力的保证[3]。解决QDQ2-1型水电解制氢设备常见故障，有助于完善并提升现有探测设备的探测能力，获取准确的探测数据，为准确的气象预报，优质的气象服务提供基础，从而提升我国防御气象灾害和应对气候变化的能力[4]。
参考文献
[1] 中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京：气象出版社，2010.
[2] 韦肖林，苏娟.QDQ2-1A型电解水制氢设备安全操作要点[J].气象研究与应用，2012，33（S1）：226-227.
[3] 杨腾慧，黎洁波，韦玉洁.QDQ2-1A型自动水电解制氢设备在南宁高空观测业务中的应用研究[J].技术与市场，2020， 27（10）：95-96.
[4] 韦振华.QDQ2-1型水电解制氢设备常见故障分析及其维护[J].气象研究与应用，2012，33（S1）：215-216.
责任编辑：黄艳飞
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
关键词 QDQ2-1A;自动水电解制氢;试验;高寒环境
中图分类号：P412 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0161–02
常规高空气象观测是指气球携带无线电探空仪，以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间的大气气象要素（气压、温度、湿度）和运动状态（风向、风速）等的变化进行观测、收集、处理的活动和工作过程，为天气预报、气候分析、科学研究和国际交换，提供及时、准确的高空气象资料[1]。水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。氢气因为具有较高的能量密度和清洁环保的优点，被认为是一种新型的燃料，在未来的可持续能源体系发展中具有非常好的应用前景，电解水制氢具有更绿色清洁的优点，水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。目前，我国120个探空站中约有90个探空站使用水电解方式制氢，QDQ2-1型制氢设备虽稳定可靠，但自动化程度低，亟需更新换代以实现与气象行业时代进步的一致性。2019年9月QDQ2-1A型在锡林浩特国家气候观象台开展业务化试验工作，为今后全国高空站配备自动水电解制氢设备提供科学依据。
1 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢设备研制及建设过程
中船重工第七一八研究所根据中国气象局要求，自2019年3月起研制QDQ2-1A型自动水电解制氢设备，7月底完成了样机的研制并于8月完成定型，11月8日由上海物管处组织进行了出厂静态测试，测试结果满足《全自动水电解制氢设备气象业务使用技术要求》。
上海物管处于2019年12月12—16日在锡林浩特国家气候观象台组织完成了QDQ2-1A型自动水电解制氢设备（方舱型）的现场测试及验收工作。
2 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢水电解制氢设备试验情况
锡林浩特国家气候观象台于2020年1月1日—4月3日对QDQ2-1A型自动水电解制氢设备开展了为期3个多月的业务化试验工作。试验期间，锡林浩特国家气候观象台成立了试验小组，设备严格按照《QDQ2-1A型自动水电解制氢设备使用维护说明书》中的操作规程进行操作，并由专人负责，严格落实责任制度，确保了试验的正常进行。
整个试验过程进行顺利，设备运转基本正常，各连接处密封情况良好，无漏氢漏液现象。根据试验要求，锡林浩特国家气候观象台每天开机制氢2次，产生的氢气用于每天探空气球的施放，共累计试验180次，试验人员按要求将每次制氢情况填写在记录表内。对于试验中遇到的技术问题，生产企业也能按要求做到及时响应，解决问题。
3 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢在高寒地区出现问题
锡林浩特国家气候观象台现址（116°07′E，43°57′N，海拔高度1 004 m）位于锡林浩特市东郊，属大陆性季风气候，冬季寒冷，最低气温达-37.7℃。实验期间，氢气、氧气放空管由于水蒸气凝华导致管路堵塞，从而连锁停机。值班员采用开水浇融方舱顶部的氢、氧放空管的方法，临时解决此问题。锡林浩特冬季方舱顶部积雪覆盖，在上面淋开水很不安全，也违背设备自动化运行的初衷，建议厂家在舱内安装氢、氧放空干燥装置，保障气体为干燥气体后排空。
过滤水装置由于实验期低温，过滤桶紧靠方舱壁，桶内因结冰无法制取超纯水，实验期值班员需要提水制氢，希望通过位置调整或保温处理，提高设备的环境适应性。
2020年1月9日—2月7日，室外温度最低降至-33.7℃，夜间舱内温度逼近0℃，为了保障设备安全运行，我们增加了一台电暖气辅助供热。建议舱内增加一部空调供热。
4 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢试验数据分析
在180次试验中，氢气产量均达到了2 m3/h的指标要求;氢气纯度均达到了99.7%的指标要求;24 h平均泄漏率不超过0.25%/h。氢气产量的达标率和氢气纯度的合格率都达到100%。试验期间设备的可靠度≥0.95，即故障率≤5%;设备的平均故障维修时间≤30 min（表1）。
5 QDQ2-1A方艙型自动水电解制氢设备优点
（1）能够在值班室上位机内远程操作，以自动控制方式，完成一键式制氢、气体纯度分析、储罐充氢等工作。
（2）有参数超过报警值，设备应能够自动实现声光报警以提示值班人员，如果有参数超过连锁值，设备应能够实现连锁停机。
（3）可对设备运行数据进行自动显示、存储、查询。
6 QDQ2-1A方舱型自动水电解制氢设备的安全性
制氢主机、控制装置与储氢装置采取分室隔离方式，远程控制，人机分离。制氢主机设有压力上限报警、上限联锁及压力控制器硬联锁系统;储氢装置设有压力下限报警、上限报警、上限联锁及压力控制器硬联锁系统;氢、氧分离器液位设有下限报警、下限联锁及上限报警、上限联锁系统;制氢室、储氢室内设有氢气浓度监测系统;氢、氧分离器内设有自励式电解液外溢阻止装置;氢气出口设有阻火设施;各操作开关具有防误操作功能及特别标识;所有涉氢的电气设备采取防爆措施。充球装置具有漏氢自动报警并自动停止充气的功能。制氢室、储氢室安装有视频监控，可实时观看或者定时回看房间里影像。制氢方舱顶部布设防雷装置，并有良好的接地性能，接地电阻不大于10 Ω，制氢主机、储氢罐、控制装置和充球装置有良好的接地。
在整个试验过程中没有发生安全生产事故，该设备没有发生安全性故障，值班人员没有发现使用中的安全隐患。氢气是易燃易爆气体，电解水制氢是十分严格谨慎的工作， 稍有麻痹大意就可能引发安全事故。韦肖林等学者对QDQ2-1型电解水制氢设备的使用、操作注意事项进行了总结，QDQ2-1A型虽然安全性很高，制氢员还是要严格遵守制氢操作规程和安全制度，避免事故的发生[2]。 7 小结
此次QDQ2-1A型自动水电解制氢设备业务化试验过程符合《全自动水电解制氢设备测试评估工作方案》中的要求;试验过程中设备运行正常，安全可靠;试验数据结果满足全自动制氢设备的主要技术指标。
QDQ2-1A型自動水电解制氢设备提高了设备的性能，完全满足气象部门探空制氢业务使用的各项要求，为探空业务自动化观测工作提供强有力的保证[3]。解决QDQ2-1型水电解制氢设备常见故障，有助于完善并提升现有探测设备的探测能力，获取准确的探测数据，为准确的气象预报，优质的气象服务提供基础，从而提升我国防御气象灾害和应对气候变化的能力[4]。
参考文献
[1] 中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京：气象出版社，2010.
[2] 韦肖林，苏娟.QDQ2-1A型电解水制氢设备安全操作要点[J].气象研究与应用，2012，33（S1）：226-227.
[3] 杨腾慧，黎洁波，韦玉洁.QDQ2-1A型自动水电解制氢设备在南宁高空观测业务中的应用研究[J].技术与市场，2020， 27（10）：95-96.
[4] 韦振华.QDQ2-1型水电解制氢设备常见故障分析及其维护[J].气象研究与应用，2012，33（S1）：215-216.
责任编辑：黄艳飞
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