[发明专利]基于Surrogate的氢能系统碱性电解槽的安全故障预测方法

说明书

一种基于Surrogate的氢能系统碱性电解槽的安全故障预测方法，根据碱性电解槽的现场数据及单元类型构建失效率多维样本空间，之后采取拉丁超立方抽样方法生成碱性电解槽的失效率数据样本并建立surrogate模型，通过协方差矩阵检测样本预测误差并在误差超限时对样本数据重新进行补充与测试，最终得到碱性电解槽某单元的优化失效率。通过优化失效率计算偏差，根据偏差确定碱性电解槽各个单元出现的氢能安全故障。

技术领域

本发明涉及一种氢能系统碱性电解槽的安全故障预测方法。

背景技术

氢气作为一种新型能源受到人们的普遍重视。人们已认识到，尽管能从煤、石油和天然气等原料中制取氢气，但这些原料正逐年减少以至枯竭，不得不寻找新型的制氢方式。水电解制氢是水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气的氢气制造方法。近年来，随着我国对化工行业的监督管控力度不断加大以及安全生产标准化、环境和职业健康安全体系的不断完善，虽然氢能系统的碱性电解槽由于老化等缘故发生故障造成的安全事故率不断下降。然而，可靠性低、易发生故障、运行寿命短等缺点依旧限制着碱性电解槽的商业化进程。

现有研究表明，在碱性电解槽的水管理故障中，运行温度低、负载电流大以及气体过量系数低等原因易导致水淹故障发生。此外，碱性电解槽运行过程中产热与散热失衡是热管理安全故障出现的主要原因。并且，碱性电解槽的运行过程中广泛存在反应气体饥饿、增湿故障、短路故障等安全故障。安全故障的出现会加速碱性电解槽性能衰退与寿命缩减，使电解槽各个单元失效率发生改变。故准确快速地对碱性电解槽的安全故障进行分析，以及对工业应用解决设备各个单元失效率的预测与优化问题具有关键意义。

发明内容

本发明以碱性电解槽为对象，针对氢能系统碱性电解槽的失效率预测与优化缺失的缺点，提出一种基于Surrogate的氢能系统碱性电解槽的安全故障预测方法。本发明可用于碱性电解槽的安全故障预测。

本发明安全故障预测方法步骤如下：

1、基于石化过程工业常用失效数据库，采集碱性电解槽各个单元的预测失效率Z_V(x)，Z_V(x)为碱性电解槽各个单元的变量空间V内的n个失效率样本值；

2、将碱性电解槽分为氢氧气体单元、电解液循环单元、氮气置换单元、原料水补充单元、冷却水单元、排污单元、补碱单元共七个单元。

检测碱性电解槽上述各个单元失效率的现场数据，并以单元为依据对现场失效率数据进行分类；

3、将碱性电解槽各个单元常见的安全故障分为水管理故障、热管理故障、反应物饥饿、传感器故障和短路故障；

4、对碱性电解槽不同的单元由于失效率产生的不同安全故障进行分析；

5、在碱性电解槽失效率的七个多维样本空间中利用拉丁超立方抽样方法对数据样本进行采样；

6、对样本点x的目标函数进行测试，并建立Surrogate预测模型：

7、使用协方差矩阵与描述预测值与实际值偏差随距离变化的半变异函数，使碱性电解槽的不同单元的失效率预测值与碱性电解槽各个单元的变量空间V内的n个样本值之差的估计值无偏且最优；

8、得到能够准确预测碱性电解槽各个单元的失效率的Surrogate模型，该模型受氢能流影响产生不同失效率现场数据的变量关系，即可得到优化后的失效率

9、每种故障类型对碱性电解槽的失效率具有不同的范围影响，对碱性电解槽各个单元可能产生的安全故障进行分析；

10、将计算得到的碱性电解槽设备部件的失效率数据与碱性电解槽设备各个部件的预测失效率相比较，计算两者的偏差；

11、对碱性电解槽设备部件可能产生的安全故障进行分析与辨识。