水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)升級(jí)實(shí)例分析

張殿朝，許德洪，張志強(qiáng)，趙傳健

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津300387；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)升級(jí)實(shí)例分析

張殿朝1,2，許德洪2，張志強(qiáng)2，趙傳健2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津300387；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

通過(guò)對(duì)FDQ-100型水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將原有氣動(dòng)控制升級(jí)為PLC軟件控制，配備上位機(jī)顯示及遠(yuǎn)程控制，可同時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行情況、報(bào)警點(diǎn)位，并繪制系統(tǒng)運(yùn)行壓力、溫度、氫氧側(cè)液位等曲線。在增加安全連鎖保護(hù)的同時(shí)，大大提高了調(diào)解指令控制精度與故障排除效率，消除了因原控制系統(tǒng)老化帶來(lái)的液位波動(dòng)安全隱患，提升了制氫系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，控制系統(tǒng)優(yōu)良的擴(kuò)展性能為進(jìn)一步提高制氫站的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

水電解 氫 控制系統(tǒng) PLC

水電解制氫是制備高純氫的常用方法，其制氫純度可達(dá)99.8%,以上，可直接用于一般場(chǎng)合，還可以通過(guò)純化(將純度提高到99.999%,)和干燥(將露點(diǎn)提高到-69～-90,℃)的后續(xù)加工，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。由于氫氣屬危險(xiǎn)化學(xué)品，不斷提高制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行能力是制氫企業(yè)的重中之重。

某廠FDQ-100型水電解制氫設(shè)備可實(shí)現(xiàn)100,m3/h產(chǎn)氫能力，但由于其運(yùn)行年限較長(zhǎng)，原有控制系統(tǒng)設(shè)備、儀表等老化較為嚴(yán)重，差壓變送器信號(hào)采集及氣動(dòng)動(dòng)作指令誤差較大，造成氫氧側(cè)液位波動(dòng)，且由于控制系統(tǒng)部件逐漸被市場(chǎng)淘汰，維修難度不斷增大，給安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患。為提高安全生產(chǎn)能力，決定對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

1 控制系統(tǒng)整體升級(jí)思路

本次控制系統(tǒng)升級(jí)，擬將原有以分立元件氣動(dòng)控制為主的系統(tǒng)升級(jí)為PLC控制，增加操作觸摸屏及上位機(jī)顯示，提高控制精度，完善報(bào)警連鎖保護(hù)，同時(shí)預(yù)留端口為日后儲(chǔ)罐區(qū)增加報(bào)警保護(hù)。

2 控制系統(tǒng)升級(jí)所需材料及步驟

2.1 控制系統(tǒng)升級(jí)所需相關(guān)設(shè)備儀表(見(jiàn)表1)

2.2 控制系統(tǒng)升級(jí)步驟

2.2.1 制氫設(shè)備停車(chē)

對(duì)電解槽進(jìn)行退堿，置換氮?dú)?。由于升?jí)改造在冬季開(kāi)展，為保證電解槽溫度，對(duì)電解間采取臨時(shí)供暖，保證室內(nèi)溫度不低于6,℃。

表1 控制系統(tǒng)升級(jí)所需相關(guān)設(shè)備儀表Tab.1 Related equipment and instruments required for control system upgrade

2.2.2 拆除原控制系統(tǒng)

將原控制系統(tǒng)控制柜、整流柜、配電柜以及框架部分的差壓變送器、熱電阻溫度變送器、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、空壓減壓器等拆除。

2.2.3 安裝PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)安全進(jìn)度，逐步對(duì)整流柜、控制柜、配電柜進(jìn)行安裝，之后對(duì)框架部位儀表設(shè)備進(jìn)行安裝。

2.2.4 制氫系統(tǒng)保壓試驗(yàn)

分別對(duì)制氫系統(tǒng)水路、氣路進(jìn)行打壓試驗(yàn)，排查跑冒滴漏現(xiàn)象，同時(shí)檢驗(yàn)各點(diǎn)位儀表是否正常顯示。

2.2.5 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)解

由廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及此前設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)定，對(duì)液位、壓力、溫度進(jìn)行控制調(diào)解，同時(shí)設(shè)定各報(bào)警參數(shù)。

2.2.6 系統(tǒng)試運(yùn)行

對(duì)電解槽進(jìn)行置換，按照新擬定的操作規(guī)程進(jìn)行開(kāi)車(chē)試運(yùn)行，同時(shí)，針對(duì)試運(yùn)行中出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行排除，直至產(chǎn)氣量及各項(xiàng)指標(biāo)正常。

2.2.7 預(yù)設(shè)報(bào)警試驗(yàn)

根據(jù)此前設(shè)計(jì)，對(duì)報(bào)警連鎖進(jìn)行試驗(yàn)(見(jiàn)表2)。

表2 預(yù)設(shè)報(bào)警連鎖表Tab.2 Default alarm linked list

3 實(shí)際使用情況分析及討論

根據(jù)控制系統(tǒng)升級(jí)情況，制氫站及時(shí)修訂了安全操作規(guī)程，并將該制氫系統(tǒng)重新投入試生產(chǎn)，在此期間，系統(tǒng)運(yùn)行反饋情況如下：

由于增加了上位機(jī)顯示，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)清晰，各儀器儀表反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，同時(shí)能夠準(zhǔn)確反映報(bào)警部位，大大提高了隱患排除效率，見(jiàn)圖1、2。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖Fig.1 System operation state

圖2 報(bào)警點(diǎn)位顯示圖Fig.2 Display of alarm points

系統(tǒng)能夠不間斷采集各點(diǎn)位數(shù)據(jù)并繪制制氫、槽溫、槽壓、液位等曲線圖(見(jiàn)圖3、4)，記錄故障數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率起到了積極作用。但由于系統(tǒng)本身未安裝氫氣流量計(jì)，系統(tǒng)無(wú)法采集氫氣產(chǎn)量，未能與槽溫、槽壓等數(shù)據(jù)對(duì)比。可考慮后續(xù)加裝氫氣流量計(jì)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣量采集。

圖3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖(電壓、電流)Fig.3 Production data curve: voltage and current

安全連鎖保護(hù)的升級(jí)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的整體安全水平，由于各路報(bào)警信號(hào)主要集成至PLC，若PLC主機(jī)斷電，數(shù)據(jù)記錄及報(bào)警點(diǎn)位記錄將無(wú)法采集，相關(guān)參數(shù)也無(wú)法設(shè)定，只能待再次通電后系統(tǒng)自行動(dòng)作。為提高運(yùn)行安全性，考慮為PLC控制系統(tǒng)增加UPS，用于控制系統(tǒng)動(dòng)作及數(shù)據(jù)采集。

圖4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖(系統(tǒng)溫度)Fig.4 Production data curve: system temperature

4 結(jié) 論

升級(jí)PLC系統(tǒng)后解決了原控制系統(tǒng)控制部分分立元件老化、參數(shù)采集誤差大造成的氫氧側(cè)液位波動(dòng)等問(wèn)題，系統(tǒng)控制精確、穩(wěn)定，系統(tǒng)的集中顯示、操作提高了職工安全生產(chǎn)效率，同時(shí)系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，為今后進(jìn)一步完善制氫站安全管理奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

［1］ 陳士英. 水電解制氫設(shè)備工藝流程及常見(jiàn)故障排除[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011(4)：93-94.

［2］ 吝子?xùn)|，賀奇，陳曉東. PID調(diào)解在水電解制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 艦船防化，2014(1)：33-37.

［3］ 馬海勇. 水電解制氫控制系統(tǒng)的改造[J]. 河北化工，2000(3)：44-45.

A Case Study of Control System Upgrade for Water Electrolysis Hydrogen Production Equipment

ZHANG Dianchao1,2，XU Dehong2，ZHANG Zhiqiang2，ZHAO Chuanjian2
(1．Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2．China Electronics Technology Group Corporation No.46 Research Institute，Tianjin 300220，China)

Through the upgrade of a FDQ-100 type water electrolysis hydrogen production equipment control system，the original pneumatic control was transformed to PLC control and the system was equipped with PC display and control．At the same time，a security chain protection was added，which has greatly improved the accuracy of the mediation and efficiency of fault elimination．The excellent performance of the new control system provides a foundation for further improvement of the safe operation of hydrogen production stations.

water electrolysis；hydrogen；control system；PLC

TP29

A

1006-8945(2016)08-0059-03

2016-07-04