制氫加氫一體化站自控系統設計

1 概述

隨著環保要求的日益提高，各國越來越重視發展新能源汽車。自“十二五”確定七大戰略性新興產業以來

，國家密集出臺了多項新能源汽車鼓勵政策。相較于目前已形成規模的電動汽車產業，氫燃料電池汽車的發展還處于開始階段。氫燃料電池汽車與燃油車相比，有零排放、高效率等優勢；與電動汽車相比，有能量密度大、加注燃料時間短、續航里程長等優點。截至2020年12月底，國內已投入運營的加氫站約101座。作為氫燃料電池汽車的配套設施，加氫站的設置與運營影響著氫燃料電池汽車產業的發展。制氫加氫一體化站相較于單一作用的加氫站，可減少高壓氫氣長距離運輸成本，也能避免上游氫源短缺時站內無氫可加的情況出現。

為滿足制氫加氫一體化站連續生產、銷售的工作需求，本文提出了一套自控系統的設計方案

。此外，分析制氫、加氫裝置中較為重要的控制、聯鎖方案。

2 工藝流程

2.1 工程概況

某制氫加氫一體化站設置了一套天然氣重整制氫系統

，制氫規模1 000 kg/d。35 MPa加氫設備兩套，并預留70 MPa加氫能力。站內所需原料天然氣引自本站旁天然氣調壓站。主要工藝裝置包括天然氣重整制氫設備、天然氣變壓吸附設備、儲氫設備、氫氣壓縮機及加氫機等。

2.2 工藝流程[5]

工藝流程見圖1。

原料天然氣通過轉化爐預熱到280 ℃進入脫硫槽，脫硫槽內的氧化錳及氧化鋅脫硫劑將天然氣硫質量濃度降至0.02 mg/m

之下，以滿足后續反應要求。脫硫后的天然氣與飽和蒸汽混合，進入轉化爐預熱盤管進一步加熱到550 ℃，在轉化爐輻射段發生轉化反應。轉化反應為：

3.3.3 鄉土植物的挖掘應用 挖掘并應用鄉土植物，利于提高植物栽植的成活率，減少后期養護所需的碳排放。除此之外，鄉土植物的挖掘利用，其施工運輸成本低，碳排放較少。

(1)

建立物流信息系統主要在兩個層面中，一是對系統中的多個基本模塊進行設計，在實際運送過程中，提高訂單的生成效率，通過系統實現訂單的生成、傳遞和接受。更重要的是對系統支持模塊的設計，通過對地圖及倉庫的設計，使其有效的分布與結合，由此組成物流信息系統的基本架構。通過系統基本模塊設計與系統支持模塊設計相互支持，使得物流信息系統與移動互聯網結合，提高物流信息系統處理訂單的速度，使其更穩定運轉。

(2)

轉化后產品氣溫度約為800 ℃，進入廢熱鍋爐及換熱器，給鍋爐用脫鹽水預熱，產品氣降溫至330 ℃后進入中變爐，發生如下變換反應：

(3)

變換反應為放熱反應，變換后產品氣再次進入廢熱鍋爐及換熱器，與鍋爐用脫鹽水換熱進行降溫。產品氣降溫至50 ℃后進入中變氣冷卻分離器，分離出來的冷凝液可接入脫鹽水系統或通過地溝排放。隨后產品氣進入PSA變壓吸附裝置。本站采用5-1-3/P模式PSA變壓吸附

。經過PSA變壓吸附后的氫氣純度及雜質含量滿足燃料電池汽車用燃料標準。吸附塔再生過程中產生主要組分為甲烷、氫氣、一氧化碳及二氧化碳的解析氣，用作轉化爐的燃料，既可以解決再生尾氣排放問題，又能節約燃料天然氣的消耗。

（1）試驗用鋼板 試驗采用板厚32mm和50mm的Q500qE鋼板進行，采用熱機械軋制（TMCP）+回火（T）工藝軋制，鋼板的化學成分和力學性能如表1和表2所示，均符合《商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋鋼板供貨技術條件》要求。鋼板采用超聲波檢測復驗，符合《厚鋼板超聲波檢驗方法》GB/T 2970 —2004 II級要求。

⑥ 高、中、低壓儲氫瓶組控制

3 自控系統設計

3.1 自控系統組成

該站自控系統主要由PLC(可編程邏輯控制器)系統、SIS(安全儀表系統)、GDS(氣體檢測報警系統)及上位機組成

，自控系統邏輯圖見圖2。其中PLC系統負責站內正常生產過程中，現場儀表、控制閥、壓縮機PLC、加氫機PLC等信號的采集、控制功能的實現。壓縮機及加氫機PLC自帶RS485通信接口，采用MODBUS-RTU協議與本站PLC系統進行通信。當站內發生事故，PLC系統失效時，SIS自動介入，將緊急切斷閥聯鎖置于故障安全位置，對壓縮機及加氫機進行聯鎖停車，降低事故發生的可能性。GDS對全站范圍內氫氣泄漏情況進行檢測。當站內發生氫氣泄漏時，將報警信號傳輸至PLC系統，站內觸發聲光警報。如氫氣泄漏嚴重，則將報警信號傳輸至SIS，聯鎖全站設備停車。上述信號均通過儀表電纜進行傳輸。

⑤ 中變氣冷卻分離器液位控制及聯鎖

天氣實況分析資料來自常規氣象觀測資料和NCEP/FNL 1°×1°再分析資料。其中常規觀測資料為地面逐3 h資料,高空逐12 h資料;航空氣象自動觀測資料(以下稱為AWOS)為逐1 min觀測資料,包括風場、氣壓、氣溫、降水量等氣象要素;形勢場分析和中尺度模式WRF模擬資料均采用NCE/FNL 1°×1°逐6 h再分析資料。

3.2 主要控制及聯鎖方案

① 原料天然氣及飽和蒸汽定比例調節

原料天然氣需與飽和蒸汽混合后進入轉化爐發生轉化反應。由于高水碳比可以提高天然氣中甲烷的轉化率，抑制轉化時的析碳副反應

，故將飽和蒸汽與天然氣按照水碳比(物質的量比)為3.5∶1進行混合。為滿足設定的水碳比，系統選用雙閉環流量比值控制。在原料天然氣管道上設置1臺渦街流量計FT-01，在飽和蒸汽管道上設置1臺孔板流量計FT-02，并在2條管道上分別設置流量調節閥FV-01、FV-02。將天然氣流量定為主物料流量，飽和蒸汽流量定為從物料流量。當流量計FT-01檢測到主物料流量或流量計FT-02檢測到從物料流量有波動時，通過改變流量調節閥FV-01或FV-02的開度，對流量進行定值控制，使物料流量始終穩定在設定值附近。當主物料流量設定值發生變化時，通過PLC系統進行比值控制，使從物料流量設定值也發生變化，從而使飽和蒸汽與天然氣的水碳比一直保持在3.5左右。流量比控制流程見圖3。

② 轉化爐爐膛溫度聯鎖

④ 解析氣進轉化爐壓力聯鎖

③ 燃料天然氣進轉化爐壓力聯鎖

當我們在進行股票運作時，追求的是績優股，當我們在購買房產時，追求的是未來的黃金地段，同樣，國有企業在進行經營時所追求的就是績優股、黃金地段，就是資產的良性發展。油田企業作為國有企業的一員，就是要維護國有資產安全，保障企業可持續發展。從當前企業審計的要求來看，質量和責任是企業審計的基礎，績效是企業審計的方向和目標，就是要發現企業是否成為了藍籌股，把投入產出比例如何作為國有資產的組成部分，油田企業的績效審計越來越被重視，它進一步擴展和深化了油田企業審計的內涵。

中變氣冷卻分離器液位控制聯鎖流程見圖5。中變氣冷卻分離器設置1臺差壓液位變送器LT-01及1臺音叉液位開關LS-02，在中變氣冷卻分離器液相口管路設置1臺液位調節閥LV-01及1臺切斷閥HV-04。通過檢測中變氣冷卻分離器液位來調節LV-01開度。當LV-01發生故障，調節功能失靈導致液位下降，LT-01及LS-02都達到低液位聯鎖值50 mm時，聯鎖切斷HV-04，防止冷凝液直排時，混有變換后產品氣的液體直接排入地溝，造成可燃氣體泄漏引發火災。

轉化爐溫度聯鎖控制流程見圖4。轉化爐爐膛設置3臺溫度變送器

，采用B型鎧裝熱電偶，測量范圍為0～1 800 ℃。在原料天然氣管道上設置切斷閥HV-01，在燃料天然氣管道上設置切斷閥HV-02，在解析氣管道上設置切斷閥HV-03。如爐管積灰結焦或轉化爐發生偏燒時，可能導致轉化爐爐膛溫度升高。為兼顧系統安全性及可用性，當3臺熱電偶中有2臺達到高溫聯鎖值1 150 ℃時，聯鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯鎖空氣鼓風機停機，防止爐管超溫損壞。

壓力聯鎖控制流程見圖4。在解析氣進轉化爐管道上設置1臺壓力變送器PT-02。如PSA變壓吸附裝置發生故障時，可能導致解析氣壓力升高。當PT-02達到高壓聯鎖值0.05 MPa時，聯鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯鎖空氣鼓風機停機，防止引發爐內閃爆。

PLC系統、SIS、GDS及上位機等設備通過屏蔽雙絞線接入站內工業以太網進行信息交流。站內自控系統預留與燃氣總公司監控中心的通信接口，可通過4G或5G網絡將站內信息上傳，從而實現裝置的遠程監控。

該機組汽封2010年進行了1次改造，高中壓缸葉頂汽封改造為可退讓式汽封；高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過橋)汽封改造為鐵素體刀齒蜂窩汽封和鐵素體接觸式蜂窩汽封。2016年機組揭缸檢查發現汽封已磨損嚴重，調節余量難以滿足要求，為適應節能技術的進步、提升機組性能，本次A修決定將高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過橋)汽封、高中壓缸葉頂汽封全部進行了更換。經招標，選用汽封結構形式為鐵素體汽封和鐵素體接觸式汽封。

壓力聯鎖控制流程見圖4。在燃料天然氣(簡稱燃料氣)進轉化爐管道上設置1臺壓力變送器PT-01。當燃料氣供應不足導致氣體壓力下降，PT-01達到低壓聯鎖值0.03 MPa時，聯鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯鎖空氣鼓風機停機，防止轉化爐火焰熄滅，引發回火。

將2.0 MPa氫氣送至加氫裝置。首先通過儲氫壓縮機將氫氣壓力升至20 MPa，并充入低壓儲氫瓶組中。再通過加氫壓縮機將氫氣進一步升壓至45 MPa，并分別充入高、中、低壓儲氫瓶組。加氫機根據燃料電池汽車內儲氣瓶壓力情況選擇合適壓力的儲氫瓶組進行供氣。站內設置氫氣充裝卸氣柜一套。當站內生產氫氣大于加氫需求時，可通過氫氣長管拖車將多余氫氣運走。當站內氫氣不能滿足加氫需求時，可用外來氫氣補充。

在保證氫氣充裝速度的同時，為提升氫氣使用效率，該站設置高、中、低壓3種儲氫瓶組。3種儲氫瓶組充滿時的壓力均為45 MPa，給汽車充裝后剩余瓶內氫氣壓力不同。高、中、低壓儲氫瓶組的容積比為4∶3∶2

。目前國內氫燃料電池汽車的氫氣瓶工作壓力一般為35 MPa。當儲氫瓶組均為充滿時，給氫燃料電池汽車加氫，首先使用低壓瓶組進行充氣。當低壓瓶組內壓力降為35 MPa時，切換至中壓瓶組進行充氣。當中壓瓶組內壓力也降為35 MPa時，切換至高壓瓶組進行充氣。通過程序控制瓶組出口閥門的自動切換，保證加氫時低壓瓶組與中壓瓶組、中壓瓶組與高壓瓶組之間壓力差為5～10 MPa。當低壓瓶組壓力約為16 MPa、中壓瓶組壓力約為26 MPa、高壓瓶組壓力約為36 MPa時，再次啟動壓縮機將3種瓶組充滿氫氣。

橡木桶貯藏后樣品感官得分為 97.68±2.35，4 ℃玻璃瓶密封保存酒樣感官得分為 79.84±1.98。貯藏工藝能夠明顯提高獼猴桃果酒樣品的感官，有助于加速產品成熟。橡木桶貯藏工藝對獼猴桃果酒感官的影響還需進一步進行對照研究。

1.2 云母片插入背光側的尖端下部一半位置 用云母片插入背光側的尖端下部一半位置后，誤認為幼苗會背光生長。而事實是： 幼苗直立生長(圖1)。

⑦ 制氫裝置與加氫裝置之間聯鎖關系

當制氫裝置停車時，聯鎖切斷從制氫裝置至加氫裝置的氫氣管道上的緊急切斷閥。加氫可使用儲氫瓶組內氫氣繼續加注。當儲氫瓶組內壓力不足且制氫裝置仍不滿足開車條件時，加氫裝置停車。

當加氫裝置出現故障停車時，根據恢復時間對制氫裝置生產過程進行調整。如加氫裝置故障可短時間修復，可將制氫裝置轉化爐調為低負荷工作模式，減少氫氣產量，并將產生的氫氣充入站內儲氫瓶組。如判斷加氫裝置短時間無法恢復工作，則啟動轉化爐停爐程序，并將除儲氫瓶組外工藝管道及設備內氫氣放空，以保障設備及人員安全。

⑧ 全站緊急停車

當站內發生火災、氫氣泄漏體積分數達到爆炸下限的25%(即氫氣體積分數為1%)或其他重大安全事故時，觸發SIS，緊急停車功能發揮作用。站內設置的聲光報警器發出報警信號，將各系統緊急切斷閥聯鎖置于故障安全位置，將緊急停車信號分別傳輸至加氫機、壓縮機等控制器，聯鎖停機。

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