基于PLC 的水電解制氫裝置溫度控制研究

尚建楠

（新天綠色能源股份有限公司， 河北 石家莊 050000）

引言

高純氫氣的主要用途是還原劑，在工業生產領域的應用較為廣泛，對高純氫氣的制備工藝要求越來越高[1]。目前較為成熟的高純氫氣制備工藝為水電解，其不僅能夠收集得到高純度的氫氣，還不會對環境產生污染，可謂是綠色制備工藝，符合可持續發展的要求[2]。水電解氫氣生產工藝要求制備設備具有較高的安全性和可靠性，尤其是控制系統更為重要[3]。溫度作為水電解制氫工藝的重要控制參數，直接影響著氫氣的產量和純度，有必要采取更為先進的控制技術。PLC 作為目前工業領域應用較多的核心控制器，具有很好的應用前景[4]。

1 水電解制氫工藝概述

1.1 水電解制氫工藝

水電解制氫工藝需要在電解槽內完成，電解槽內盛放30%左右的氫氧化鉀溶液，給電極接通直流電源之后即可產生氫氣和氧氣。電解產生的氫氣和氧氣會匯同氫氧化鉀溶液進入氫分離器和氧分離器完成氫氣與氫氧化鉀、氧氣與氫氧化鉀的分離；之后氫氣和氧氣進入氣水分離器，完成干燥純凈氫氣和氧氣的制備，后續收集存儲即可。分離出來的氫氧化鉀溶液冷卻分離堿液后先進入堿液過濾器除去機械雜質，然后進入堿液冷卻器進行換熱冷卻，接著重新注入電解槽繼續電解循環。

1.2 制氫工藝對溫度的要求

水電解制氫工藝在電解槽中發生的化學反應如下：

陰極：4e-+4H2O=2H2↑+4OH-

陽極：4OH-=O2↑+2H2O+4e-

總反應式：2H2O=2H2↑+O2↑+熱量Q

由水電解制氫工藝反應過程可得，電解反應屬于放熱反應，隨著反應時間的延長，電解槽溫度會不斷升高，隨之產生的影響如下：電解產生的熱量會使電解液溫度升高，提高溶液電導率和電極反應速率。相關研究表明，電解液升高1 ℃，電解電壓會減小0.25%，電解效率得到明顯提高；與此同時，電解液溫度的提高，會增加電解裝置的氧化速度，威脅電解裝置的安全，降低其使用壽命。綜上，水電解制氫過程中需要嚴格控制電解液溫度。較為適宜的溫度為80～90 ℃，同時需保證電解速率和裝置使用時間。

2 溫度控制方案及原理

2.1 溫度控制流程

水電解制氫時氫氧分離器出口堿液的溫度較高，直接流入堿液冷凝器由低溫冷卻水進行降溫，降溫之后溫度為65 ℃左右，之后注入電解槽內中和槽內高溫堿液，以此不斷循環實現電解液的冷卻。由上述冷卻過程可得，通過調整堿液冷卻器內部的冷卻水流量，即可很好地控制堿液冷卻器出口液體的初始溫度值，確保流入電解槽內的冷卻堿液溫度恒定，進而保證電解槽內的溫度不變。

2.2 溫度控制方案

基于水電解制氫溫度控制流程完成溫度控制系統設計，如下頁圖1 所示，主要包括溫度監測、主控單元、監控單元和執行結構等部分。其中溫度監測選擇溫感靈敏的熱電偶；核心控制器選擇西門子生產的S7-200 的PLC，配套EM235 模擬量模塊作為主控單元；設計合適的上位機，供監控人員進行溫度的實時監視和遠程控制；系統中的執行元件為氣動薄膜調節閥。

圖1 溫度控制系統示意圖

熱電偶置于電解槽堿液管道的出口用于檢測堿液溫度，之后轉換成4～20 mA 的電流信號，經EM235 模擬量的溫度信號轉換成數字量信號，傳輸至PLC 主控系統。PLC 根據自身的PID 調節算法進行堿液溫度實際值和目標值進行對比分析，之后由EM235轉換成4～20 mA 的電流信號，之后驅動氣動薄膜調節閥的閥門開度，以此控制冷卻水的流量，確保電解槽內溫度的恒定。

2.3 PID 控制原理及參數

PID 控制輸出變量M（t）是關于時間t 的函數，具體的表達式如下，其中M（t）為PID 控制回路的時間函數；e 為PID 控制回路的誤差；Kp為比例參數；Kt為積分參數；KD為微分參數。PID 的閉環控制實現是利用輸出變量M（t）去控制溫度，以偏差數值正負進行調節。

電解槽溫度控制中的PID 參數作用如下：第一是Kp，代表比例參數的大小，與控制系統的響應時間相關，其值越小，響應時間越長；其值越大，響應時間越短，會造成電解液的產氣量的波動。為了降低控制系統中的靜態誤差，引入積分參數，Kt數值越小，積分作用明顯，系統調節波動較大，系統控制穩定性差；Kt數值越大，積分作用越弱，電解槽溫度調節混亂。為了降低被控對象的滯后性，引入微分參數，KD數值越小，超前調節作用越弱，使電解槽溫度調節滯后；KD數值越大，將會引起被調參數的浮動，電解槽溫度波動較明顯。

3 控制系統設計

3.1 硬件選型

控制系統中的PLC 選擇西門子生產的S7-200系列，內部配置的CPU 型號為224，配套使用的模擬量擴展模塊使用了4 輸入接口和1 輸出接口的EM235。溫度控制系統的上位機選擇的是研華工控機，PLC 與工控機之間的連接采用PPI 電纜。溫度傳感器選擇T 熱電偶，配置QZD 系列電氣轉換器和ZJHM 型氣動薄膜調節閥。

3.2 PLC 參數配置

PLC 接口配置如表1 所示。系統啟動時需要按下SB0，此時運行指示燈變亮；系統停止時，需要按下SB1，此時停止指示燈變亮；系統運行過程中，一旦電解槽內的檢測溫度大于等于溫度設定上限值時，將會觸發聲光報警功能，消除報警響應需要按下SB2，系統隨即復位。

表1 PLC 接口配置

3.3 人機交互界面

人機交互界面作為監控人員獲取電解槽實時監測溫度的窗口，其設計需要具有很好的宜人性，便于監控人員清楚觀察水電解制氫現場設備的運行情況并便于操作控制相關設備。控制系統人機交互界面設置了用戶訪問權限、具有不同截面相互切換功能、實時顯示水電解制氫裝置的實時運行參數和數據、對裝置各個組成部件進行了圖形元素和名稱的標注，便于監控人員的監視與遠程操控。

4 應用效果評價

為了驗證水電解制氫裝置PLC 溫控系統設計的可行性和效果，將其應用于某水電解制氫裝置進行試運行，跟蹤記錄PLC 溫控系統運行情況。統計結果顯示，PLC 溫控系統的應用，能夠很好地將電解槽內堿液溫度由原來的（85±5）℃控制在（85±1）℃范圍內。對比可見，PLC 溫控系統的引入，大大提高了電解槽的溫度控制精度，也保證了電解裝置的安全性和較長的使用壽命。