火力發電廠制氫站控制與安全

范 煒

（國能浙江寧海發電有限公司，浙江寧波 315609）

1 制氫原理

水電解制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法。在充滿電解液（氫氧化鉀）的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。

2 電解水制氫系統組成

2.1 補水系統

生水首先進入除鹽水制備裝置內，經過超濾+二級反滲透處理后進入堿液箱、配堿水箱和冷卻裝置水箱。進入堿液箱、配堿水箱的水，配制成堿液，由配堿泵送進氣液分離裝置，進入堿液循環系統，從而為堿液循環系統補充堿液；進入除鹽水冷卻裝置水箱的水，在循環水泵出力下，流經水-水換熱器后進入氣液分離裝置、氫氣純化裝置中的多個冷卻器后，回到冷卻裝置水箱。

2.2 堿液循環系統

由電解槽出來的電解液有兩路：一路富含氫氣，另一路富含氧氣，它們分別進入置于氣液分離裝置內的氫分離器和氧分離器中，分離出氫氣和氧氣后，兩路堿液匯合，經堿液過濾器過濾后，再經過堿液冷卻器冷卻，進入堿液循環泵，由泵加壓后回到電解槽內，從而在制氫系統中實現堿液循環。

2.3 電解槽

堿液循環系統的堿液進入電解槽，水在直流電的作用下開始分解，在電解室的陰陽極板上分別產生氫氣和氧氣，隨電解液一起從電解槽兩端流出進入氣液分離裝置。

2.4 氣液分離裝置

氣液分離裝置內分別設有氫分離洗滌器、氧分離器、氫氣冷卻器、氣水分離器、堿液循環泵等設備。含有氫氣和氧氣的電解液分別經過氫、氧分離器，在重力作用下與電解堿液發生沉降分離，分離出的氧氣排放到室外，氫氣在分離裝置內進一步洗滌、冷卻、分離去除液滴，然后進入氫氣純化裝置。

2.5 氫氣純化裝置

在氫氣純化裝置中，催化劑催化與氫氣中殘留的氧氣發生反應，經過冷卻、吸附、分離后，得到純度為99.999%的高純氫氣。

2.6 氫氣儲存設備

高純氫氣經氫氣匯流排架平衡壓力后分配至各氫氣儲罐儲存。

2.7 供氫系統

目前主要有3種儲氫外運方式，氫氣鋼瓶組架、長管拖車和固態儲氫裝置。因固態儲氫裝置在國內應用較少，國內尚處于研發階段，因此，一般考慮以氫瓶組和長管拖車作為主要的運輸方式。

供氫系統的主要工藝流程如下：

氫儲罐→氫氣匯流排→氫氣緩沖罐→氫氣壓縮機→充氫匯流排（或充裝裝置）→氫瓶組（或長管拖車）。

2.8 輔助系統

制氫輔助系統主要包括：除鹽水制備系統、制冷換熱系統、壓縮空氣供給系統、堿液儲存系統和氮氣催掃系統。

2.8.1 除鹽水制備系統

除鹽水制備系統采用常規過濾、超濾、二級反滲透處理工藝，滿足制氫系統用水水質要求。

除鹽系統工藝流程：水（有壓）→碟片式過濾器→超濾裝置→超濾水箱→一級反滲透高壓泵→一級反滲透裝置→二級反滲透高壓泵→二級反滲透裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→制氫系統各用水點。

2.8.2 制冷換熱系統

制冷換熱系統主要包括緩沖水箱、循環泵、壓縮制冷機。

2.8.3 壓縮空氣供給系統

壓縮空氣供給系統主要包括空氣壓縮機、過濾器、干燥器和壓縮空氣儲罐。本工程配置一套儀表氣源裝置，滿足整個氫站儀表氣源，設備包含含空氣壓縮機、空氣儲罐等，滿足制氫系統儀表用氣要求。

2.8.4 堿液儲存系統

堿液儲存系統主要包括堿儲罐和堿液輸送泵，該系統主要實現外來堿液的裝卸，稀堿液的配制及廢堿液的回收等，滿足制氫系統電解制溶液配送需求。

2.8.5 氮氣吹掃系統

氮氣吹吹掃系統主要包括氮氣瓶組架及氮氣匯流排架，為制氫系統設備提供惰性氣體置換和吹掃功能，保證制氫系統安全運行。

3 PLC控制系統組成與特點

3.1 系統組成

一般火力發電廠制氣站含2套電解槽裝置。每套電解槽裝置被監控的設備與信號見表1。

表1 電解槽I/O表

除了電解槽信號外，其他公共部分的信號見表2。

表2 公共部分I/O表

PLC 系統配置見圖1。

圖1 系統配置

3.2 系統特點

氫站控制系統的可靠性非常重要，要求系統具備SIL2安全等級認證，PLC 控制系統要達到SIL2認證，則必須滿足處理器冗余和網絡冗余。

3.2.1 處理器冗余

2套相同的冗余機架（7槽），每個機架配置有：處理器模板；以太網通訊模板（冗余接口，連接I/O 機架，EN2TR）；以太網通訊模板（連接上位機，EN2T）；熱備通訊模板（用于主從處理器之間同步通訊，RM2）；光纖（用于熱備通訊模板之間通訊）；主從處理器在30 ms 內切換完畢。

注意：2個處理器機架必須是相同型號、相同系列號、相同固件版本；機架中的處理器模板、以太網通訊模板、熱備模板理器必須是相同型號、相同系列號、相同固件版本，并放在在相同的槽位。

3.2.2 網絡冗余

2個處理器機架和所有的I/O 機架通過環形以太網連接在一起，當環上某處網線斷裂或某節點發生故障時，與故障點最近的兩個環網節點自動環回通訊，自愈時間小于100 ms，并主動向操作員站上送網絡動作切換信息，操作員站在監控家畫面上通過網絡著色的方式，向運行人員提示故障網段，方便通信網絡故障查找和恢復。

2個處理器機架中的以太網通訊模板（EN2T）分別連接不同的交換機，以實現交換機冗余，其中一個交換機出現故障，不影響與上位機的通訊。

3.3 系統組態

EN2TR 模板的IP 地址與EN2T 模板的IP 地址最好處于不同的網段；主從機架中EN2T 模板的I/O 地址應該設置為一樣；先在以太網開環下，調試處理器冗余，處理器冗余調試成功，再將以太網閉環，進行環網調節。

4 氫站自動控制中核心技術

4.1 閥門控制

4.1.1 電解液的配制

（1）所有閥門為關閉狀態。

（2）開16C，向堿液箱內注原料水150L，關16C。

（3）打開8B、1B、5A、2B、7B，啟動循環泵，緩慢打開6A 至堿液流量最大，進行配堿循環。

（4）緩慢加入KOH（化學純，配稀堿溶液時，加入27 kg，配濃堿溶液時，加入58 kg）。待完全溶解后加入0.2%的V2O5（配稀堿溶液時加入0.35 kg，配濃堿溶液時，加入0.4 kg）。電解液配好后，關閉8 B、1B、5A、2B、7B、6A。

（5）待配好的電解液溫度降到常溫后，開8B、1B、5A、6A，啟動循環泵，緩慢開3A，將配制好的KOH 電解液（＜50 ℃）打入制氫機，至綜合塔液位計液位最低位。關8B、1B、5A、6A、3A。

（6）開5A、6A、1A 啟動循環泵，緩慢開3A 使堿液在制氫機內循環，觀察流量指示是否正常，正常后停泵，關3A、6A、1A、5A。

4.1.2 開機順序

（1）接通控制柜總電源及盤上各儀表氣源。

（2）接通控制柜及框架上氣源。

（3）關3A，停泵，并通過2D 向系統充氮至0.3 MPa，關閉2D。

（4）將補水系統切至“手動”加水位置，液位連鎖選擇開關切換至“斷”，差壓記錄調節儀、壓力記錄調節儀及溫度記錄調節儀的開關切換在“自動”位置上，調好給定值。

（5）打開冷卻水閥門4C、1C。

（6）緩開3A，啟動循環泵，開14C、12C、13C、6C、11C、3B 呈開車狀態，并檢查其他閥門是否處于關閉狀態。

（7）隨著槽溫上升，將堿溫三針記錄調節儀的給定調至70 ℃。

（8）當槽溫升至50 ℃后，將壓力給定調至3.2 MPa，待槽壓開到額定后，將補水系統的轉換開關切換至“自動”補水位置。待槽溫升至80 ℃后，觀察槽溫的變化趨勢，重新整定循環堿溫的給定值，使氧槽溫穩定在80～85℃。

（9）調節3A，使堿液循環量在300 L/h 左右（參考數）。

（10）開車后1h 可進行氫氣、氧氣純度分析。打開1H、2H，調節氫、氧氣減壓閥1F、2F，分別給氫中氧、氧中氫分析儀送氣，具體操作按該儀器說明書。如氣體純度合格，可開15C 同時關14C 向用戶供氣。

操作員界面如圖2～圖4：

圖2 制氫設備畫面

圖3 干燥畫面

圖4 儲氫罐和公共設備畫面

4.2 回路調節

在氫站的自動控制中，電壓控制、電流控制、溫度控制最為關鍵，而且它們相互關聯。

火電廠采用的電解槽生產能力一般為10～12 m3/h，額定電流為70～72 V DC，額定電流為800～820A，溫度為83-90 ℃。

運行時如果電壓過低，電解能力不夠；產量低，電壓過高，能耗大，具有安全隱患。如果電流低，產量低；電流過高，會影響電解槽壽命。電解槽溫度低，水電阻大，電流不能加大；電解槽溫度高，水電阻較低，電流可以加大，產量提高，但是溫度過高，超過上限（92℃），有安全隱患。

（1）溫度調節回路。溫度調節回路自動運行，自動將溫度檢測值與溫度設定值比較，實時計算閥門開度，控制冷卻水流量，達到控制電解槽溫度的目的。當電解槽溫度超過溫度上限設定值（92 ℃），PLC 輸出控制信號，將整流柜停機；溫度回路中的比例系數、積分系數、微分系數分別為35、1 000、12 000。

（2）電流調節回路。電解槽運行分為啟動階段、初始階段和運行階段，從啟動階段、初始階段到運行階段，PLC 的輸出電流分別為300 A、600 A 和800 A或820 A，這是由于電解槽開始運行時，電解液溫度較低，水電阻較大，如果一開始就輸出較大電流，此時電壓就超過限制了。

當電壓小于電壓設定值（70V）時，PLC 逐漸增大電流輸出給定，每個時間段（0.5s）電流加4；當電壓大于70V 但小于72V 時，PLC 減小電流增大的幅度，每個時間段（0.5s）電流加2，當電壓超過72 V 時，PLC 減小電流輸出，每個時間段（0.5s）。

（3）電壓調節回路。在電解槽的電壓控制中，整流柜采用電流模式，接收來自PLC 的電流信號，實時調節輸出電壓（I=V/R），當電壓超過整流柜中設定的節壓電壓時，輸出電壓將截壓，如果電壓超過電壓上限，整流柜自動停機。

在火電廠制氫站應用中，整流柜采用電流控制模式，接收來自PLC 的電流控制信號，使電解槽工作時在額定的電壓下有足夠的電流，以達到足夠的電解能力。電解槽運行分為兩個階段。第一階段：電解槽剛啟動，電壓達到截壓值75 V，電解槽溫度上升，電流也隨之上升。第二階段：當電解槽溫度達到設定值后，電流達到設定值，這時電壓會下降到一個穩定值。

（4）溫度調節回路。溫度調節回路是一個獨立的PID 回路，溫度設定值為83℃，通過控制冷卻水閥門開度控制冷卻水流量，使得電解槽電解液溫度控制在設定值附近，當溫度操過92℃，整流柜自動停機。

4.3 安全生產

4.3.1 漏氫檢測

在氫站生產中，安全生產極為重要，為每套制氫設備配置2套漏氫檢測儀，在兩種情況下進行報警：（1）當漏氫值超過設定值時。（2）實時比對2套監測檢測儀的實際值，當兩臺檢測儀的檢測值的偏差超過設定值時，需要進行儀表校對。

4.3.2 信息安全

為氫站操作站配置一套主機安全防護軟件，增強操作可靠性與安全性。它具有以下特點。（1）系統權限管理。采用三權分立原則，系統設置超級管理員、管理員、審計員三種權限，根據不同權限對系統分級管理。（2）程序白名單管理。對系統中白名單文件進行添加、導入、導出等操作。可進行全盤掃描，掃描到本地磁盤所有的可執行文件并自動生成白名單庫文件。任何不在白名單內的可執行文件都將被阻止運行（3）實時報警。安全防護狀態開啟后，執行任何非白名單內的可執行文件都將被阻止，并彈出程序阻止運行報警，報警包含程序的路徑及文件名信息。根據策略對移動存儲設備的使用進行有效控制，對非授權的設備插入進行阻止，對系統文件或注冊表的訪問權限進行控制，出現類似操作進行有效的告警及時提示維護人員。（4）系統管理配置。系統管理配置分為系統配置、主機加固和用戶管理。（5）日志審計。對系統中應用程序運行日志、移動存儲日志、用戶操作日志等進行有效記錄。可查詢系統運行了哪些非法可執行文件，非法訪問移動文件，執行了哪些操作等功能，記錄違反安全策略行為的應用程序名、時間、證書等，支持日志導出，方便后期查詢。（6）數據管理。對數據庫的有效管理，可定期對數據進行備份，選擇時間對數據庫進行還原，支持數據的導入、導出等功能。（7）配置信任路徑。信任路徑管理是用于管理信任路徑、信任進程以及文件白名單的命令行程序。它可以對信任路徑、信任進程以及文件白名單進行添加、刪除、顯示操作。（8）自身保護功能。能夠防止非法卸載、停止本主機防護軟件的應用程序、服務及驅動，并對執行此類操作的行為進行記錄、告警。（9）用戶身份可信認證。

4.4 視頻監控

為了減員增效，通過具備AI 識別系統的監控系統來實現氫站無人值守。

AI 視頻分析處理是一項具有挑戰性的工作，在視頻處理中將逐幀讀取視頻，并且對于每一幀，將執行圖像處理以便從該幀中提取特征。

AI 視頻處理包括5個關鍵任務的混合。

（1）物體檢測。它是一種計算機視覺形式，可以識別圖像或視頻中的對象并找到它們。物體識別可以使用這種識別和定位的方法計算場景中的物品，并確定和標注它們的確切位置。

（2）物體識別。物體識別是一種計算機視覺形式，用于識別圖片或視頻中的物體。深度學習和機器學習算法的主要結果是物體識別。就類似當人類看圖像或看電影時，可以快速發現和甄別人物、事物、場景等信息。

（3）目標跟蹤。目標跟蹤是機器視覺領域的重要課題，被廣泛應用于智能監控、動作與行為分析、自動駕駛等應用領域。例如在足球比賽中，目標不僅僅是人，也可能是生物、汽車或其他重要物體，例如足球。

（4）實時視頻分析。攝像機會產生大量視頻數據，人工有時無法手動查看存儲的圖像以進行相關事件的處理。因此需要借助AI 智能識別分析，以此來發現監控圖像中的重要信息，如周界入侵、危險行為、煙火、可疑人臉等。

（5）觸發實時警報。AI 通過在視頻圖像中檢測到異常行為時，便做出響應，如：向管理員發出告警信息。視頻識別技術提高了態勢感知的能力。一些應用示例包括：

①基于相似外觀的告警。視頻監控可根據實體外觀相似的需求定制告警，如危險物檢測、煙火檢測、閥門開關位置。在氫站中，可以讓攝像頭監控若干關鍵閥門，當檢測到閥門的開關位置不對時，將監控站上聲光報警；可以讓攝像頭監控關鍵設備的位置，當設備位置不對時，將在監控站上報警。

②基于計數的告警。當在給定時間段內在預定位置檢測到一定數量的物體（車輛或人）時，可以觸發警報。在氫站中，可以讓攝像頭監控關鍵手動設備的開合次數，若次數異常，在監控站上報警。

③人臉識別告警。相關部門可以根據從視頻圖像中提取的信息，以此快速識別可疑人物并實時發出告警。在氫站中，可以對下列行為進行報警識別并報警。

④安全生產類。未帶安全帽，打電話，吸煙，未穿工作服，有人跌倒等。

⑤人員管理類。白名單人臉識別，人數限定，外來人員識別，人員越界等。

⑥設備識別。設備位置，設備動作狀態，設備動作次數，設備看護等。

5 結語

結合寧海發電公司氫站改造的幾個重點得出，控制系統的可靠性和安全性是建立在現場檢查設備和執行機構的可靠性上，建議更換流量開關、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門等現場設備。