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1、第十五章 水电解制氢自动控制系统170第十五章水电解制氢自动控制系统第一节 水电解制氢干燥装置自动控制系统成水电解制氢及干燥装置的自动控制系统一般地,是由本地上位数据管理机、制氢控制柜、动力柜及现场控制仪器、仪表等组成,由此完成水电解制氢及干燥装置的系统控制及运行数据管理。装置的各个运行数据是由安装在制氢控制柜内的可编程序控制器（PLC）进行采集、处理，并通过通讯网络与上一层的计算机管理系统进行数据交换，其组成方框图如下：1.1 现场自控仪器、仪表水电解制氢及干燥装置所用的现场自控仪器、仪表按位置可分为四个部分:框架 1，即制氢及干燥装置主体，包括电解槽槽体、气液分离器、氢气洗涤器、碱液循环泵
2、、氢气干燥塔（A 塔及 B 塔） 、冷却器等；框架 2，即产品氢配气装置，经干燥后合格的产品氢气经此装置进入氢气储罐或向发电机组补氢；框架 3，包括原料水箱、碱液箱及系统加水泵；氢气储罐等。（1） 框架 1：本部分的自控仪器、仪表主要有以下四类： 变送器：包括压力变送器、差压变送器（氢液位变送器及氧液位变送器） 、铂电阻等。装置的工作压力经压力变送器后变成 420mA 的电信号传送到制氢控制柜；两套差压变送器分别把氢气液分离器中的氢液位及氧气液中的分离器中的氧液位变换成标准的420mA 信号传送到制氢控制柜；铂电阻共有五支，一支用来测量装置运行时循环碱制氢控制柜 动力柜变送器分析仪其它仪表执行
3、器循环泵加水泵风机231第十五章 水电解制氢自动控制系统171液的温度。两支分别用来测量干燥 A 塔和干燥 B 塔的上部温度，还有两支分别用来测量干燥 A 塔和干燥 B 塔的上部温度信号全部送入制氢控制柜。 执行器：包括有三个气动薄膜调节阀及七个气动球阀。 检测仪表：包括氢中氧分析仪、氧中氢分析仪及氢气露点仪等。 防爆电接点压力表或压力开关：一般设置了两块压力表，其中一块用来检测装置运行时的氢阀后压力，当氢阀后压力超过了报警设定值时，氢阀后压力超限报警信号即送入制氢控制柜内；另一块作用是，当自动控制系统失灵时，用来检测装置运行时的系统压力，并由此发出联锁信号直接传送给整流柜，切断整流柜的输出电
4、流，起到二次保护的作用。（2） 框架 2：框架 2 上的自控仪器、仪表及执行器机构视不同的要求进行的配置：当要求自动充罐功能且氢气储罐进行选择时，则对应每一个氢气储罐，此框架上安装一个气动球阀及一个压力变送器；当要求具有自动向发电机组自动补氢功能时，则在每一个补氢管路上增加一个气动球阀，补氢母管上安装一套压力变送器。（3） 框架 3：框架 3 上的自控仪器、仪表及执行机构视不同的要求进行不同的配置：当要求具有自动对原料水箱进行补水功能时，则在原料水箱的进水管道上安装一个气动球阀或防爆电磁阀用来控制进水；在原料水箱上安装一套差压变送器用来把水箱液位信号变换成标准的 420mA 信号传送给制氢控制
5、柜。12 制氢控制柜、动力柜：制氢控制柜是制氢及干燥装置自动控制系统的核心部分，负责整个装置的安全、稳定、可靠运行，其组成可以分为以下几个部分：（1） 可编程序控制器：可编程序控制器（PLC）是完成制氢及干燥装置自动控制功能的核心器件，装置的工作压力调节、运行温度的控制及氢位的平衡调节，干燥单元的工作状态选择、系统报警和联锁及相位处理等均由 PLC 来完成；其主要选型为美国 AB 公司的 SLC500 系列、德国 Siemens 公司的 S7300 系列及美国 Schneider 公司的 Modicon Quantun 系列，亦可根据用户要求选用其它型号的 PLC。有关不同型号的可编程序控制器
6、的详细说明，请参见各自的使用说明书。（2） 控制监测仪表：主要包括控制仪表如 XMT7002U 型数字显示调节仪和 XMT7602 型数字显示调节仪，用于显示和控制干燥 A 塔和干燥 B 塔运行情况；显示仪表如氢中氧分析仪、氧中氢分析仪及氢气露点仪等，分别显示制氢装置运行时氢、氧气体纯度及湿度。其可根据用户要求采用不同的型号。（3） 隔离栅：由于制氢及干燥装置处于氢气环境下，因而对防爆提出了一定的要求，所有从位于危险区的仪器、仪表送入制氢控制柜的电型号在处理之前先经过隔离栅隔离，然后再进入制氢控制柜内部，这样就能满足相应的防爆要求。（4） 电流传感器：整流柜输出到电解槽的电解电流在整流柜内经互
7、感器线圈及附属装置变换 00.5A 的电信号后,传送至制氢控制柜内,经电流传感器变送后成为标准的 15V 电信号送入可编程序控制器,由可编程序控制器得输出的整流给定信号 4 20mA 经电流传感器变第十五章 水电解制氢自动控制系统172成 110V 的电压信号传送至整流柜,作为整流柜的自动给定信号控制其输出到电解槽的电解电流大小。（5）电气转换器：主要采用 EPC1110OG/1 的电气转换器，PLC 的模拟量输出模块（AO）输出的 420mA标准信号经电气转换器后变成 0.020.10Mpa 的标准气动信号去驱动现场气动薄膜调节阀。（6）电磁阀：用来驱动现场的气动球阀。（7）空气过滤减压器：
8、空气过滤减压器主要用来对仪表气源进行过滤和减压，主要包括有 QFH111 型的空气过滤器，将气源压力减至 0.14Mpa，为三个电气转换器提供合格气源；QFH261 型的空气过滤减压器，将气源压力减至 0.350.45Mpa,为电磁阀提供合格气源。（8）固态继电器板：固态继电器板的主要作用是将 PLC 数字量输出模块（DO）输出的 24VDC 开关量信号转换成 220VAC 开关量信号去驱动电磁阀，或者为其它设备提供无源接点。（9）其它：制氢控制柜内的其它低压电器包括信号灯、按钮开关、24VDC 稳压线性电源等。13 上位数据管理机：CNDQ 系列制氢及干燥装置自动控制系统中的上位数据管理机一
9、般地选用工业用 PC机，其基本配置应满足 Microsoft WindowsNT4.0 的运行要求,上位机的系统监控软件根据 PLC 的选型不同可选用不同的开发软件,通常为 RSView、FIX 或 Intouch 等。上位数据管理机的运行参数以及发布系统的操作命令等。有关上位机的系统监控软件操作说明， 、详见有关内容。第二节 水电解制氢及干燥装置自动控制原理水电解制氢及干燥装置的自动控制系统可以分为两部分：即水电解制氢单元的自动控制及氢气干燥单元的自动控制，两部分的自动控制既相互独立，又互有关系，组成一个有机的自动控制系统。21 水电解制氢单元水电解制氢单元部分的自动控制任务是在装置运行时，
10、对系统压力，温度进行自动调节及控制，保持系统压力及温度的稳定；使氢，氧液位始终保持平衡；可按照操作人员要求自动进行整流的电流给定；在装置运行时根据一定的条件能对装置加水进行自动控制；能对水电解后产生的氢、氧气体纯度进行在线分析，并根据气体纯度自动判断是否使氢气进入下一工艺流程；当装置进行异常时及时发出报警信号，如果装置运行时的主要受监控参数超出规定的极限值时，自动发出联锁信号切断整流柜输出直流电流，使电解槽停止工作。本自动控制系统还设置了槽压的二次保护功能，即当自动控制系统失灵时，槽压的超上限信号通过坊爆电接点压力表或压力开关直接输出至整流柜，切断整流柜供电电源，从而保障装置的安全运行。2.1
11、.1 槽压调节控制系统：装置的槽压调节控制系统如图 2 所示。系统压力（04Mpa）经压力变送器转换后成 420mA 的标准电信号，送入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入 PLC 的模拟量输入模块（AI） ，在 PLC 中与设定的系统工作压力进行比较，应用 PID 酸法算法进行运算得出结果，并将此结果通过 PLC 的模拟量输出模块输出一个标准的 420mA 信号，经电气转换后转换成 0.020.10M pa 的标准信号,控制调节槽压的气动薄膜调节阀(氧阀)开度的大小,使系统运行时的槽压稳定在设定值。例如，当槽压高于设第十五章 水电解制氢自动控制系统173定值时，PID 运算的结果将使氧阀的开度增大
12、，致使槽压适当升高并与设定值基本保持一致。为使装置在非常状况下（如出现停电、停气源异常情况）下使氢、氧液位发生较大、较快的偏差，出于安全考虑，氧阀选用气开式薄膜调节阀。图 2 槽压调节及控制系统方框图当槽压在系统运行时超过了报警上限值（HI）时，PLC 发出声光报警，当超过了联锁上限值（HiHi）时，PLC 不仅发出声光报警，而且输出联锁信号至整流柜一次联锁回路，切断整流柜输出电流当自动控制系统失灵时，若槽压上升达到危险值时，由防爆电接点压力表或压力开关输出无源接点信号进入整流柜二次联锁回路切断整流柜供电电源，从而切断整流柜输出电流，这即上槽压的二次保护功能。槽压调节控制系统中涉及到的参数如下
13、：1.运行槽压设定值（SP1）：SP1 是整个装置的工作压力设定值，一般设定值在装置的额定工作压力，并可在线修改，以满足用户对不同的系统工作压力要求，但不超过装置的额定工作压力。2.加水启动压力设定值（SP2）：当装置初始启动时,为了避免由于液位较低导致控制系统自动启动加水泵给系统加水,设置了加水启动压力。当装置启动后，随着水电解的进行，使系统产气量增加，氢、氧液位会逐渐上生，最后达到一个稳定的液位。如果在装置启动时就开始给系统加水，就有可能造成氢、氧液位随着产气量的增加上升至联锁上限值，发生联锁反应。当出现这种情况时，可手动操作整流柜使之输出较小的电解电流，装置在此电流下运行一段时间后，系统
14、内的水被消耗一部分，使氢、氧液位降低到正常值，此时可加大电流，使装置继续运行。3.干燥单元启动压力设定值(SP3):干燥单元启动的工作条件是:制氢单元产出的氢气纯度合格且系统工作不低于 SP3;若系统工作压力过低,则产出的氢气流量很小,干燥单元不能正常工作。一般地，干燥单元启动压力设定在制氢装置的额定工作压力。4.槽压联锁上限值（HiHi）：装置运行时，若运行压力高于 HiHi 时，控制系统给出联锁信号到整流柜，装置自动停车、泄压，同时系统发出声、光报警。5.槽压报警上限值（Hi）：装置运行时，若运行压力高于 Hi 时，控制系统发出声、光报警。6.槽压调节比例系数（Kc）：控制系统对槽压调节时
15、进行 PI 运算时的比例系数。7.槽压调节积分时间(Ti):控制系统对槽压调节进行 PI 运算时的积分时间,单位为秒。2.1.2 氢、氧液位平衡调节控制系统装置的氢、氧液位平衡调节系统如图 3 所示。薄膜调节阀节阀隔离栅 PLC 电气转换器压力变送器报警响铃整流柜一次联锁回路整流柜二次联锁回路防暴电接点压力表或压力开关第十五章 水电解制氢自动控制系统1742.1.2.1 氢液位（0600mm）经氢差压变送器转换成 420mA 的标准电信号，送入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入 PLC 的模拟量输入模块（AI） 。装置在运行过程中原料水由于电解而被消耗，因此需要不时地加水，以补充被消耗的原料水。自
16、动控制系统是以氢液位的高低来判断是否对装置进行自动加水。PLC 将氢液位加水下限设定值及氢液位加水上限值进行比较，再根据一定的条件（如装置处于开车状态、无联锁且装置的运行系统压力高于一定值等）输出信号至加水控制回路，控制加水泵的启停从而达到自动加水的目的。氢液位调节控制系统中涉及到的相关参数如下：1. 氢液位加水下限设定值（SP1）：当实际氢液位低于 SP1 时，若满足一定条件，则加水泵启动，控制系统开始给装置自动加水。2. 氢液位加水上限设定值（SP2）：当实际氢液位高于 SP2 时，则加水泵停车，控制系统停止给装置自动加水。3. 氢液位下限联锁值（LoLo）：当氢液位低于 LoLo 时，控制系统发出联锁信号到整流柜，装置自动停车、泻压，同时系统发出声、光报警。4. 氢液位下限报警值（Lo）：当氢液位低于 Lo 时，系统发出声、光报警。5. 氢液位上限报警值（Hi）：当氢液位高于 Hi 时，系统发出声、光报警。6. 氢液位上限联锁值（HiHi）：当氢液位高于 H
