王 超

(廣東粵電集團(tuán)靖海發(fā)電有限公司,廣東惠來(lái) 515223)

0 引言

空氣中的氫氣含量超過(guò) 98%后,能起到良好的阻燃效果,同時(shí)氫氣具有較高的表面散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)?；谶@些特性,火力發(fā)電廠大量采用氫氣作為發(fā)電機(jī)的冷卻介質(zhì)。如何安全地制備高純度(大于 99%)的氫氣,成為火電發(fā)電過(guò)程中重要的工藝環(huán)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 工藝控制系統(tǒng)要求

本系統(tǒng)的主要目的是通過(guò)電解 KOH溶液來(lái)獲得高純度的氫氣,主要設(shè)備包括氫氣發(fā)生器和電源。本文重點(diǎn)針對(duì)氫氣發(fā)生器的控制進(jìn)行介紹。氫氣發(fā)生器主要包括電解液、氣體控制和調(diào)節(jié)、給水、冷卻水、氫氣干燥五個(gè)子系統(tǒng)。

(1)根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的控制目標(biāo),制定相應(yīng)的控制策略。電解液子系統(tǒng):保證穩(wěn)定、高品質(zhì)地給電解槽供應(yīng) KOH溶液,維持 KOH儲(chǔ)罐液位在安全位置,確保進(jìn)入電解槽的 KOH溶液的溫度低于 66℃、KOH溶液的流量大于 3L/min;氣體控制和調(diào)節(jié)子系統(tǒng):連續(xù)對(duì)電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的壓力進(jìn)行監(jiān)控,根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)輸入電解槽電源的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持穩(wěn)定的產(chǎn)率;給水子系統(tǒng):穩(wěn)定地對(duì)將電解需要的高純水補(bǔ)充至電解液系統(tǒng)中去,維持 KOH儲(chǔ)罐液位,同時(shí)檢測(cè)給水的水質(zhì);冷卻水子系統(tǒng):通過(guò)冷卻水調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入電解槽的KOH溶液的溫度;氫氣干燥子系統(tǒng):通過(guò)兩套干燥系統(tǒng)的干燥和再生的切換操作,對(duì)制備出來(lái)的氫氣進(jìn)行干燥。

(2)在確保各子系統(tǒng)運(yùn)行的前提下,根據(jù)工藝流程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一鍵啟停,即只需要操作人員按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)就根據(jù)設(shè)定的程序,依次執(zhí)行氮?dú)獯祾?、預(yù)壓、啟動(dòng) KOH循環(huán)泵、打開冷卻水閥、電解槽上電、電解的流程。

1.2 異常事件處理的要求

安全是制氫系統(tǒng)控制策略的根基,任何設(shè)計(jì)都必須滿足安全這一基本原則。制氫過(guò)程中的危險(xiǎn)源主要有電解過(guò)程中電解槽 KOH溶液缺失引起的干燒、進(jìn)入電解槽的 KOH溶液溫度過(guò)高導(dǎo)致電解槽效用的降低、制備過(guò)程中氫氣和氧氣沒有有效分離導(dǎo)致制備出來(lái)的氫氣中氧氣含量過(guò)高引起爆炸等。

任何異常事件的發(fā)生都可以通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控分析來(lái)判斷,比如溫度、壓力、流量等測(cè)量值的變化超過(guò)了安全的閥值時(shí)而導(dǎo)致不安全事件的發(fā)生,此時(shí)一定要確保系統(tǒng)能安全穩(wěn)定地停止下來(lái)。

1.3 專家知識(shí)庫(kù)辨識(shí)系統(tǒng)要求

制氫系統(tǒng)不是單獨(dú)存在的,和整個(gè)電廠的生產(chǎn)過(guò)程有著緊密的聯(lián)系,機(jī)組氫氣冷卻系統(tǒng)的氫氣用量直接決定著制氫系統(tǒng)的出力,同時(shí)當(dāng)異常事件出現(xiàn)時(shí),系統(tǒng)的檢修工作效率也決定著制氫系統(tǒng)的可用系數(shù)。為了提高系統(tǒng)的可用系數(shù),降低運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度,專家知識(shí)庫(kù)辨識(shí)系統(tǒng)必須到達(dá)如下三個(gè)要求:

(1)系統(tǒng)能根據(jù)機(jī)組的漏氫情況通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)氫量來(lái)決定制氫系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)和運(yùn)行的時(shí)間,并對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行提醒。

(2)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí),系統(tǒng)停止運(yùn)行后提醒檢修人員需要對(duì)哪些部件進(jìn)行檢查處理,以提高系統(tǒng)恢復(fù)的速度。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,一些參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí),通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)給運(yùn)行人員一定的操作提醒,告知系統(tǒng)的危險(xiǎn)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)停運(yùn),避免極端異常情況的發(fā)生。

2 全自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,自下而上將系統(tǒng)分為信息采集層、工藝控制層、異常事件處理層、水網(wǎng)決策層、SIS決策層,如圖 1所示。

圖1 制氫系統(tǒng)構(gòu)架圖

在系統(tǒng)實(shí)施中,數(shù)據(jù)采集層、工藝控制層和異常事件處理采用 AB的 Logix500可編程序控制器來(lái)完成,同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)采用一塊 AB的 Panelview觸摸屏通過(guò) OPC的方式與 PLC通訊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。水網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò) OPC的方式直接和 PLC進(jìn)行通訊將上位機(jī)擴(kuò)展到水網(wǎng)控制室,設(shè)置一臺(tái)操作員站、一臺(tái)服務(wù)器,上位機(jī)采用 IFIX軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)操作員站實(shí)現(xiàn)制氫站的無(wú)人值班。全廠信息系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器讀取制氫站的信息以及發(fā)電機(jī)組氫冷系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策和判斷。

2.1 工藝控制系統(tǒng)

2.1.1 制氫操作一鍵啟停

在就地的觸摸屏上僅設(shè)置一個(gè)“啟動(dòng)/復(fù)位”按鈕,操作人員在檢查系統(tǒng)無(wú)異常后只需按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)就將按照既定的程序進(jìn)行,如果在產(chǎn)氫過(guò)程中出現(xiàn)異常事件,則自動(dòng)停止電解過(guò)程并卸去系統(tǒng)壓力,系統(tǒng)的流程如圖 2所示。

2.1.2 子系統(tǒng)控制

整個(gè)制氫系統(tǒng)按照工藝要求正常自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵,在于各系統(tǒng)參數(shù)保持在一個(gè)合適安全的區(qū)間范圍,這就需要所有子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作,單獨(dú)針對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)的每一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)提出可行控制策略。下面僅針對(duì)進(jìn)入電解槽的 KOH的溫度控制進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 制氫流程圖

電解液的溫度控制對(duì)于維持制氫過(guò)程的高效及防止電解槽過(guò)早失效很重要。過(guò)低溫度運(yùn)行與過(guò)熱運(yùn)行對(duì)電解槽的損害是一樣的,工藝要求進(jìn)入電解槽的電解液的溫度需要維持在 63～65℃之間。由于控制的精度要求較低,所以采用脈沖型步進(jìn)電動(dòng)球閥,調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱器的冷卻水量來(lái)控制電解液的溫度。熱電偶把 KOH溫度信號(hào)直接送入可編程控制器,球閥采用電脈沖部分開或關(guān)來(lái)簡(jiǎn)單地定位?？删幊炭刂破魍ㄟ^(guò)溫度調(diào)節(jié)球閥在不同開度下?lián)Q熱器出口溫度對(duì)時(shí)間的特性曲線變化,確定溫度差與脈沖頻次的比例關(guān)系,進(jìn)而發(fā)出不同頻次的脈沖信號(hào)來(lái)確定溫度調(diào)節(jié)閥的開度位置,并根據(jù)實(shí)際溫度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足系統(tǒng)產(chǎn)氫效率對(duì)電解槽 KOH溫度的要求。

2.2 異常事件處理

在制氫系統(tǒng)工作的任何階段,只要出現(xiàn)參數(shù)越界或者其他異常事件立即對(duì)制氫機(jī)進(jìn)行自動(dòng)停止電解和卸壓操作,保證制氫系統(tǒng)及整個(gè)氫站的安全。主要異常事件如表 1所示。

表1 系統(tǒng)異常事件列表

異常事件 類別 異常事件 類別電解液流量低 制氫系統(tǒng) 儲(chǔ)罐 4壓力高 氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)預(yù)壓低 制氫系統(tǒng) 分配盤壓力高 氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)氧中氫含量高 制氫系統(tǒng)干燥循環(huán) 制氫系統(tǒng)冷卻水壓力低 制氫系統(tǒng)微氧高 制氫系統(tǒng)露點(diǎn)高 制氫系統(tǒng)

2.3 專家知識(shí)庫(kù)辨識(shí)系統(tǒng)

專家知識(shí)庫(kù)辨識(shí)系統(tǒng)的功能包括異常事件停機(jī)維護(hù)策略提示和制氫機(jī)啟停操作提示兩方面,分別通過(guò)全廠信息管理系統(tǒng)(SIS)及水網(wǎng)操作員站實(shí)現(xiàn)。

異常事件停機(jī)維護(hù)策略提示主要通過(guò)一個(gè)在水網(wǎng)操作員站 IFIX中設(shè)置的異常事件推理規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn),相當(dāng)于一個(gè)在實(shí)際檢修過(guò)程中不斷完善的知識(shí)庫(kù),通過(guò)歷史事故處理結(jié)果的積累,當(dāng)某個(gè)異常事件發(fā)生時(shí),提示出各部件的故障概率及處理方法。例如,干燥塔循環(huán)故障時(shí),其歷史故障處理情況如表 2所示,干燥塔兩位四通閥切換不到位引起的干燥塔循環(huán)故障高達(dá)總故障次數(shù)中的 50%。在系統(tǒng)中還將根據(jù)人工錄入的各類引發(fā)故障原因的發(fā)生次數(shù),提示第一步應(yīng)該對(duì)四通閥的線路檢查,依次為孔板清理、更換電磁閥線圈、變送器校驗(yàn),直至消除故障。此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于降低檢修人員的盲目性,以提高故障的修復(fù)速度。

表2 干燥塔循環(huán)故障原因次數(shù)統(tǒng)計(jì)

制氫機(jī)啟停操作提示可通過(guò) SIS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),SIS系統(tǒng)獲取制氫機(jī)產(chǎn)氫率、氫氣儲(chǔ)罐壓力、氫氣儲(chǔ)罐體積、發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)氫氣壓力、發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)氫氣容積等參數(shù),實(shí)時(shí)地計(jì)算出當(dāng)前的氫氣儲(chǔ)罐存量、機(jī)內(nèi)氫氣存量以及漏氫率,根據(jù)可手動(dòng)設(shè)置的最低機(jī)內(nèi)氫氣量(需要大于系統(tǒng)最低要求)給出運(yùn)行人員需要進(jìn)行補(bǔ)氫操作的提示。同時(shí)根據(jù)產(chǎn)氫率和漏氫率的差值,結(jié)合氫氣儲(chǔ)罐的最低儲(chǔ)量等變量計(jì)算出需要在 X 1小時(shí)后啟動(dòng)制氫機(jī),并至少連續(xù)運(yùn)行 X2小時(shí)。其中 X1、X2隨著系統(tǒng)漏氫率的變化實(shí)時(shí)變化。由于 SIS系統(tǒng)擁有豐富的數(shù)學(xué)計(jì)算及邏輯運(yùn)算功能,所以極易編程實(shí)現(xiàn)上述功能。

3 結(jié)論

逐步減少工作人員暴露在制氫站這類危險(xiǎn)工作環(huán)境的時(shí)間是電力生產(chǎn)的發(fā)展方向。一鍵啟停系統(tǒng)和異常停機(jī)系統(tǒng)在制氫系統(tǒng)的應(yīng)用,降低了操作人員的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)結(jié)合 SIS系統(tǒng)給出的操作提示,確保了制氫站對(duì)氫冷機(jī)組穩(wěn)定安全的氫氣供應(yīng),極大地提高了操作人員和維護(hù)人員工作效率。

[1]阮琳.大型發(fā)電機(jī)冷卻方式的發(fā)展及特點(diǎn)[J].電氣時(shí)代,2001,(6).

[2]張井崗.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007.