張殿朝，許德洪，張志強，趙傳健

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津300387；2. 中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)升級實例分析

張殿朝1,2，許德洪2，張志強2，趙傳健2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津300387；2. 中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

通過對FDQ-100型水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)進行升級改造，將原有氣動控制升級為PLC軟件控制，配備上位機顯示及遠程控制，可同時顯示系統(tǒng)運行情況、報警點位，并繪制系統(tǒng)運行壓力、溫度、氫氧側(cè)液位等曲線。在增加安全連鎖保護的同時，大大提高了調(diào)解指令控制精度與故障排除效率，消除了因原控制系統(tǒng)老化帶來的液位波動安全隱患，提升了制氫系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。同時，控制系統(tǒng)優(yōu)良的擴展性能為進一步提高制氫站的安全運行奠定了基礎(chǔ)。

水電解 氫 控制系統(tǒng) PLC

水電解制氫是制備高純氫的常用方法，其制氫純度可達99.8%,以上，可直接用于一般場合，還可以通過純化(將純度提高到99.999%,)和干燥(將露點提高到-69～-90,℃)的后續(xù)加工，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。由于氫氣屬危險化學(xué)品，不斷提高制氫系統(tǒng)安全運行能力是制氫企業(yè)的重中之重。

某廠FDQ-100型水電解制氫設(shè)備可實現(xiàn)100,m3/h產(chǎn)氫能力，但由于其運行年限較長，原有控制系統(tǒng)設(shè)備、儀表等老化較為嚴重，差壓變送器信號采集及氣動動作指令誤差較大，造成氫氧側(cè)液位波動，且由于控制系統(tǒng)部件逐漸被市場淘汰，維修難度不斷增大，給安全生產(chǎn)帶來嚴重隱患。為提高安全生產(chǎn)能力，決定對控制系統(tǒng)進行升級改造。

1 控制系統(tǒng)整體升級思路

本次控制系統(tǒng)升級，擬將原有以分立元件氣動控制為主的系統(tǒng)升級為PLC控制，增加操作觸摸屏及上位機顯示，提高控制精度，完善報警連鎖保護，同時預(yù)留端口為日后儲罐區(qū)增加報警保護。

2 控制系統(tǒng)升級所需材料及步驟

2.1 控制系統(tǒng)升級所需相關(guān)設(shè)備儀表(見表1)

2.2 控制系統(tǒng)升級步驟

2.2.1 制氫設(shè)備停車

對電解槽進行退堿，置換氮氣。由于升級改造在冬季開展，為保證電解槽溫度，對電解間采取臨時供暖，保證室內(nèi)溫度不低于6,℃。

表1 控制系統(tǒng)升級所需相關(guān)設(shè)備儀表Tab.1 Related equipment and instruments required for control system upgrade

2.2.2 拆除原控制系統(tǒng)

將原控制系統(tǒng)控制柜、整流柜、配電柜以及框架部分的差壓變送器、熱電阻溫度變送器、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、空壓減壓器等拆除。

2.2.3 安裝PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)安全進度，逐步對整流柜、控制柜、配電柜進行安裝，之后對框架部位儀表設(shè)備進行安裝。

2.2.4 制氫系統(tǒng)保壓試驗

分別對制氫系統(tǒng)水路、氣路進行打壓試驗，排查跑冒滴漏現(xiàn)象，同時檢驗各點位儀表是否正常顯示。

2.2.5 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)解

由廠家根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)及此前設(shè)備運行情況進行PID參數(shù)設(shè)定，對液位、壓力、溫度進行控制調(diào)解，同時設(shè)定各報警參數(shù)。

2.2.6 系統(tǒng)試運行

對電解槽進行置換，按照新擬定的操作規(guī)程進行開車試運行，同時，針對試運行中出現(xiàn)的各項問題進行排除，直至產(chǎn)氣量及各項指標(biāo)正常。

2.2.7 預(yù)設(shè)報警試驗

根據(jù)此前設(shè)計，對報警連鎖進行試驗(見表2)。

表2 預(yù)設(shè)報警連鎖表Tab.2 Default alarm linked list

3 實際使用情況分析及討論

根據(jù)控制系統(tǒng)升級情況，制氫站及時修訂了安全操作規(guī)程，并將該制氫系統(tǒng)重新投入試生產(chǎn)，在此期間，系統(tǒng)運行反饋情況如下：

由于增加了上位機顯示，系統(tǒng)運行狀態(tài)清晰，各儀器儀表反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，同時能夠準(zhǔn)確反映報警部位，大大提高了隱患排除效率，見圖1、2。

圖1 系統(tǒng)運行狀態(tài)圖Fig.1 System operation state

圖2 報警點位顯示圖Fig.2 Display of alarm points

系統(tǒng)能夠不間斷采集各點位數(shù)據(jù)并繪制制氫、槽溫、槽壓、液位等曲線圖(見圖3、4)，記錄故障數(shù)據(jù)，對改進生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率起到了積極作用。但由于系統(tǒng)本身未安裝氫氣流量計，系統(tǒng)無法采集氫氣產(chǎn)量，未能與槽溫、槽壓等數(shù)據(jù)對比?？煽紤]后續(xù)加裝氫氣流量計等實現(xiàn)產(chǎn)氣量采集。

圖3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖(電壓、電流)Fig.3 Production data curve: voltage and current

安全連鎖保護的升級，提高了系統(tǒng)運行的整體安全水平，由于各路報警信號主要集成至PLC，若PLC主機斷電，數(shù)據(jù)記錄及報警點位記錄將無法采集，相關(guān)參數(shù)也無法設(shè)定，只能待再次通電后系統(tǒng)自行動作。為提高運行安全性，考慮為PLC控制系統(tǒng)增加UPS，用于控制系統(tǒng)動作及數(shù)據(jù)采集。

圖4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖(系統(tǒng)溫度)Fig.4 Production data curve: system temperature

4 結(jié) 論

升級PLC系統(tǒng)后解決了原控制系統(tǒng)控制部分分立元件老化、參數(shù)采集誤差大造成的氫氧側(cè)液位波動等問題，系統(tǒng)控制精確、穩(wěn)定，系統(tǒng)的集中顯示、操作提高了職工安全生產(chǎn)效率，同時系統(tǒng)可擴展性強，為今后進一步完善制氫站安全管理奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

［1］ 陳士英. 水電解制氫設(shè)備工藝流程及常見故障排除[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2011(4)：93-94.

［2］ 吝子?xùn)|，賀奇，陳曉東. PID調(diào)解在水電解制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 艦船防化，2014(1)：33-37.

［3］ 馬海勇. 水電解制氫控制系統(tǒng)的改造[J]. 河北化工，2000(3)：44-45.

A Case Study of Control System Upgrade for Water Electrolysis Hydrogen Production Equipment

ZHANG Dianchao1,2，XU Dehong2，ZHANG Zhiqiang2，ZHAO Chuanjian2
(1．Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2．China Electronics Technology Group Corporation No.46 Research Institute，Tianjin 300220，China)

Through the upgrade of a FDQ-100 type water electrolysis hydrogen production equipment control system，the original pneumatic control was transformed to PLC control and the system was equipped with PC display and control．At the same time，a security chain protection was added，which has greatly improved the accuracy of the mediation and efficiency of fault elimination．The excellent performance of the new control system provides a foundation for further improvement of the safe operation of hydrogen production stations.

water electrolysis；hydrogen；control system；PLC

TP29

A

1006-8945(2016)08-0059-03

2016-07-04