陳德磊，郝 磊

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063210）

引言

國內某沿海鋼廠制氫站有3套變壓吸附制氫裝置，其送出系統(tǒng)尤為關鍵：既要儲存氫氣，確保變壓吸附裝置出現(xiàn)故障時可以短時間提供氫氣；又要調節(jié)氫氣壓力，為用戶提供壓力穩(wěn)定的氫氣。一旦氫氣送出系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將直接影響用戶生產。為確保氫氣送出系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對該制氫站送出系統(tǒng)存在的缺陷不足進行分析并改進，取得良好的效果。

1 氫氣送出系統(tǒng)概況

1.1 基本工藝

該制氫站送出系統(tǒng)包括3座氫氣球罐、5套氫氣調壓閥組、配套PLC 控制系統(tǒng)，附屬壓力/流量/溫度等檢測儀表，為一冷、二冷、三冷、罩退、彩涂等5 個用戶提供氫氣。見圖1。

圖1 改造前制氫送出系統(tǒng)

每套氫氣調壓閥組包括2 臺調節(jié)閥、閥后壓力檢測儀表、流量檢測儀表、流量壓力檢測儀表及流量溫度補正儀表。2 臺調節(jié)閥并聯(lián)運行，與閥后壓力聯(lián)鎖，用于調節(jié)送出管道壓力。

1.2 控制系統(tǒng)

該制氫站共3 套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用西門子PLC 產品中S7-414H，搭配ET200M 分布式模塊組成了主體的自控系統(tǒng)。監(jiān)控軟件采用WINCC6.0，編程軟件采用STEP7 V5.4。配有工控機3臺，2臺操作員站，1 臺工程師站。系統(tǒng)架構如圖2 所示，該控制系統(tǒng)包括電源模塊、CPU 模塊、通訊模塊、接口模塊及IO 模塊，同時PLC 控制柜還配備安全柵、繼電器、直流電源等附屬設備。

圖2 控制系統(tǒng)架構

控制系統(tǒng)監(jiān)控的設備包括變壓吸附系統(tǒng)、壓縮機、分析儀表、管網儀表、氫氣送出系統(tǒng)儀表及閥門等，因建設投產日期不同，送出系統(tǒng)分布在制氫一步、二步PLC控制系統(tǒng)中，具體分配如圖3所示。

圖3 改造前送出系統(tǒng)分配圖

2 系統(tǒng)存在缺陷及不足

該制氫站3套系統(tǒng)立項建設隨用戶及氫氣用量增加逐步實施，并非一次建成，造成系統(tǒng)存在以下缺陷及不足：

（1）變壓吸附裝置及氫氣球罐至氫氣送出調節(jié)閥為一根主管道，當此主管道發(fā)生故障時，氫氣送出系統(tǒng)將整體停運，影響該公司冷軋系統(tǒng)生產運行。

（2）控制系統(tǒng)未統(tǒng)一規(guī)劃，送出系統(tǒng)設備分配到制氫一步及二步PLC 控制系統(tǒng)中。制氫一步及二步檢修時，送出系統(tǒng)設備并未停運，控制系統(tǒng)無法檢修，不利于控制系統(tǒng)維護。

（3）送出系統(tǒng)調節(jié)閥與閥后壓力聯(lián)鎖，根據閥后壓力自動調節(jié)，若閥后壓力變送器故障，調節(jié)閥將失調，直接影響用戶氫氣使用。

3 系統(tǒng)改進及優(yōu)化

針對系統(tǒng)存在的缺陷及不足，該制氫站對送出系統(tǒng)主管道、控制系統(tǒng)及控制方法進行改進，具體措施如下。

3.1 送出系統(tǒng)主管道優(yōu)化

結合制氫三步工程建設，增加一路氫氣管道，連接3套變壓吸附裝置、氫氣球罐及送出管道，與原管道互為備用，當一路管道出現(xiàn)故障時投入另一路管道。改造后系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改造后制氫送出系統(tǒng)

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

結合制氫三步工程建設，新增一套PLC 控制系統(tǒng)，用于整體氫氣送出系統(tǒng)監(jiān)控。新增PLC 控制系統(tǒng)為2 套西門子S7-300 系列PLC，用于分別控制送出系統(tǒng)調節(jié)閥及氫氣球罐，具體分配結構如圖5 所示。改造內容如下。

圖5 改造后送出系統(tǒng)分配圖

（1）實施調節(jié)閥、氫氣球罐2 套PLC 分列控制。改造后氫氣送出系統(tǒng)1#調節(jié)閥、閥后壓力及流量、1#球罐、2#球罐由1#PLC 監(jiān)控，氫氣送出系統(tǒng)2#調節(jié)閥、補正壓力、3#球罐由2#PLC控制系統(tǒng)監(jiān)控。

（2）對供電系統(tǒng)進行改造，1#PLC控制系統(tǒng)由制氫一步UPS 供電，2#PLC 控制系統(tǒng)由制氫二步UPS供電。

（3）增加信號分配器，閥后壓力、補正壓力、氫氣流量、氫氣球罐壓力同時進入2 套PLC 控制系統(tǒng)進行顯示。

3.3 控制方法改進

制氫送出系統(tǒng)調節(jié)閥根據閥后壓力進行PID 調節(jié)，按設定值自動調節(jié)閥門開度，保證用戶壓力。為了保證可靠性，設計了閥后壓力和補正壓力，兩個壓力對閥門進行控制，控制方式如下：

（1）當閥后壓力故障，補正壓力正常時，選擇補正壓力參與控制；當補正壓力故障，閥后壓力正常時，選擇閥后壓力參與控制。

（2）當閥后壓力與補正壓力同時故障或者同時為零時，閥門開度強制關到零；為保障生產安全，生產人員需進一步將閥門切換到手動模式，故障處理完成后，再投入自動。

（3）當閥后壓力正常，且補正壓力正常時，進行如下的選擇控制（具體邏輯如圖6所示）。

圖6 調節(jié)閥控制邏輯

如果閥后壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa時，判斷補正壓力是否在0.4～0.55 MPa 之間，如果是，則選擇補正壓力；如果補正壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa 時，判斷閥后壓力是否在0.4～0.55MPa 之間，如果是，則選擇閥后壓力；其余狀態(tài)時，選擇閥后壓力，并發(fā)出報警提醒運行人員。

（4）為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，增加送出系統(tǒng)報警設定值，如表1。

表1 氫氣送出系統(tǒng)報警設定值 MPa

4 結語

對制氫送出系統(tǒng)進行改進，包括：增加備用氫氣主管道；新增2 套S7-300 系列PLC 控制系統(tǒng)；對調節(jié)閥控制方式進行優(yōu)化；增加備用手段等。如此使得單套控制系統(tǒng)、單個儀表或者單個調節(jié)閥故障時，備用設備均能發(fā)揮作用，避免了氫氣壓力大范圍波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。特別是這個控制方式可適用于多套調節(jié)閥控制的氣體或者液體連續(xù)送出系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)設計提供了一種思路，可供借鑒。

另一方面2 套S7-300 系列PLC 控制系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)還存在不足，安全柵及繼電器供電電源有改善空間，今后可結合檢修進行改進。