尚建楠

（新天綠色能源股份有限公司， 河北 石家莊 050000）

引言

高純氫氣的主要用途是還原劑，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，對(duì)高純氫氣的制備工藝要求越來(lái)越高[1]。目前較為成熟的高純氫氣制備工藝為水電解，其不僅能夠收集得到高純度的氫氣，還不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，可謂是綠色制備工藝，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[2]。水電解氫氣生產(chǎn)工藝要求制備設(shè)備具有較高的安全性和可靠性，尤其是控制系統(tǒng)更為重要[3]。溫度作為水電解制氫工藝的重要控制參數(shù)，直接影響著氫氣的產(chǎn)量和純度，有必要采取更為先進(jìn)的控制技術(shù)。PLC 作為目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的核心控制器，具有很好的應(yīng)用前景[4]。

1 水電解制氫工藝概述

1.1 水電解制氫工藝

水電解制氫工藝需要在電解槽內(nèi)完成，電解槽內(nèi)盛放30%左右的氫氧化鉀溶液，給電極接通直流電源之后即可產(chǎn)生氫氣和氧氣。電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣會(huì)匯同氫氧化鉀溶液進(jìn)入氫分離器和氧分離器完成氫氣與氫氧化鉀、氧氣與氫氧化鉀的分離；之后氫氣和氧氣進(jìn)入氣水分離器，完成干燥純凈氫氣和氧氣的制備，后續(xù)收集存儲(chǔ)即可。分離出來(lái)的氫氧化鉀溶液冷卻分離堿液后先進(jìn)入堿液過(guò)濾器除去機(jī)械雜質(zhì)，然后進(jìn)入堿液冷卻器進(jìn)行換熱冷卻，接著重新注入電解槽繼續(xù)電解循環(huán)。

1.2 制氫工藝對(duì)溫度的要求

水電解制氫工藝在電解槽中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

陰極：4e-+4H2O=2H2↑+4OH-

陽(yáng)極：4OH-=O2↑+2H2O+4e-

總反應(yīng)式：2H2O=2H2↑+O2↑+熱量Q

由水電解制氫工藝反應(yīng)過(guò)程可得，電解反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，電解槽溫度會(huì)不斷升高，隨之產(chǎn)生的影響如下：電解產(chǎn)生的熱量會(huì)使電解液溫度升高，提高溶液電導(dǎo)率和電極反應(yīng)速率。相關(guān)研究表明，電解液升高1 ℃，電解電壓會(huì)減小0.25%，電解效率得到明顯提高；與此同時(shí)，電解液溫度的提高，會(huì)增加電解裝置的氧化速度，威脅電解裝置的安全，降低其使用壽命。綜上，水電解制氫過(guò)程中需要嚴(yán)格控制電解液溫度。較為適宜的溫度為80～90 ℃，同時(shí)需保證電解速率和裝置使用時(shí)間。

2 溫度控制方案及原理

2.1 溫度控制流程

水電解制氫時(shí)氫氧分離器出口堿液的溫度較高，直接流入堿液冷凝器由低溫冷卻水進(jìn)行降溫，降溫之后溫度為65 ℃左右，之后注入電解槽內(nèi)中和槽內(nèi)高溫堿液，以此不斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)電解液的冷卻。由上述冷卻過(guò)程可得，通過(guò)調(diào)整堿液冷卻器內(nèi)部的冷卻水流量，即可很好地控制堿液冷卻器出口液體的初始溫度值，確保流入電解槽內(nèi)的冷卻堿液溫度恒定，進(jìn)而保證電解槽內(nèi)的溫度不變。

2.2 溫度控制方案

基于水電解制氫溫度控制流程完成溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如下頁(yè)圖1 所示，主要包括溫度監(jiān)測(cè)、主控單元、監(jiān)控單元和執(zhí)行結(jié)構(gòu)等部分。其中溫度監(jiān)測(cè)選擇溫感靈敏的熱電偶；核心控制器選擇西門(mén)子生產(chǎn)的S7-200 的PLC，配套EM235 模擬量模塊作為主控單元；設(shè)計(jì)合適的上位機(jī)，供監(jiān)控人員進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制；系統(tǒng)中的執(zhí)行元件為氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

圖1 溫度控制系統(tǒng)示意圖

熱電偶置于電解槽堿液管道的出口用于檢測(cè)堿液溫度，之后轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號(hào)，經(jīng)EM235 模擬量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，傳輸至PLC 主控系統(tǒng)。PLC 根據(jù)自身的PID 調(diào)節(jié)算法進(jìn)行堿液溫度實(shí)際值和目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，之后由EM235轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號(hào)，之后驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度，以此控制冷卻水的流量，確保電解槽內(nèi)溫度的恒定。

2.3 PID 控制原理及參數(shù)

PID 控制輸出變量M（t）是關(guān)于時(shí)間t 的函數(shù)，具體的表達(dá)式如下，其中M（t）為PID 控制回路的時(shí)間函數(shù)；e 為PID 控制回路的誤差；Kp為比例參數(shù)；Kt為積分參數(shù)；KD為微分參數(shù)。PID 的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)是利用輸出變量M（t）去控制溫度，以偏差數(shù)值正負(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電解槽溫度控制中的PID 參數(shù)作用如下：第一是Kp，代表比例參數(shù)的大小，與控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相關(guān)，其值越小，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；其值越大，響應(yīng)時(shí)間越短，會(huì)造成電解液的產(chǎn)氣量的波動(dòng)。為了降低控制系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差，引入積分參數(shù)，Kt數(shù)值越小，積分作用明顯，系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動(dòng)較大，系統(tǒng)控制穩(wěn)定性差；Kt數(shù)值越大，積分作用越弱，電解槽溫度調(diào)節(jié)混亂。為了降低被控對(duì)象的滯后性，引入微分參數(shù)，KD數(shù)值越小，超前調(diào)節(jié)作用越弱，使電解槽溫度調(diào)節(jié)滯后；KD數(shù)值越大，將會(huì)引起被調(diào)參數(shù)的浮動(dòng)，電解槽溫度波動(dòng)較明顯。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

控制系統(tǒng)中的PLC 選擇西門(mén)子生產(chǎn)的S7-200系列，內(nèi)部配置的CPU 型號(hào)為224，配套使用的模擬量擴(kuò)展模塊使用了4 輸入接口和1 輸出接口的EM235。溫度控制系統(tǒng)的上位機(jī)選擇的是研華工控機(jī)，PLC 與工控機(jī)之間的連接采用PPI 電纜。溫度傳感器選擇T 熱電偶，配置QZD 系列電氣轉(zhuǎn)換器和ZJHM 型氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

3.2 PLC 參數(shù)配置

PLC 接口配置如表1 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要按下SB0，此時(shí)運(yùn)行指示燈變亮；系統(tǒng)停止時(shí)，需要按下SB1，此時(shí)停止指示燈變亮；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦電解槽內(nèi)的檢測(cè)溫度大于等于溫度設(shè)定上限值時(shí)，將會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警功能，消除報(bào)警響應(yīng)需要按下SB2，系統(tǒng)隨即復(fù)位。

表1 PLC 接口配置

3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為監(jiān)控人員獲取電解槽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的窗口，其設(shè)計(jì)需要具有很好的宜人性，便于監(jiān)控人員清楚觀察水電解制氫現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況并便于操作控制相關(guān)設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)置了用戶訪問(wèn)權(quán)限、具有不同截面相互切換功能、實(shí)時(shí)顯示水電解制氫裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)、對(duì)裝置各個(gè)組成部件進(jìn)行了圖形元素和名稱的標(biāo)注，便于監(jiān)控人員的監(jiān)視與遠(yuǎn)程操控。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證水電解制氫裝置PLC 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和效果，將其應(yīng)用于某水電解制氫裝置進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄PLC 溫控系統(tǒng)運(yùn)行情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，PLC 溫控系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠很好地將電解槽內(nèi)堿液溫度由原來(lái)的（85±5）℃控制在（85±1）℃范圍內(nèi)。對(duì)比可見(jiàn)，PLC 溫控系統(tǒng)的引入，大大提高了電解槽的溫度控制精度，也保證了電解裝置的安全性和較長(zhǎng)的使用壽命。