姜 朔 王曉慧 龔 劍 孫俊凱 趙 振

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056004）

0 引言

在“碳達峰、碳中和”背景下，清潔能源是未來的發(fā)展趨勢。氫能作為一種高效、無污染的環(huán)境友好型能源，必將在未來發(fā)揮重要作用。在現(xiàn)有的風電、光電發(fā)展過程中，棄風棄光一直是制約我國新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。通過將風電、光電轉(zhuǎn)化為氫能，則可實現(xiàn)對風電和光電能源的存儲。因此，氫能在未來能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要地位?，F(xiàn)有的制氫方式主要有化石燃料制氫、甲醇裂解制氫、電解水制氫等［1］，其中，電解水制氫是最清潔的制氫方式，其原材料來源廣泛，且在生產(chǎn)過程中無任何污染物產(chǎn)生，具有無污染、耗電量高的特點，如何實現(xiàn)高效率、低能耗制取氫氣一直是清潔能源研究的重點［2］。電解槽是電解水制氫的核心部件，利用電解槽能實現(xiàn)對純水的電解和對氣體的分離。在電解水過程中，低能耗技術致力于降低電解槽的能耗。能耗是由電解槽總電壓決定的，電解槽正常運行時，電壓大小由電極材料、催化劑、溫度等因素決定。電解水制氫設備正常運行過程中，電解槽槽溫的高低會對電解槽的電壓大小產(chǎn)生影響，進而直接決定了電解槽的能耗。因此，如何更加有效、穩(wěn)定且快速地將槽溫穩(wěn)定在恒定溫度一直是制氫研究的重點［3-4］。

傳統(tǒng)槽溫控制法是在上位監(jiān)控畫面中手動設定電解槽出口溫度，PLC 系統(tǒng)實時比較設定溫度和實際溫度的大小，通過運用PID 算法自動控制溫度薄膜調(diào)節(jié)閥的開度來完成對槽出口溫度的控制。由于該調(diào)節(jié)方法的滯后性，導致槽出口溫度波動較大，存在高能耗問題?，F(xiàn)有的槽溫控制法基于歷史經(jīng)驗來設定電解槽入口溫度，通過控制槽入口溫度來間接控制槽出口溫度，雖克服了溫度調(diào)節(jié)滯后性的缺陷，但只適用于恒功率模式下槽溫的自控調(diào)節(jié)。當功率波動時，由于電解槽產(chǎn)熱量頻繁變化，會造成槽出口溫度頻繁波動，無法實現(xiàn)在變動功率下對槽溫的穩(wěn)定控制。因此，該方法無法適應風電、光電制氫場景中，局限性很大，亟須尋找一種能根據(jù)功率自動調(diào)節(jié)溫度變化的調(diào)控方法，以實現(xiàn)電解水制氫設備在風電、光電行業(yè)中的應用［5］。

基于此，本研究提出一種新型槽溫控制法，能在不同功率條件下，根據(jù)電解槽產(chǎn)熱量的不同和初始槽出口溫度設定值，自動迭代計算出槽入口溫度，通過溫度調(diào)節(jié)閥控制冷卻水的流量，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定控制槽后溫的目的。該方法能滿足寬功率波動的要求，在實現(xiàn)風電、光電制氫的同時，能有效解決棄風棄電等能源浪費問題。

1 控制系統(tǒng)介紹

本研究提出的控制方法是基于羅克韋爾（AB）的可編程控制器（PLC）的［6］，采用模塊化設計，具有響應速度快、性能優(yōu)越等優(yōu)勢，被廣泛應用于工業(yè)控制領域中。

通過采用1756-L71 型控制器，使用兩套PLC來實現(xiàn)對設備的控制冗余，并運用環(huán)網(wǎng)形式實現(xiàn)與遠程子站的通信。該控制器能實現(xiàn)控制器雙機熱備冗余，在任意控制器出現(xiàn)錯誤時，自動切換到另一個正常工作的控制器，保證設備的正常運行。1756-IF8（OF8）模擬量輸入（輸出）模塊可實現(xiàn)對模擬量的采集和輸出；1756-IB32（OB32）數(shù)字量輸入（輸出）模塊可實現(xiàn)對數(shù)字量信號的采集和控制繼電器的輸出；1756-EN2TR 環(huán)網(wǎng)模塊將控制器和各個子站模塊組成環(huán)網(wǎng)，把系統(tǒng)搭建成冗余系統(tǒng)，確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性；1756-EN2T通信模塊能以網(wǎng)線的形式將PLC 中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C界面中，用于上位監(jiān)控畫面的設計。其組織架構(gòu)如圖1所示。

圖1 組織架構(gòu)

該控制系統(tǒng)的上位監(jiān)測軟件采用的是易控天地軟件。該軟件可實時顯示采集到的數(shù)據(jù)、設定參數(shù)、切換多畫面、顯示報警信息、顯示與存儲模擬量歷史趨勢、生成和存儲日報表等功能，并能完成多用戶權限的管理與分配。該監(jiān)控軟件具有功能豐富、操作簡單、實用性強等優(yōu)點，能滿足控制系統(tǒng)的需求。

2 新型槽溫控制方法的應用

新型槽溫控制方法是通過直流電流、直流電壓、堿液流量等參數(shù)綜合計算出電解槽當前的產(chǎn)熱量，將產(chǎn)熱量與散熱量進行比較，計算出電解槽前后的溫度差，從而根據(jù)設定的槽出口溫度計算出槽入口溫度實際的設定值，將其與槽入口溫度進行實時比較，通過PID 調(diào)節(jié)器將槽入口溫度持續(xù)穩(wěn)定地維持在設定值附近，從而使制氫設備在最佳工況下完成生產(chǎn)任務?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

圖2 控制流程

該控制方法是通過Studio 5000 軟件工作來實現(xiàn)的，采用梯形圖（LD 語言）進行設計，主要用到的功能有觸點、線圈、定時器、數(shù)學和邏輯運算等。為實現(xiàn)新型槽溫控制法的可重復使用和便于其他設計人員操作，要將其封裝為一個功能塊，在使用時只用單獨調(diào)用該功能塊即可。整個控制策略的實現(xiàn)過程如下。

2.1 建立自定義功能塊

在Studio 5000 軟件的任務欄中選中資源管理選項，右鍵添加自定義功能塊，并將其命名為T_Control，編程語言選擇Ladder Diagram，版本選擇Major1。采用自定義功能來完成對溫度模塊的封裝，為后續(xù)功能塊封裝奠定基礎。

2.2 建立變量

變量分為全局變量和局部變量，為了便于功能塊的重復使用，需要建立局部變量，并對需要的變量與邏輯圖進行整體封裝。為方便設計人員對功能塊的使用，對其進行精簡，將需要外部輸入的變量設置為外部可見、可寫，將功能塊調(diào)用變量設置為外部不可見。此外，為方便對上位畫面進行監(jiān)測，要將功能塊的關聯(lián)變量設置為全局變量，方便監(jiān)控界面的設計。

2.3 設計功能塊

根據(jù)現(xiàn)有的公式及各參數(shù)之間的關系，運用控制器自帶的功能塊對新型槽溫控制方法自定義功能塊進行設計，并將要外部設定的變量設置為外部可讀寫屬性。為方便功能塊的操作和提高功能塊的可讀性，將功能塊中為常數(shù)的變量進行初始值設定，并將其屬性設定為外部不可見。部分功能塊示意如圖3所示。

圖3 部分功能塊示意

2.4 調(diào)節(jié)PID功能

在PID 調(diào)節(jié)程序中對溫度功能塊進行調(diào)用，并將其命名為溫度調(diào)節(jié)塊。新型槽溫控制策略要配合PID 調(diào)節(jié)算法一起使用，具體實施時，比較槽入口溫度的值和設定值的差異，通過PID 算法來實時調(diào)節(jié)冷卻水調(diào)節(jié)閥的開度大小，進而控制冷卻水的流量大小，逐步穩(wěn)定控制槽溫。因此，要在程序段中調(diào)用封裝好的PID 功能塊，將過程值變量關聯(lián)到槽入口實時溫度，設定值變量關聯(lián)到槽入口溫度設定值，并依次設定PID 調(diào)節(jié)算法中的Kp、Ki和Kd這3 個參數(shù)，控制冷卻水調(diào)節(jié)閥的響應速度，完成對溫度調(diào)節(jié)閥的控制。根據(jù)設定值實現(xiàn)對槽入口溫度的實時調(diào)節(jié)，進而穩(wěn)定槽出口溫度。

2.5 設計監(jiān)控操作畫面

為便于對制氫設備的數(shù)據(jù)監(jiān)控和槽溫控制法的控制與測試，且實時跟蹤槽入口溫度的自動計算值，需要設計槽溫顯示與控制面板。在易控天地軟件中設置與AB 控制器的驅(qū)動，并在變量表中添加相應變量。由于AB控制器是根據(jù)變量名進行尋址的，所以該變量要與PLC 中的變量名稱保持一致。在界面中設置相應的添加輸入域，將變量與其進行關聯(lián)，并將其設定為實時顯示數(shù)據(jù)，使其可實時顯示槽入口溫度的設定值；添加槽出口溫度設定值的輸出域，并將槽出口溫度變量與其進行關聯(lián)，使其具有在PLC 中寫數(shù)據(jù)的功能。為防止操作人員誤操作，要對其進行限制；設置手動操作按鈕，并將槽溫控制方法的手自動控制變量與其關聯(lián)，用于槽入口溫度設定值的手自動控制；對操作模式及各個顯示數(shù)據(jù)進行解釋說明，完成槽溫數(shù)據(jù)監(jiān)測與操作畫面顯示，如圖4所示。

圖4 槽溫數(shù)據(jù)監(jiān)測與操作畫面

3 性能測試

利用試驗設備對該新型槽溫控制策略進行測試，手動設定槽后溫度，切換到槽溫自動和系數(shù)自動設定模式，觀察槽出口溫度能否在設定值持續(xù)穩(wěn)定運行。某工況的主要運行過程如下：設定槽出口溫度為95 ℃，當輸入電流較小時，此時電解槽產(chǎn)熱量少，槽入口溫度與槽出口溫度基本一致。隨著輸入電流的增加，槽入口溫度的計算值逐步減?。划斣O備在滿電流條件下運行時，槽入口溫度的自動計算設定值比槽出口溫度設定值小12 ℃左右，此數(shù)值與采用槽入口溫度手動設定的方式的設定值相近。計算出槽入口溫度后，根據(jù)實時溫度和設定溫度，運用PID 算法來控制溫度調(diào)節(jié)閥的響應速度、控制精度來穩(wěn)定槽出口溫度。當槽入口溫度大于設定溫度時，程序控制溫度調(diào)節(jié)閥的開度變大，增大冷卻水的流量，迅速將槽出口溫度穩(wěn)定到設定值；當槽入口溫度小于設定溫度時，程序控制溫度調(diào)節(jié)閥的開度變小，減小冷卻水的流量，將槽出口溫度穩(wěn)定在設定值。測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果

性能測試結(jié)果表明，該槽溫控制法能將槽出口溫度控制在設定值的±2 ℃，且能根據(jù)電流、堿液流量等參數(shù)自動迭代計算出槽入口溫度設定值，進而控制設備在寬功率波動條件下持續(xù)穩(wěn)定運行，滿足水電解制氫設備正常工作的條件和要求。

4 結(jié)語

該新型槽溫控制法能解決以往槽溫波動性大、無法適應寬功率波動條件下的工況問題，經(jīng)測試證明，該方法能滿足電解水制氫設備中的應用要求，可使電解槽在恒定溫度下持續(xù)穩(wěn)定運行，且能適應功率快速波動的工況。該控制方式能解決風電、光電過程中的棄風棄電問題，同時也能解決風電過程中風力不穩(wěn)定的問題，可滿足在綠氫行業(yè)和新能源發(fā)展過程中的技術要求，在海上風電行業(yè)的發(fā)展過程中具有較高的技術實用性。