中壓水電解制氫裝置控制系統(tǒng)改造

1、中壓水電解制氫裝置控制系統(tǒng)改造李蘭峰（南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司河南 南陽 474671）摘要：介紹了南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司制氫裝置的配置，原氣動控制系統(tǒng)存在的問題及在改造前的運行狀況；簡要介紹了國內(nèi)制氫裝置控制系統(tǒng)方式及鴨電公司制氫裝置控制系統(tǒng)最終改造方式的確定，提出并闡述了將鴨電公司制氫裝置原氣動控制系統(tǒng)改造為PLC +上位機的控制系統(tǒng)；并對改造后達(dá)到的效果及存在的問題進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：制氫裝置；可編程控制器；上位機；iFIX監(jiān)控軟件；程序控制目前，國內(nèi)很多大型機組發(fā)電機的冷卻方式采用水-氫-氫冷卻方式，氫氣冷卻具有比重小、導(dǎo)熱系大，通風(fēng)損耗和通風(fēng)噪聲小的特點，所以氫氣冷卻在火電廠汽

2、輪發(fā)電機組冷卻方式的選用上得到了廣泛應(yīng)用。由于發(fā)電機內(nèi)氫氣必須維持規(guī)定純度需定期排污，運行過程中也有部分氫氣泄漏，因此需要及時補充新鮮氫氣，所以一般火電廠都配備有制氫裝置，而應(yīng)用最廣泛的是水電解制氫裝置。1南陽鴨電公司制氫裝置簡介及存在問題的探討1.1南陽鴨河口發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱南陽鴨電公司）制氫裝置簡介南陽鴨電公司安裝2*350MW燃煤機組，汽輪發(fā)電機組采用水-氫-氫冷卻方式。配套制氫站安裝一套ZHDQ3.2/10型中壓水電解制氫裝置,以電解槽為主體,主要附屬設(shè)備包括氫氣分離洗滌器、氧氣分離洗滌器、氫氣冷卻器、堿液冷卻器、堿液過濾器、堿液循環(huán)泵等。同時配套的還有可控硅整流柜、控制柜、

3、原料水箱、堿液箱、補水泵、儲氫罐、型氫氣干燥裝置。1.2水電解制氫原理簡介電解制氫的原理是將直流電通入含有電解液的水中，使水電解為氫氣和氧氣。其反應(yīng)式為:陰極:2H2O+2eH2+2OH-陽極:20H-2eH2O+(1/2)O2總反應(yīng)式：2H2O2H2+O2南陽鴨電公司水電解制氫裝置采用硅整流柜將380VAC電源整流為72VDC電源,供電解槽使用，正常制氫工作壓力為2.80MPa。電解槽以NaOH作為電解質(zhì),電解除鹽水來獲得高純度的氫氣,經(jīng)干燥裝置脫濕后,送入發(fā)電機,以滿足350MW機組氫氣冷卻需要。1.3原制氫裝置控制系統(tǒng)存在的問題南陽鴨電公司原制氫裝置出廠日期為1995年，當(dāng)時基于防爆方面

4、的考慮，測量儀表、調(diào)節(jié)儀表、報警儀表、記錄儀表等均采用氣動儀表，經(jīng)過多年的運行，存在如下突出問題：氣動儀表測量、調(diào)節(jié)精度差、漂移大，造成調(diào)節(jié)品質(zhì)差，不能滿足高精度調(diào)節(jié)需求，比如正常運行時槽壓調(diào)節(jié)壓力波動范圍為0.2MPa，氫、氧液位差的波動范圍為100mm?？刂葡到y(tǒng)采用的是氣動變送檢測元件，由于檢測的樣氣里經(jīng)常夾帶有堿液,導(dǎo)致測量一次元件長期受到腐蝕而精度下降。檢測氫氣質(zhì)量的氫中氧和氧中氫分析儀表也因樣氣中長期夾帶堿液導(dǎo)致測量元件損壞,且設(shè)備老化造成儀表的氣路單元漏氣嚴(yán)重,使得儀表無法正常分析產(chǎn)品氫氣的質(zhì)量。報警系統(tǒng)采用的是氣動色帶指示儀儀表提供報警接點，經(jīng)常有據(jù)報、誤報的情況出現(xiàn)。同時由于氣

5、動調(diào)節(jié)儀老化，已經(jīng)出現(xiàn)氫、氧分離器液位調(diào)節(jié)失靈和竄液位現(xiàn)象，這樣就存在氫氣、氧氣混合的安全隱患，氫氣、氧氣混合的直接后果就是爆炸，對制氫系統(tǒng)的安全運行帶來極大的隱患。氣動測量、調(diào)節(jié)儀表的另外一個缺點是不能以數(shù)字方式記錄，不能與其它系統(tǒng)通訊，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，對查找分析問題帶來諸多不便。由于存在上述問題，經(jīng)各級技術(shù)人員論證，決定對制氫裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。2南陽鴨電公司制氫裝置控制系統(tǒng)改造方案選型介紹2.1國內(nèi)目前制氫裝置控制方式簡介經(jīng)查閱資料及咨詢生產(chǎn)廠家，目前市場上國產(chǎn)制氫裝置的控制方式大致有:氣動單元控制和電動單元控制相對比較落后,已經(jīng)不大采用。純工控機控制存在的缺點是工控機故障將導(dǎo)致整個

6、控制系統(tǒng)的癱瘓，并且由于工控機的可靠性遠(yuǎn)低于PLC，所以目前純工控機控制方式也已經(jīng)很少采用。DCS控制的優(yōu)點是可靠性高，控制方式及控制策略靈活，但其缺點是成本太高。目前市場主流的制氫裝置控制系統(tǒng)采用的是PLC+上位機模式。在這種模式下，上位機起監(jiān)視和操作作用，而所有的調(diào)節(jié)、運算、控制功能均在PLC內(nèi)實現(xiàn)。由于目前PLC產(chǎn)品集合了小型計算機和繼電器邏輯功能,尤其在數(shù)據(jù)處理方面有了很大的提高，具有可靠性高、安裝布置方便、價格低廉的優(yōu)點。而通過上位機可以實現(xiàn)運行過程的集中監(jiān)視、操作控制、自動打印等功能。目前PLC+上位機模式在制氫裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計和改造中得到了普遍應(yīng)用。2.2南陽鴨電公司制氫裝置控

7、制系統(tǒng)選型及改造目標(biāo)基于上述原因，經(jīng)探討，南陽鴨電公司制氫控制裝置決定采用PLC+上位機模式進(jìn)行改造。改造要達(dá)到的目標(biāo)為：提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度；各聯(lián)鎖、報警及顯示參數(shù)完全與原來系統(tǒng)兼容，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可進(jìn)行聲、光報警或聯(lián)鎖停機；系統(tǒng)自動運行過程中不需要人為干預(yù)，停機時自動卸壓；在上位機上通過各個參數(shù)畫面可監(jiān)視整個制氫系統(tǒng)運行時各種參數(shù)，同時還可以通過鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行控制、在線修改各類參數(shù)等。3制氫站控制系統(tǒng)改造情況介紹3.1本次改造的范圍基于費用方面的原因，本次制氫站控制系統(tǒng)改造的范圍為槽壓調(diào)節(jié)、槽溫調(diào)節(jié)、差壓調(diào)節(jié)、氫液位調(diào)節(jié)，將原來上述幾個調(diào)節(jié)系統(tǒng)所使用的氣動測量儀表、氣動調(diào)節(jié)儀表、氣動記錄儀

8、表、氣動報警儀表拆除，其功能分別由電測量信號儀表、PLC、上位機來實現(xiàn)。保留了氣動壓力調(diào)節(jié)閥，以符合現(xiàn)場防爆方面的要求。對于氫氣干燥裝置、氫氣充罐系統(tǒng)、機組補氫系統(tǒng)等則保留原設(shè)計及操作方式不變。3.2制氫裝置控制系統(tǒng)改造設(shè)計原則制氫裝置控制系統(tǒng)是根據(jù)工藝的操作條件設(shè)置檢測、調(diào)節(jié)、報警、聯(lián)鎖及電氣控制系統(tǒng)以保證制氫裝置可靠、安全、高質(zhì)量地運行。制氫裝置的產(chǎn)品是氫氣和氧氣，氫氣是一種易燃易爆的氣體，油類物質(zhì)在高壓純氧里會自燃，制氫裝置的電解液是腐蝕性較強的堿溶液，根據(jù)這些特點本次改造設(shè)計原則是選用具有防腐、防爆性能的儀表，對不具備防爆性能的儀表和電氣設(shè)備都安裝在與現(xiàn)場相隔離的控制室內(nèi)，對與現(xiàn)場有聯(lián)

9、系的模擬量信號采用防爆安全柵進(jìn)行隔離，對不具備防腐性能的儀表采用隔離措施，對與氧氣相接觸的儀表采取禁油措施，操作人員在控制室里就能方便地進(jìn)行開、停車，監(jiān)視制氫裝置，了解運行機制、聯(lián)鎖點設(shè)置。3.3制氫裝置控制系統(tǒng)改造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖1制氫裝置控制系統(tǒng)改造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D3.4制氫裝置改造后控制系統(tǒng)的構(gòu)成本次改造共涉及模擬量18點，數(shù)字量17點。改造后的控制系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分組成。下位機采用可編程序控制器（PLC），PLC選用美國GE公司Fanuc 90-20型PLC，其配置為：CPU：IC200CPUE05，1塊；電源模塊：IC200PWR102，2塊；DI：IC200MDL640，16點，1塊

10、；DO：IC200MDL940，16點，1塊；AI：IC200ALG260，8點，3塊；AO：IC200ALG320，4點，1塊；VersaPro2.0 PLC開發(fā)軟件。上位機采用DELL OptiPlex GX110 型工控機，操作系統(tǒng)采用Windows2000中文版，監(jiān)控軟件采用iFIX軟件，主要作用是監(jiān)控下位機的運行。監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要是上位機的人機交互界面，通過各個不同的畫面，可使運行人員直觀的監(jiān)視各類系統(tǒng)參數(shù)，手動干預(yù)各調(diào)節(jié)參數(shù)和控制參數(shù)。上位機與下位機采用RS232串行通訊方式進(jìn)行通訊，同時在PLC接口處通過一RS232/RS485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接?，F(xiàn)場模擬量參數(shù)有壓力變送器、

11、溫度變送器、液位變送器、氫分析儀、氧分析儀等，其測量信號均為420mADC信號并送入模擬量輸入模塊；現(xiàn)場數(shù)字量參數(shù)有壓力開關(guān)信號、氫氣測報儀報警信號、整流柜報警信號等，均送入開關(guān)量輸入模塊。3.5主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡介3.5.1槽壓調(diào)節(jié)工作原理：壓力變送器由氧分離器上部空間取得壓力信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出420mADC電流信號，此測量信號經(jīng)安全柵送給PLC，PLC將測量值與給定值進(jìn)行比較和運算，輸出420mADC電信號經(jīng)輸出安全柵隔離送給電氣轉(zhuǎn)換器，電氣轉(zhuǎn)換器將420mADC電信號轉(zhuǎn)換成0.020.1MPa的壓力信號送給氧側(cè)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣壓信號的大小調(diào)整開度，從而調(diào)整氧氣的壓力，使氧分離器的壓力維持在

12、設(shè)定壓力下運行。3.4.2液位調(diào)節(jié)工作原理：設(shè)置液位調(diào)節(jié)的目的是控制氫、氧分離器的液位，使液位維持在600mm800mm的高度。如圖2示，從分離器取液位信號送給液位變送器，變送器輸出420mADC信號經(jīng)安全柵隔離送給PLC，PLC對氫、氧液位進(jìn)行比較，輸出420mADC信號轉(zhuǎn)換成0.020.1MPa的壓力信號送給調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣壓信號的大小調(diào)整開度，使氫、氧分離器的液位維持在設(shè)定液位范圍。如果氫液位高于氧液位關(guān)閉氫側(cè)調(diào)節(jié)閥，氫液位低于氧液位打開氫側(cè)調(diào)節(jié)閥。圖2氫、氧液位調(diào)節(jié)原理圖3.4.3槽溫調(diào)節(jié)工作原理：在堿液循環(huán)泵出口取得堿液溫度信號，由一體化溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換成420mADC的

13、電流信號，送至PLC，PLC將測量值與給定值進(jìn)行比較和運算，輸出420mADC信號送給電氣轉(zhuǎn)換器，電氣轉(zhuǎn)換器將420mADC信號轉(zhuǎn)換成0.020.1MPa的壓力信號送給冷卻水調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣壓信號的大小調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度，從而調(diào)整冷卻水的流量使進(jìn)電解槽的堿液溫度維持在65，同時上位機顯示堿液的溫度。3.5PLC與現(xiàn)場模擬量信號的隔離由于制氫站的防爆等級要求非常嚴(yán)格，故本次改造中，所有從生產(chǎn)現(xiàn)場輸入到PLC的模擬量信號采用LF730型防爆安全柵進(jìn)行隔離，所有從PLC輸出到生產(chǎn)現(xiàn)場的模擬量信號采用LF740型防爆安全柵進(jìn)行隔離，其工作原理見圖3。圖3模擬量信號安全隔離原理示意圖以LF730型為例

14、說明防爆安全柵的工作過程:24VDC電源經(jīng)輸人保護(hù)電路、DC/DC變換電路后，輸出一個隔離穩(wěn)定的18.528.5VDC電壓作為兩線制現(xiàn)場儀表的配電電壓，同時將兩線制現(xiàn)場儀表輸出的420mADC電流信號在其取樣電阻上取出信號送至輸人信號處理單元，經(jīng)限能保護(hù)電路，再經(jīng)磁隔離后，送至輸出信號處理單元，最后輸出420mADC或者15VDC標(biāo)準(zhǔn)信號，饋送給下級受信儀表。4制氫裝置控制系統(tǒng)實施后達(dá)到的功能及特點4.1實現(xiàn)自動控制功能改造完成后，各聯(lián)鎖、報警及顯示參數(shù)設(shè)計完善，可靠性大大提高，解決了未改造前氣動儀表報警系統(tǒng)據(jù)報、誤報情況的出現(xiàn)。在上位機上通過各個參數(shù)畫面可監(jiān)視整個制氫系統(tǒng)運行時各種參數(shù)，同時

15、還可以通過鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行控制、在線修改各類參數(shù)。實現(xiàn)了自動功能，可以自動啟動，自動升電壓、自動升電流、自動充罐、自動停機、故障情況下自動排空的功能，降低了運行人員的勞動強度。4.2強化了系統(tǒng)監(jiān)視功能由于采用了上位機系統(tǒng)，提高了運行人員對制氫裝置監(jiān)視的手段，上位機以流程圖、棒圖、實時曲線和歷史曲線的方式反映系統(tǒng)的運行狀況，并可以在監(jiān)控畫面上完成操作及調(diào)整等工作，運行人員可以定時或不定時的打印系統(tǒng)運行參數(shù)。4.3可靠性與安全性大大提高硬件配置上，控制系統(tǒng)采用了PLC為控制核心，對模擬量輸入輸出采用安全柵進(jìn)行防爆隔離，保證系統(tǒng)運行的安全可靠。特殊參數(shù)的監(jiān)控采用各自獨立的硬件回路，關(guān)系到系統(tǒng)安全運行的

16、回路采用并行冗余工作方式，保障系統(tǒng)安全可靠。4.4預(yù)留遠(yuǎn)控及通訊接口改造后在PLC上留有與主控或水處理控制間的通訊接口，可連接遠(yuǎn)方控制站。4.5具備歷史數(shù)據(jù)查閱功能操作人員能夠在線調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)，并可在線打印記錄運行參數(shù)報表，系統(tǒng)能夠自動記錄報警、聯(lián)鎖等有關(guān)事件，同時記錄報警時間、日期，由打印機輸出。在上位機上，可自動記錄前一個月的歷史數(shù)據(jù)，使用人員可以按天查詢，也可以區(qū)域放大，便于事故分析及了解系統(tǒng)歷史運行情況。4.6具備易維護(hù)性和可擴(kuò)展性非關(guān)鍵回路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)報警后繼續(xù)運行，同時指示故障點。在特定權(quán)限下登錄后，所有自動功能均可切至手動操作，便于儀表在線檢修。同時對于本次未改造部分如需進(jìn)行

17、改造，只需購買檢測和執(zhí)行元件，并對軟件改動即可，避免將來重復(fù)購買軟件和硬件設(shè)備。4.7系統(tǒng)安全管理機制要進(jìn)入監(jiān)控操作,必須由負(fù)責(zé)人在監(jiān)控軟件中已經(jīng)登記過的人員輸入正確密碼方可進(jìn)入。在監(jiān)控軟件中共設(shè)有三級安全管理機制,分別為:負(fù)責(zé)人、操作人員、工程師。負(fù)責(zé)人可以在登錄以后,操作所有功能包括修改參數(shù)。操作人員僅可操作與設(shè)備運行所必需的功能。工程師僅具有修改調(diào)節(jié)參數(shù)和報警設(shè)定等權(quán)力。同級別的人員具有相同的權(quán)力。5制氫裝置控制系統(tǒng)改造效果分析5.1控制精度大大提高改造后各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制精度大大提高，對制氫裝置控制系統(tǒng)改造前后槽壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從附表可以發(fā)現(xiàn)有比較明顯的改進(jìn)效果。附表中的數(shù)據(jù)來源

18、于運行實際數(shù)據(jù)采集，改造前采集日期為2005年12月12日，改造后采集日期為2006年2月10日。附表 改造前后槽壓調(diào)節(jié)運行參數(shù)對比表5.2具有良好的經(jīng)濟(jì)性由于改造后使用的是熱工通用儀表，可以由電廠自己進(jìn)行校驗，每年可以節(jié)省3萬元的氣動儀表返廠校驗費用，同時備品備件的費用也將降低很多。5.5安全性大大提高5.5.1差壓調(diào)節(jié)穩(wěn)定性提高：氫、氧液位差由未改造前的100mm控制在20mm，有效避免了氫、氧氣體混合情況的發(fā)生。5.5.2槽壓調(diào)節(jié)穩(wěn)定性大大提高：未改造前，設(shè)定點為2.70MPa時，波動范圍為2.50MPa2.90MPa，而改造后波動范圍為2.692.71MPa之間，安全性大大提高。5.5.3電測儀表的采用，使得測量的精度、調(diào)節(jié)的精度大大提高，解決了氣動儀表靈敏度低、零點漂移、信號反饋不及時、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差大的缺陷。6存在的問題6.1由于改造資金的限制，僅僅對工作