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氫氧機壓力、液位、溫度控制系統

[ 來源: | 作者:本站 | 發布時間:2019-06-28 | 瀏覽:1500次 ]

一種氫氧氣體發生器壓力控制裝置,包括安裝在氫氧氣體發生器出氣管路上的氫氧氣進氣口和氫氧氣出氣口,該氫氧氣進氣口和氫氧氣出氣口之間連通介質筒,該介質筒下部設有兩個壓力變送器安裝接頭,該兩個壓力變送器安裝接頭上分別安裝有壓力傳感器,百事得DPI系列壓力變送器精巧的外形設計和科學的結構密封方式,穩定可靠的產品性能,滿足氫氧發生器對壓力變送器的所有工藝要求。本實用新型氫氧氣由氫氧氣進氣口流向氫氧氣出氣口的過程中,其壓力經傳壓隔離介質隔離后傳遞至兩個氣腔,再由兩個氣腔的壓力分別驅動兩個壓力傳感器,起到隔離氫氧氣直接接觸壓力傳感器,達到了杜絕氫透、氫脆及回火時壓力傳感器易失效的目的。

氫氧機是生產氫燃料的設備,它采用水電解技術,通電使水分解成氫氣和氧氣,其中氫氣作為燃料,氧氣作為助燃劑,是一種高科技綠色環保節能設備。該氫氧機因所產氣體為氫、氧分離型,使氫氧機設備應用范圍得到極大拓展,不僅局限于通常使用熱加工場所,以替代傳統乙炔、丙烷、液化氣等燃氣,用于金屬切割、金屬氣焊,還可以在玻璃制品加工、汽車除碳、車載氫氧機、氫燃料電池、電子化工、食品加工等領域得到廣泛應用。由于所產為氫、氧分離氣體,在金屬切割方面,徹底杜絕氫氧混合氣體易“回火”這一技術瓶頸問題,因此,分離式氫氧機在金屬切割領域得到更為安全的使用。

在控制方面,該氫氧機內部采用PLC控制技術,通過PLC硬件組態和程序設計,開發了完整的控制程序,實現設備裝置的啟停、控制、運行狀態參數設定和顯示、并具有報警故障查詢等功能。外部結合工業觸摸屏進行人機界面(HMI)控制,在人機對話上充分考慮了人機界面控制的及時性、完整性和互動性。界面非常友好,使用操作方便醒目直觀。

1. 控制方案設計

1) 電解工作原理

分離式水電解制氫裝置是通過直流電解KOH(25%~30%濃度)水溶液產生H2和O2,H2和O2夾帶KOH堿液分別進入氫、氧汽水分離器進行汽水分離(在水分子重力作用下進行汽水分離),分離后的堿液通過分離器底端再回流至電解槽(在高壓制氫中則需要增加循環泵以完成電解液的回流)。

水電解制氫電極反應式:

陰極: 4e + 4H2O = 2H2↑ + 4OH▔

陽極: 4OH ▔ = O2↑ + 2H2O + 4e

總反應式:H2O = H2 + 1/2 O2

由上述電極反應式可知:產生H+和OH-離子,其中H+離子移向電極的陰極面,形成H2↑,OH-離子移至電極的陽極面,形成O2↑。而相應的產氣量H2是O2的2倍。

2) 液位差控制

目前分離式電解槽普遍采用壓濾式雙極性電解槽,內部有多個電解小室組成。電解小室間用石棉布為隔膜材料,而石棉布特性是在浸潤的狀態下,氣體不能通過,只能參與電解的離子可穿透。如隔膜兩側壓力不平衡,壓力差為±100mmH2O時,如壓力差大于300mmH2O則會有氣體泡通過石棉隔膜,造成氫氧混合;另外,電解后的H2、O2輸出至汽水分離器上因氫氧分離器底部會呈連通狀態。如果氫氧分離器壓差過大,很可能使H2或O2從壓力大的分離器進入另一個分離器。所以,在系統運行時必須控制氫氧分離器的液位使其平衡,使液位保持在規定的范圍內,防止由于液位過低而造成H2、O2氣體混合。液位過高會增加氣體排出阻力,引起H2、O2側壓力不平衡,造成H2、O2氣體的互相滲透。

氫氧液位采用百事得DPI10系列差壓變送器,差壓變送器可直接把隔膜兩側的壓力差測量出來,并將液位模擬量轉化為電信號4-20mA輸出,以A/D模數轉換來實現其液位控制。將氫氧采樣轉換的電信號4-20mA輸入至PLC中進行差值設定。針對設備在開機運行狀態和停機狀態不同情況下,對氫氧兩端的液位給予處理。

a) 開機及運行狀態

在開機運行狀態下,液位如有下列不平衡情況時則進行平衡處理。

l H2>O2且H2-O2≥120mmH2O(液位差值),O2旁通閥打開,使O2側壓力減?。ǎ希惭跻何簧撸?,從而使液位差值減小。

l O2>H2且O2-H2≥110mmH2O(液位差值),H2旁通閥打開,使H2壓力減?。ǎ龋矚湟何簧撸?,從而使液位差值減小。

l 氫氧均液位(對其液位采集若干次后處理的均值)≤氫氧液位下限值280mmH2O時,則設備補水泵以及補水閥打開,進行相應補水。

l 氫氧均液位≤補水液位上限值是300mmH2O,補水泵以及補水閥關閉,停止補水。

l 在進行過程中,當氫氧液位差值》140mmH2O時,氫高于氧液位,氧旁通閥打開到氫氧液位值低于≤80mmH2O時,氧旁通閥關閉;如氫氧液位差按上述變化時,氫旁通閥打開到關閉。

b) 停機狀態

在停機狀態下,氫氧液位可能還會存在一定液位差,也需進行平衡處理。

l O2>H2時,氫旁通閥打開。

l H2>O2時,?。龋?O2≥50mmH2o液位差,氧旁通閥打開,H2-O2≤30mmH2o液位差,氧旁通閥關閉。

l 氫氧均液位280mmH2O時補水泵以及補水閥打開,≤300mmH2O時則關閉。

3) 液位平衡控制

液位平衡控制亦稱系統平衡控制。為達到液位平衡目的,采用背壓閥,電氣轉換器及氣動調節閥共同實現液位平衡控制。通常將背壓閥放置于氫側,以氫液位為比對基準給定值,氫液位作為實際值經PLC(數字顯示調節儀)做比例、積分和微分PID運算,將運算結果以模擬量形式通過PLC輸出經D/A數模轉換,輸出4~20mA模擬量(經安全柵)輸入至電氣轉換器。

氣動調節閥的工作是在配套氣泵與電氣轉換器(將4~20mA模擬另轉換為0。02~0。1Mpa),用氣動信號來調節加至氧側的氣動調節閥的開啟度,使氫氧液位保持平衡,如氫液位高則自動減少加至氧側的氣動調節閥的開度。通過調整氧側壓力值(變?。┦闺娊庖和ㄟ^H2、O2分離器下端連通管,造成氫液位下降,從而達到控制氫氧液位平衡。反之亦然。

在開機后設備檢測液位以及系統壓力的驅動電氣轉換器,使氣動閥開啟合適開度,以保證系統液位平衡。待停機后,氣動調節閥呈安全打開狀態,以便泄壓。

4) 系統溫度控制

水的電解過程是一個放熱的過程。隨著電解過程的不斷運行,電解槽內部會連續產生熱量,進而使電解槽的運行溫度持續上升。根據水電解制氫工藝要求,電解槽溫度規定為85℃則為極限溫度,以保證電解槽內部隔膜使用壽命。

在系統溫度的采樣上采用百事得DPI系列一體化溫度變送器,通常在電解槽出口管道上安裝溫度變送器,一體化溫度變送器將檢測到的實際溫度以4~20mA的標準電信號,采用一體化溫度變送器將減少了中間環節的故障點,4-20,mA輸入至PLC中。在編寫好的控制邏輯程序中利用可編程控制器自帶的普通PID調節子程序,使實際溫度與設定溫度進行比較。如高于設定極限溫度時,輸出控制信號保證設備以故障形式停機。

當然上述只是較為簡單的溫度極限保護。如需對系統溫度進行控制,則可以使PLC輸出模擬控制信號增大,進而控制系統冷卻水流量調節閥的開度變大,使得冷卻水流量加大,熱交換加速,使得返回電解槽的堿液溫度加速降低,最終使電解槽溫度下降。這種控制能夠保證水電解可在最理想溫度下工作。

5) 系統壓力

為保證氫氧機在運行中的安全性,特對設備系統內部最高壓力進行設定。所設壓力變送器放置在氧側,與氫側所加的背壓調節閥產生的壓力進行相應檢測。當系統壓力大于設定壓力時,則設備判定為嚴重故障泄壓停止運行。

在設備氫、氧出口端采用A/D壓力變送器將采集模擬量輸入至PLC處理為相應的數字量。當氫出口壓力達到氫出口壓力所設上限時,則會控制電解電流下降,使氫產氣量減小,以降低氫出口壓力。反之亦然。

如氧出口端壓力達到所設置壓力值時,氧放空閥打開,以降低氧出口端壓力。

在設計上為方便用戶使用,觸摸屏上可對氫、氧出口端壓力設定上下限壓力值,以上限壓力最高不允許超過系統壓力為原則。

6) 電解電壓控制

氫氧機產生的氫氣量大小與參與電解電流的大小成正比,所以控制電解電流輸出電流值就可控制氫氣量輸出。為便于設定控制電解電流,在觸摸屏可輸入電解電流百分比,由PLC輸出經D/A轉換輸出的0~10V電壓信號加入電解電源輸入控制端達到控制輸出電流目的。

2. 系統設計

為了實現整個系統的控制,特建立以PLC為核心的控制系統。工業觸摸屏顯示系統運行狀態及參數。

S-200是西門子PLC產品中一款小型可編程序控制器,能夠控制該設備以滿足自動化控制需求。它具有緊湊的結構、靈活的配置和較強的指令集,使S-200成為各種控制應用的理想方案。本控制系統需6個數字量輸入和2個數字量輸出(表1),根據系統控制要求,選取S-200PLC作為控制核心,此外還需擴展1個模擬量擴展模塊。

表1 輸入輸出信號與輸入輸出點的分配

為使系統有較好的人機對話界面,實現液位、壓力、溫度等現場參數的設定并輸出各種報警提示信息,選擇信捷觸摸屏顯示口作為顯示設定單元。系統軟件設計流程如圖2。

3.結束語

該控制系統充分發揮PLC可靠靈活的優勢,以及觸摸屏友好人機界面功能。實踐證明,系統具有較強的抗干擾能力,操作簡單,在較惡劣的操作現場得到很好應用。

4.配置清單

西門子S-200可編程控制器

百事得DPI701壓力變送器

百事得DPI10差壓變送器

百事得DPI一體化溫度變送器

西門子I/O模塊

西門子14”觸摸顯示屏

5.工作原理示意圖



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