基于PLC的水电解制氢装置温度控制.pdf

电气与自动化 童金钟。 等 基于 P L C的水电解制氢装置温度控制 基 于 P L C的水 电解 制氢装置温度控制 童金钟 ，石成江 ，褚义彬 ， 孔庆伟 1 ． 辽宁石油化工大学 机械工程学院 。 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ． 抚顺市 安全 生产教 育中心 。 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘要 随着国家对新能源的开发和推广， 氢气作为清洁能源和工业气体被广泛应用到各个生 产领域。水电解制氢具有工艺简单、 高效环保的特点， 是工业制氢的常用方法。由于氢气生产 环境易燃易爆的特点． 要求制氢设备在生产中必须运行稳定、 安全可靠。P L C作为 自动化控制 装置， 具有功能齐全， 稳定可靠。 抗干扰性强等特点。 被广泛应用于各个领域。课题选择 P L C 上位机的方式， 针对某厂的中压水电解制氢设备 ， 设计了温度 自动控制系统。介绍 了中压水电 解制氢装置的换热原理和温度控制流程， 利用 P L C的 P I D运算控制功能保证槽温维持在设定 范围内． 以满足制氢装置的工艺要求， 并通过上位机进行实时监控。 关键词 制氢设备 ； 温度控制 可编程控 制器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 5 0 6 ． 0 1 7 6 0 3 Te mpe r a t u r e Co nt r o l o f Hy d r o g e n Equ i pme n t Ba s e d o n PLC T O N G J i n z h o n g ， S H I C h e n i a n g ， C H U Y i b i n ， K O N G Q i n g w e i 1 ． c o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， L i a o n i n g S h i h u a U n iv e r s i t y ， F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ， F u s h u n P r o d u c t i o n S a f e t y E d u c a t i o n C e n t e r ． F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p me n t a n d p r o mo t io n o f n e w e n e r g y s o u r c e i n c h i n a ． h y d rog e n i s wi d e l y u s e d a s a k in d o f c le a n e n e r g y a n d in du s t r ial g a s i n t h e i n d u s t r ial p r o du c t i o n．Wa t e r e lec t r oly t i c pr o c e s s wit h s i mp l e t ec h n olo g y，h igh e ffic i e n c y a n d e n v i ronme n t a l pr o t e c t io n is a c o mmo n me t h od o f i n d u s t r ial h y droge n p rod u c t i o n．PL C i s u s ed as a au t o ma t ic c o n t r o l de v ic e，wh i c h is ch a r a c t e r i s t i c o f a n t i in t e rf e r e n c e a b i l it y a n d p e rf e c t r e li a b i l ity． C o n s e q u e n t l y ， i t c a n b e a lmo s t u s e d in a l l i n d u s t r y c o n t rol f ie ld s ． T h e c o n t rol s y s t e m wit h PL C a n d PC i s d e sig n ed f or t h e wa t er e l e c t roly s i s h y drog en g en e mt i n g p l a n t ． Th i s p ap e r i n t r od u c e s t h e h e a t e x ch a n g e a nd t em- p er a t u r e c on t r o l p r i n c i p l e of t h e h y droge n g e n er a t ing s y s t em．PI D c on t r oll e r wit h PL C i s us ed t o ma i n t ain t h e t an k t e mpe r a t u r e wit h i n t h e lo gic al r a n g e．I t mee t s t h e t e ch n olo gic a l r e qu i r eme n t s o f t h e h y d r og e n p r od u c t i o n an d t h e i n du s t r i a l c o n t rol c o mpu t er i s u s e d t o s u p er v i s e a n d c on t rol t h e p rod u c t ion p r o c es s ． Ke y wo r ds h y drog en e q uipme n t； t emp er a t u r e c on t r o l；PL C 0 引言 在多晶硅工业生产中常常需要高纯氢气作为还原剂， 水电解产生的氢气不但纯度高而且高效无污染， 因而在多 晶硅企业中被广泛应用。由于水电解制氢生产工艺对制 氢设备的安全性要求很高， 对设备的可靠性和自动化监控 尤为重要。P L C在工业 自动控制中具有较强的可靠性、 抗 干扰性和数据通讯。以P L C为核心的控制系统能够实现 对制氢设备的运行 自动化和远程监控， 且满足生产工艺各 项 要求 1 水 电解制氢装置的介绍 1 ． 1 水 电解制氢工艺流程 中压水电解制氢装置是在电解槽中通过直流电解约 3 0 ％氢氧化钾溶液产生氢气和氧气 ， 产生的氢气和氧气分 别带着氢氧化钾溶液进入氢分离器和氧分离器， 并通过重 力作用 ， 氢气和氧气分别与碱液分离并进入气水分离器， 经过冷却分离碱液后通过调节阀控制分别输出， 进入后续 生产 系统 。 与气体分离的碱液在碱液循环泵的牵引作用下， 先进 人碱液过滤器除去机械杂质． 然后进入碱液冷却器进行换 热冷却， 接着重新注入电解槽继续电解循环。整个工艺流 程如图 1 所示 。 1 ． 2 温 度对水 电解 制氢设 备的影响 电解槽 中的基本化学反应方程式为 阴极 4 e 一 4 H， O2 H， T 4 0 H一 阳极 4 0 H 一 0 ， T 2 H， O 4 e 一 总反应式 2 H ， O 2 H ， T 0 ， T 热量 Q 由上述反应方程式可以看到． 随着电解反应的持续进 行， 电解槽内部会产生大量热量， 从而使电解槽 内部温度 逐渐上升。这会对电解反应及运行设备产生两部分影响 1 电解液随着温度 的升高 ， 其电导率增加 ， 使 电极 反应速 度提高 。 气体产生的超 电压也会 随之降低， 温度每升高 1 ℃ ， 电解电压会降低约 O ． 2 5 ％， 提高了电解效率； 2 如果 作者简 介 童金钟 1 9 8 6 一 ， 男 ， 河南商丘人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向 过程装备监测与控制技术。 l 7 6 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． C D _ 机械制造 与 自动化 电气与自动化 童金钟， 等 基于 P L C的水电解制氢装置温度控制 图 1 水电解制氢工艺流程 图 温度过高会加剧电解液对设备腐蚀及气体氧化。 电解设备 的安全运行和使用寿命将会降低。因此 ， 电解槽需保持适 当的温度。经过长期实践， 槽温一般保持在 8 0℃一 9 O℃， 这样既能保证电解效率又能确保设备长期安全运行 。 2 水 电解 制氢装置的温度控制 从氢氧分离器流出的高温碱液通过碱液冷却器与低 温冷却水进行热交换后其温度约 6 0 c c～ 7 O℃． 然后流入 电解槽与槽内高温碱液混合进行再次热交换 ， 由此不断循 环冷却， 这样电解产生的热量就能通过碱液循环与低温冷 却水进行热交换。通过调节碱液冷却器内冷却水流量就 可以控制流出冷却器的碱液温度， 从而使电解槽保持设定 温度 。水 电解制氢 系统 的热交换原理如 图 2所示 。 冷却水进水冷却水回水 图 2 水电解制氢系统热 交换示意 图 高温成液 该控制系统主要由温度检测 、 主控单元 、 监控单元、 执 行机构组成。由热电偶进行温度检测 ． 西门子 S 7 2 0 0 P L C 和模拟量模块 E M 2 3 5进行主控， 上位机作为监控单元， 气 动薄膜调 节阀作为执行 机构 。安 装在 电解槽 碱液 管道 出 口的 热电偶传感器 变送器 检测出碱液温度 ， 并转换 成 4 2 0 m A电流信号， 通过 E M 2 3 5将此温度信号转换成 数字信号 ， 输送到 P L C控制系统中。P L C利用自身的 P I D 调节使碱液实测温度与上位机设定 的温度进行比较和运 算后， 经过 E M2 3 5生成 4 2 0 m A的电流信号， 并通过 电 气转换器输出一个 0 ． 0 1 0 ． 2 MP a的气压信号控制冷却水 管道上的气动薄膜调节阀． 调节阀根据气压信号的大小控 Ma c h i n e B u i l d i n g口 Au t o ma t i o n ， De c 2 0 1 5 ， 4 4 6 』 7 6 ～ J 制阀门开度， 进而控制冷却水流量 ． 使槽温保持在设定温 度 图 3 。 图 3 水 电解 制氢温 度控 制系统示意图 3 P I D原理及参数 的设定对水 电解 制氢设备温度的影响 P I D控制输出变量 M t 是关于时问 t 的函数 t e e d d e ／ d ￡ 式中 M t P I D回路的时间函数 e P I D回路误差 ； K 比例参数； K， 积分参数 微分参数。 P I D控制就是利用输出变量M t 对控制对象进行控 制， 以偏差进行调节从而实现过程的闭环控制。P I D的参 数整定是根据被控过程的特性确定其比例系数积分时间 和微分时间的大小。P I D各参数对槽温的影响 比例参数 的数值大小与控制系统的响应速度相关， 值过小， 则响 应速度缓慢； 值过大， 响应速度较快， 此时会引起系统 产气量， 压力及液位波动。积分作用是为了消除系统静态 误差， 积分时间参数 ， 与积分作用成反比关系， 值过 小， 积分作用较强， 系统调节波动较大， 导致调节系统不稳 定。K， 值过大， 积分作用较弱， 导致槽温调节混乱 ； 微分 作用用来降低被控对象的滞后性 ， 微分时间参数 值过 小， 超前调节作用不明显。 易造成槽温调节滞后； 值过 大， 引起被调参数浮动， 致槽温波动较大_ 3 ] 。 合理设置 P I D控制器的调节参数， 可以获得较高的控 制品质使温度控制系统处于稳定状态 不合理的参数设置 会使调节系统于波动状态从而导致控制系统紊乱l 5 ] 。对 于水电解制氢设备的温度控制系统的参数设置。 可以利用 西门子 s 7 2 0 0的 P I D参数 自整定功能来实现。将工控 机与 s 7 2 0 0 P L C连接后启动并运行 P L C， 在编程 软件 S T E P 7 一 Mi c r o ／ WI N 3 2中进入 P I D调节 控制面 板。首先 选 择手动整定， 先整定 将比例系数 由小到大， 调节出一 组响应快。 超调小的温度曲线； 再整定 ， 将 比例系数保 持不变 。 引入一个较强的积分作用， 使系统振荡， 再增加积 分时间使振荡消除， 得到一个合理的数值； 最后整定 ， 将微分时间由 0开始增大， 直至找到临界振荡值。整定的 数值使之接近自动调节的参数值 。 然后再选择 自动整定进 一 步确定 P I D参数范围。结合 P L C自整定和工程实际经 验， 使制氢设备温度控制的 P I D参数最后修正为 0 ． 9 ； ， 7 90 0； 1。 1 77