電解制氫系統(tǒng)自動控制及聯(lián)鎖保護分析優(yōu)化.doc

電解制氫系統(tǒng)自動控制及聯(lián)鎖保護分析優(yōu)化 王曉智 （廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責任公司，廣東潮州515723） 摘要：電解制氫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，對人身安全、設備可靠及發(fā)電機組安全經(jīng)濟運行都有重要意義?，F(xiàn)對電解制氫系統(tǒng)自動控制和聯(lián)鎖保護進行分析和研究，并針對潮州電廠電解制氫系統(tǒng)進行了一系列的優(yōu)化和治理，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 關鍵詞：電解制氫系統(tǒng)；自動控制；聯(lián)鎖保護 0引言 電解制氫系統(tǒng)在發(fā)電廠用于給發(fā)電機組提供合格的氫氣，作為發(fā)電機組運行時的冷卻介質，氫氣品質是氫冷發(fā)電機組安全經(jīng)濟運行的重要基礎1，必須在電解制氫時將氫氣純度、濕度、溫度、壓力等參數(shù)控制在合格范圍內，否則可能會導致發(fā)電機超溫、定子線圈短路等嚴重故障，甚至引發(fā)爆炸、火災等惡性事故?？梢婋娊庵茪湎到y(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要性不言而喻，因而對系統(tǒng)的自動控制及聯(lián)鎖保護進行分析和優(yōu)化十分必要。 電解制氫系統(tǒng)自動控制及聯(lián)鎖保護設計原則是根據(jù)實際工藝流程和規(guī)范，設置參數(shù)檢測、程序控制、實時調節(jié)、參數(shù)調整、超限報警、聯(lián)鎖保護、遠程監(jiān)控等功能，對系統(tǒng)啟動、升溫升壓、產(chǎn)氫、堿液循環(huán)、冷卻、氫氣充罐、機組補氫、停運等全過程進行實時控制，以保證整套系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。 1氫氧混合濃度控制 氫氣是易燃易爆氣體，與氧氣混合達到一定比例時，一旦遇到明火甚至只是微小的觸發(fā)能量，如開關分合、端子虛接、金屬摩擦碰撞等情況下產(chǎn)生的火花，即可發(fā)生強烈的化學反應，極易引發(fā)火災、爆炸等惡性事故。因此，在電解制氫的全過程中對氫、氧混合濃度的實時監(jiān)測及程控保護是很重要的。 在電解制氫系統(tǒng)的氫、氧兩側分別安裝氫中氧含量（或氫純度）、氧中氫含量（或氧純度）在線分析儀2，對氫、氧氣體的混合濃度進行實時自動監(jiān)測，同時將儀表輸出的420mA測量信號經(jīng)安全柵隔離后接入程控系統(tǒng)，通過邏輯組態(tài)實現(xiàn)對氫氧氣體混合濃度的超限判定和聯(lián)鎖保護，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控，使運行人員實時掌握氫、氧氣體濃度情況，且根據(jù)需要調整運行參數(shù)。 潮州電廠電解制氫系統(tǒng)原設計為：氫中氧濃度數(shù)值大于1%時報警，大于2%時氫氣側排空；氧中氫濃度數(shù)值大于1%時報警，但未設置聯(lián)鎖保護。報警及聯(lián)鎖的定值均較高，且氧中氫濃度只做報警而未設置相應聯(lián)鎖保護，存在一定的安全隱患。為進一步增強安全性和可靠性，考慮對此聯(lián)鎖保護進行優(yōu)化，現(xiàn)已將聯(lián)鎖定值降低，并增設氧中氫濃度聯(lián)鎖邏輯。制氫設備啟動后，氫中氧大于0.2%或氧中氫大于0.85%時立即報警并觸發(fā)系統(tǒng)排空。同時引入運行員確認機制，在運行操作站上位機的制氫系統(tǒng)監(jiān)控畫面上增加氫氣“充罐確認”按鈕，運行員對現(xiàn)場進行檢查確認后，點擊“充罐確認”按鈕進行氫氣充罐，當運行員發(fā)現(xiàn)任何異常情況未點擊“充罐確認”按鈕時，則氫氣排空閥保持常開狀態(tài)使氫氣排空，確保系統(tǒng)安全。 2氫、氧側液位差（差壓）控制 電解制氫系統(tǒng)正常工作時，電解槽內的電解液持續(xù)電解，分別在兩極區(qū)域產(chǎn)生氫氣和氧氣，兩側氣體的產(chǎn)量不同，使得氫分離器和氧分離器內的氣體壓力出現(xiàn)壓力差，從而使氫、氧兩個分離器出現(xiàn)液位差，程控系統(tǒng)需要將這個差值控制在很小的幅度內2，使差壓波動盡量平緩，以保證電解系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。 分別對氫、氧兩個分離器安裝液位測點，變送器輸出420mA信號經(jīng)安全柵隔離后送至程控系統(tǒng)，在邏輯組態(tài)中對氫、氧液位進行比較算出液位差，利用PID模塊進行過程調節(jié)，輸出調節(jié)閥開度指令，由比例電磁閥將420mA信號轉換成對應的壓縮空氣壓力，最終驅動調節(jié)閥進行實時調節(jié)，使氫、氧兩個分離器的液位維持在設定液位范圍。 電壓轉換模塊為比例電磁閥提供穩(wěn)定的直流24V電源，其出現(xiàn)的電壓擾動、接地不良等也是造成氫、氧液位及槽壓波動異常的一個重要原因。潮州電廠電解制氫系統(tǒng)原設計比例電磁閥配置的開關電源穩(wěn)定性較差，且端子間距過小，很容易引起短路等危險情況的發(fā)生?，F(xiàn)已對每個比例電磁閥獨立配置了電壓穩(wěn)定、接地良好、可靠性高的電源模塊，保證了電源系統(tǒng)的可靠運行。 調節(jié)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)均可能影響調節(jié)品質的好壞，需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況分析各個環(huán)節(jié)的干擾因素，最大程度地提高調節(jié)品質。潮州電廠電解制氫系統(tǒng)氫、氧側兩個氣動調節(jié)閥均為針型閥，閥針經(jīng)過長期運行后會出現(xiàn)一定磨損，造成閥體內漏增大，閥門特性曲線改變。從電解制氫系統(tǒng)實際運行的經(jīng)驗來看，這對氫氧液位、槽壓調節(jié)影響很大，會明顯出現(xiàn)差壓和槽壓波動幅度增大的現(xiàn)象，因此必須注意分析和掌握調節(jié)閥閥針的磨損老化趨勢，保證調節(jié)閥特性穩(wěn)定。同時，壓縮空氣的質量也需得到保證，應在氣源母管處加裝合適的氣體過濾裝置，盡可能避免雜質進入比例電磁閥或氣動調節(jié)閥內部閥芯。 3槽壓控制 氧槽壓反映出電解槽氧氣側壓力，實際上，氧槽壓與氫氧差壓是緊密相關的，氫、氧兩側的兩個調節(jié)閥分別設置于兩個調節(jié)回路中，氫側調節(jié)閥用于調節(jié)氫、氧側液位差（差壓），氧側調節(jié)閥用于調節(jié)氧槽壓，這兩個調節(jié)回路之間存在很強的耦合性。也就是說，氫、氧兩側的槽壓是高度相關和一致的，氧槽壓同時也反映出電解槽氫側的壓力，通過氧槽壓可以掌握整個電解槽的壓力狀況。通過設置氧槽壓力高聯(lián)鎖跳閘電解槽的保護，可以有效防止因內部壓力過大造成電解槽設備損壞甚至爆炸等嚴重后果。 潮州電廠電解制氫系統(tǒng)原氧槽壓力高（壓力開關）聯(lián)鎖通過電氣硬回路直接跳閘A、B列制氫設備，而在邏輯中只緩慢減小調節(jié)電壓?？刂撇呗圆灰恢拢焕谙到y(tǒng)安全穩(wěn)定運行?，F(xiàn)已將氧槽壓力高（壓力開關）聯(lián)鎖在電氣硬回路和邏輯中均跳閘A、B列制氫設備，通過控制邏輯和電氣硬回路兩種不同原理的回路實現(xiàn)聯(lián)鎖保護，減小了保護拒動的概率，提高了系統(tǒng)安全程度。 4冷卻水壓力控制 冷卻水壓力低會導致冷卻水量不足，使得電解產(chǎn)生的熱量不能及時被交換帶走，從而造成系統(tǒng)超溫引發(fā)危險，因此需要對電解槽冷卻水壓力進行自動調節(jié)2，同時設置相應的聯(lián)鎖保護。 潮州電廠電解制氫系統(tǒng)原冷卻水設置的邏輯為：閉冷水泵A運行且閉冷水泵出口母管壓力低延時10s聯(lián)啟閉冷水泵B，而閉冷水泵出口母管壓力低無延時跳閘A、B列制氫設備。邏輯順序不合理，現(xiàn)已對此控制邏輯進行優(yōu)化：閉冷水泵A運行且閉冷水泵出口母管壓力低延時10s聯(lián)啟閉冷水泵B，閉冷水泵出口母管壓力低延時20s跳閘A、B列制氫設備。既防止了冷卻水量低可能導致的設備超溫危險，同時也放寬了冷卻水壓力低聯(lián)鎖跳閘制氫設備的時間限制，避免了不必要的設備跳閘，保證了系統(tǒng)運行的可靠性。 5其他主要保護 除上述自動控制和聯(lián)鎖保護外，電解制氫系統(tǒng)還應當根據(jù)具體工藝情況設置一些其他的自動控制策略，盡可能提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。 設置整流電流控制，自動調節(jié)電解槽整流電流數(shù)值；設置整流柜故障保護，整流環(huán)節(jié)故障時觸發(fā)聯(lián)鎖條件停運制氫系統(tǒng)；設置氫管壓力控制，實時監(jiān)控電解裝置出口氫氣管路壓力狀態(tài)2；設置氫氣自動充罐程序，依據(jù)各氫儲罐壓力和充罐順序，自動完成儲罐充氫；設置機組自動補氫程序，根據(jù)機組端氫氣壓力自動完成機組補氫；設置氫、氧液位保護，防止氫、氧單側液位過高或過低引發(fā)氫、氧側壓力差過大而導致氫氣和氧氣混合濃度過大；設置氫、氧槽溫保護，防止電解槽氫、氧側超溫引發(fā)危險；設置氣源壓力保護，防止儀用氣源壓力過低引發(fā)就地執(zhí)行機構動作緩慢或拒動而導致的異常風險；設置補水控制，電解槽液位低于設定值時自動觸發(fā)電磁閥給系統(tǒng)補水；設置漏氫檢測裝置，室內氫氣濃度超標時聯(lián)鎖啟動排風機2。 也可以嘗試引入一些新的控制策略和概念，如專家知識庫辨識系統(tǒng)3、工業(yè)4.0概念、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應用等，進一步提高電解制氫系統(tǒng)的工業(yè)自動化水平。 6結論 制氫系統(tǒng)熱控設備的安全性、可靠性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對人身安全、設備可靠以及發(fā)電機組的正常運行都有著重要意義。本文在對潮州電廠電解制氫系統(tǒng)自動控制和聯(lián)鎖保護策略進行分析和研究的基礎上，對系統(tǒng)進行了一系列的優(yōu)化和治理，提高了系統(tǒng)的可靠性，確保了電解制氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。 參考文獻 1劉勇.氫氣品質對氫冷發(fā)電機運行的影響J.科技視界，xx（24）：253，301. 2GB50177xx氫氣站設計規(guī)范S.