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中壓水電解制氫裝置的液位控制

日期:2024-12-23 17:07
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摘要:

 中壓水電解制氫裝置的液位控制

    摘  介紹中壓水電解制氫裝置的液位測量,由分離器選擇變送器的遷移,測量信號到PLC的控制通道,PLC是怎樣對采集到的液位信號進行運算及液位控制。
  關(guān)鍵詞 液位 液位控制 變送器 遷移


  中壓水電解制氫裝置是通過電解NaOH水溶液產(chǎn)生H2和O2,H2和O2分別帶著NaOH堿液進入氫、氧分離器,在氫、氧分離器內(nèi)H2,O2與NaOH堿液進行分離,分離后的堿液通過分離器底部的連通管匯合進入過濾器。從電解水的方程式2H2O=2H2+O2〔4〕可以看出,電解水產(chǎn)生的H2量是O2的2倍,而且H2和O2發(fā)生混合時可能引起設(shè)備的,如果氫、氧分離器壓差過大,就可能使H2或O2從壓力大的分離器進入另一個分離器(氫、氧分離器底部連通)見圖1。為此系統(tǒng)運行時控制氫、氧分離器的液位使其基本平衡,在系統(tǒng)**上起著非常重要的作用。
1   
 

2 、氧分離器的液位測量

2.1 氫分離器液位測量
  因為氫分離器是密閉容器,所以變送器測量的液體壓力除了隨液位高度變化外,還受到容器內(nèi)上部氣體壓力Pi的作用,需要將容器上部引出的氣體壓力和下面取壓點的壓力進行比較,才能測出液位的高度。所以,測量密閉容器的液位,必須用差壓變送器。因為負壓室有液體進去,形成液柱壓力,就會產(chǎn)生假信號影響測量的精度,因此在負壓室灌滿與氫分離器濃度相同的堿液即平衡液,堿液的密度為γ,正壓室直接與氫分離器的底部取壓點相連,液面底部與液面上的壓差為ΔP,則容器內(nèi)液位高度h為:

h=ΔP/γ  

  這樣,液位測量就變成差壓測量。氫分離器液位測量如圖2所示,差壓變送器的正壓室(以“+”表示)與氫分離器底部取壓點相通,差壓變送器的負壓室(以“-”表示)與氫分離器上部取壓點相通,則可以測量氫分離器的液位。
    正壓室所受壓力為:P1=γ(h1+h)+Pi
    負壓室所受壓力為:P2=γh2+Pi
   
變送器承受壓差為:

式中 h1為氫分離器下部液位測壓點到變送器的高度;h2為氫分離器上部測壓點到變送器的高度;Pg為固定壓差Pg=γ(h2-h(huán)1)。  
  h1,h2與液位變化無關(guān),所以為了使變送器輸出不受固定壓差影響,必須把固定壓差平衡,即同時改變差壓變送器的上、下限,使壓差不變(測量范圍不變),對變送器進行負遷移,遷移量為Pg=γ(h2-h(huán)1)。這樣壓差直接和液位相對應(yīng),加上負遷移,變送器可以正接,輸出特性的斜率不變,僅僅平移一個負遷移量。
  因為測量的堿液濃度在26%~30%,γ=1.28g/cm3左右,氫分離器的上部、下部取壓點之間的距離(h2-h(huán)1)為780 mm,所以氫分離器的負遷移量Pg=γ(h2-h(huán)1)=1.28×780=998 mm水柱。
  所以選用型號為1151DP4E22B2D2M1Fa遷移為-9.8~0 kPa的差壓變送器,其測量范圍是0~(635~3 810)mm水柱,當h=0時變送器輸出為4 mA,當h為高液位時變送器輸出為20 mA。
  在設(shè)計使用變送器時,變送器的正或負遷移量不允許超過所規(guī)定的大量程的100%,否則精度較差,上述所選用變送器負遷移符合要求,不會對精度有太大影響。

2.2 氧分離器液位測量
  氧分離器是密閉容器,且壓力取樣點與氫分離器相同,容器的高度相同,堿液濃度相同,見圖3。用同樣方法可以測量氧側(cè)變送器差壓ΔP=γh′-Pg,式中h′為氧分離器液位高度,所選用的變送器遷移為9.8~0 kPa。


3  氫、氧液位PLC控制的過程框圖及元件選擇

    氫、氧液位PLC控制框圖如圖4.氫、氧變送器分別將它們輸出的4~20 mA液位信號經(jīng)過輸入**柵至PLC的模擬量輸入板;對氫、氧液位信號進行電平轉(zhuǎn)換、濾波、采樣、12位逐級比較式A/D轉(zhuǎn)換、內(nèi)存鎖定、光電隔離后進入CPU;在CPU控制下按照PID算法進行運算,再經(jīng)過模擬量輸出板光電耦合、D/A轉(zhuǎn)換、電壓或電流放大〔1〕,輸出4~20 mA電流信號給輸出**柵;經(jīng)過輸出**柵將信號送給電氣轉(zhuǎn)換器,調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣信號的大小來調(diào)節(jié)氫側(cè)調(diào)節(jié)閥的開度,從而達到液位控制的目的。


  由于生產(chǎn)H2現(xiàn)場和周圍環(huán)境可能有易燃易爆的H2,所有氫液位控制系統(tǒng)所選用儀表應(yīng)既滿足測量要求又滿足防爆**要求。選用變送器、電氣轉(zhuǎn)換器時既要考慮測量介質(zhì),又要考慮符合防爆要求。變送器用于連續(xù)測量導(dǎo)電的堿液液位,選用1151DP4E22B2D2M1Fa型,防爆標志為ExiaⅡCT5;采用輸入、**柵主要是對模擬量輸入、輸出模板(**場所)的高能量進行限制和隔離,使其不致竄入氫、氧變送器(危險場所),使處于**場所的儀表的非**火花到不了危險場所,輸入、輸出**柵分別為ISB-2006型、ISB-4006型,本質(zhì)**型(ia)ⅡCT5;為了保證控制系統(tǒng)的**運行和減少可能的干擾信號,模擬量輸入、輸出模板均選用了光電隔離的模板,使輸入、輸出信號與主機之間隔離,各輸入、輸出通道彼此隔離;電氣轉(zhuǎn)換器選用常熟市儀表廠生產(chǎn)的QZD-1000型,防爆標志為HⅢe,將4~20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成氣氣信號0.02-0.1MPa;采用Mark708進口調(diào)節(jié)閥,流量系數(shù)Cv為0.05,閥桿為316不銹鋼材質(zhì),隔膜式氣開式調(diào)節(jié)閥,即控制閥接受的是氣壓信號,當膜頭輸入壓力增大,控制閥開度也增大。該調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)可靠、耐磨損。

4 PLC對氫、氧液位的運算

  PLC選用GE公司9030系列產(chǎn)品,CPU為80K字節(jié),轉(zhuǎn)換精度為12位,液位運算調(diào)用了PID算法,每次掃描時調(diào)用PID模塊,用于液位閉環(huán)回路過程控制,該模塊對比過程變量反饋和期望過程設(shè)置并以誤差為準進行控制變量輸出更新。PID采用位控式PID算法,PID輸出:
  u(n)=Kce(n)+KiΣe(i)+Kd〔e(n)-e(n-1)〕式中 Kc為比例放大倍數(shù);Ki為積分系數(shù),Ki=KcTs/Ti,Ti為積分時間;Kd為微分系數(shù),Kd=KcTd/Ts,Ts為采樣周期,Td為微分時間〔2〕。
  液位調(diào)節(jié)采用的比例積分調(diào)節(jié),所以u(n)=Kce(n)+KiΣe(i),采樣周期Ts為20 ms,積分時間為常數(shù),改變積分系數(shù)Ki,比例放大倍數(shù)Kc就可以改變輸出u(n)的大小,調(diào)試時就是調(diào)節(jié)積分系數(shù)Ki,比例放大倍數(shù)Kc使氫、氧分離器差壓小,液位平衡,達到液位控制目的。液位的調(diào)節(jié)過程實際上是PLC以氧液位為給定值,氫液位為測量值,氫、氧液位進行比較(ΔP-ΔP′),以它們的偏差作為PID的給定輸入信號,經(jīng)過PID運算后的輸出 控制調(diào)節(jié)閥動作。ΔP-ΔP′>0即氫液位高于氧液位時,根據(jù)PID輸出量的大小關(guān)閉調(diào)節(jié)閥;ΔP-ΔP′<0即氫液位低于氧液位時,根據(jù)PID輸出量的大小打開調(diào)節(jié)閥。這樣根據(jù)系統(tǒng)運行情況不斷改變PID的給定值,以實現(xiàn)優(yōu)控制的目的。

5 結(jié)束語 
 
  采用1151差壓變送器及GE9030系列PLC,輸入、輸出**柵電氣轉(zhuǎn)換器、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥組成的硬件,和PLC自帶PID模塊控制液位,具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和通用性。該種控制方式的設(shè)備已有多套在現(xiàn)場投運。

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