水电解制氢设备控制系统升级实例分析

张殿朝，许德洪，张志强，赵传健

(1. 天津工业大学 天津300387；2. 中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

水电解制氢设备控制系统升级实例分析

张殿朝1,2，许德洪2，张志强2，赵传健2

(1. 天津工业大学 天津300387；2. 中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

通过对FDQ-100型水电解制氢设备控制系统进行升级改造，将原有气动控制升级为PLC软件控制，配备上位机显示及远程控制，可同时显示系统运行情况、报警点位，并绘制系统运行压力、温度、氢氧侧液位等曲线。在增加安全连锁保护的同时，大大提高了调解指令控制精度与故障排除效率，消除了因原控制系统老化带来的液位波动安全隐患，提升了制氢系统的运行稳定性。同时，控制系统优良的扩展性能为进一步提高制氢站的安全运行奠定了基础。

水电解 氢 控制系统 PLC

水电解制氢是制备高纯氢的常用方法，其制氢纯度可达99.8%,以上，可直接用于一般场合，还可以通过纯化(将纯度提高到99.999%,)和干燥(将露点提高到-69～-90,℃)的后续加工，广泛应用于各行各业。由于氢气属危险化学品，不断提高制氢系统安全运行能力是制氢企业的重中之重。

某厂FDQ-100型水电解制氢设备可实现100,m3/h产氢能力，但由于其运行年限较长，原有控制系统设备、仪表等老化较为严重，差压变送器信号采集及气动动作指令误差较大，造成氢氧侧液位波动，且由于控制系统部件逐渐被市场淘汰，维修难度不断增大，给安全生产带来严重隐患。为提高安全生产能力，决定对控制系统进行升级改造。

1 控制系统整体升级思路

本次控制系统升级，拟将原有以分立元件气动控制为主的系统升级为PLC控制，增加操作触摸屏及上位机显示，提高控制精度，完善报警连锁保护，同时预留端口为日后储罐区增加报警保护。

2 控制系统升级所需材料及步骤

2.1 控制系统升级所需相关设备仪表(见表1)

2.2 控制系统升级步骤

2.2.1 制氢设备停车

对电解槽进行退碱，置换氮气。由于升级改造在冬季开展，为保证电解槽温度，对电解间采取临时供暖，保证室内温度不低于6,℃。

表1 控制系统升级所需相关设备仪表Tab.1 Related equipment and instruments required for control system upgrade

2.2.2 拆除原控制系统

将原控制系统控制柜、整流柜、配电柜以及框架部分的差压变送器、热电阻温度变送器、气动薄膜调节阀、空压减压器等拆除。

2.2.3 安装PLC控制系统

根据安全进度，逐步对整流柜、控制柜、配电柜进行安装，之后对框架部位仪表设备进行安装。

2.2.4 制氢系统保压试验

分别对制氢系统水路、气路进行打压试验，排查跑冒滴漏现象，同时检验各点位仪表是否正常显示。

2.2.5 系统参数调解

由厂家根据经验数据及此前设备运行情况进行PID参数设定，对液位、压力、温度进行控制调解，同时设定各报警参数。

2.2.6 系统试运行

对电解槽进行置换，按照新拟定的操作规程进行开车试运行，同时，针对试运行中出现的各项问题进行排除，直至产气量及各项指标正常。

2.2.7 预设报警试验

根据此前设计，对报警连锁进行试验(见表2)。

表2 预设报警连锁表Tab.2 Default alarm linked list

3 实际使用情况分析及讨论

根据控制系统升级情况，制氢站及时修订了安全操作规程，并将该制氢系统重新投入试生产，在此期间，系统运行反馈情况如下：

由于增加了上位机显示，系统运行状态清晰，各仪器仪表反馈数据准确，同时能够准确反映报警部位，大大提高了隐患排除效率，见图1、2。

图1 系统运行状态图Fig.1 System operation state

图2 报警点位显示图Fig.2 Display of alarm points

系统能够不间断采集各点位数据并绘制制氢、槽温、槽压、液位等曲线图(见图3、4)，记录故障数据，对改进生产工艺、提高生产效率起到了积极作用。但由于系统本身未安装氢气流量计，系统无法采集氢气产量，未能与槽温、槽压等数据对比。可考虑后续加装氢气流量计等实现产气量采集。

图3 生产数据曲线图(电压、电流)Fig.3 Production data curve: voltage and current

安全连锁保护的升级，提高了系统运行的整体安全水平，由于各路报警信号主要集成至PLC，若PLC主机断电，数据记录及报警点位记录将无法采集，相关参数也无法设定，只能待再次通电后系统自行动作。为提高运行安全性，考虑为PLC控制系统增加UPS，用于控制系统动作及数据采集。

图4 生产数据曲线图(系统温度)Fig.4 Production data curve: system temperature

4 结 论

升级PLC系统后解决了原控制系统控制部分分立元件老化、参数采集误差大造成的氢氧侧液位波动等问题，系统控制精确、稳定，系统的集中显示、操作提高了职工安全生产效率，同时系统可扩展性强，为今后进一步完善制氢站安全管理奠定了基础。■

［1］ 陈士英. 水电解制氢设备工艺流程及常见故障排除[J]. 内蒙古科技与经济，2011(4)：93-94.

［2］ 吝子东，贺奇，陈晓东. PID调解在水电解制氢系统中的应用[J]. 舰船防化，2014(1)：33-37.

［3］ 马海勇. 水电解制氢控制系统的改造[J]. 河北化工，2000(3)：44-45.

A Case Study of Control System Upgrade for Water Electrolysis Hydrogen Production Equipment

ZHANG Dianchao1,2，XU Dehong2，ZHANG Zhiqiang2，ZHAO Chuanjian2
(1．Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2．China Electronics Technology Group Corporation No.46 Research Institute，Tianjin 300220，China)

Through the upgrade of a FDQ-100 type water electrolysis hydrogen production equipment control system，the original pneumatic control was transformed to PLC control and the system was equipped with PC display and control．At the same time，a security chain protection was added，which has greatly improved the accuracy of the mediation and efficiency of fault elimination．The excellent performance of the new control system provides a foundation for further improvement of the safe operation of hydrogen production stations.

water electrolysis；hydrogen；control system；PLC

TP29

A

1006-8945(2016)08-0059-03

2016-07-04