中压水电解制氢装置的液位控制

中压水电解制氢装置的液位控制
中压水电解制氢装置是通过电解KOH 水溶液产生H2 和O2，H2 和O2分别带着KOH 碱液进入氢、氧分离器，在氢、氧分离器内H2，O2 与KOH 碱液进行分离，分离后的碱液通过分离器底部的连通管汇合进入过滤器。从电解水的方程式2H2O＝2H2＋O2
可以看出，电解水产生的H2 量是O2 的2 倍，而且H2 和O2 发生混合时可能引起设备的爆炸，如果氢、氧分离器压差过大，就可能使H2 或O2 从压力大的分离器进入另一个分离器（氢、氧分离器底部连通）见图1。为此系统运行时控制氢、氧分离器的液位使其基本平衡，在系统安全上起着非常重要的作用。

1 氢、氧分离器的液位测量
1．1 氢分离器液位测量
因为氢分离器是密闭容器，所以变送器测量的液体压力除了随液位高度变化外，还受到容器内上部气体压力Pi 的作用，需要将容器上部引出的气体压力和下面取压点的压力进行比较，才能测出液位的高度。所以，测量密闭容器的液位，必须用差压变送器。因为负压室有液体进去，形成液柱压力，就会产生假信号影响测量的精度，因此在负压室灌满与氢分离器浓度相同的碱液即平衡液，碱液的密度为γ，正压室直接与氢分离器的底部取压点相连，液面底部与液面上的压差为ΔP，则容器内液位高度h 为：h＝ΔP／γ
这样，液位测量就变成差压测量。氢分离器液位测量如图2 所示，差压变送器的正压室（以“＋”表示）与氢分离器底部取压点相通，差压变送器的负压室（以“－”表示）与氢分离器上部取压点相通，则可以测量氢分离器的液位。
正压室所受压力为：P1＝γ（h1＋h）＋Pi
负压室所受压力为：P2＝γh2＋Pi
变送器承受压差为：

式中h1 为氢分离器下部液位测压点到变送器的高度；h2 为氢分离器上部测压点到变送器的高度；Pg 为固定压差Pg＝γ（h2－h1）。h1，h2 与液位变化无关，所以为了使变送器输出不受固定压差影响，必须把固定压差平衡，即同时改变差压变送器的上、下限，使压差不变（测量范围不变），对变送器进行负迁移，迁移量为Pg＝γ（h2－h1）。这样压差直接和液位相对应，
加上负迁移，变送器可以正接，输出特性的斜率不变，仅仅平移一个负迁移量。
因为测量的碱液浓度在26％～30％，γ＝1．28g／cm3 左右，氢分离器的上部、下部取压点之间的距离（h2－h1）为780 mm，所以氢分离器的负迁移量Pg＝γ（h2－h1）＝1．28×780＝998 mm 水柱。
所以选用型号为1151DP4E22B2D2M1Fa 迁移为－9．8～0 kPa 的差压变送器，其测量范围是0～（635～3 810）mm 水柱，当h＝0 时变送器输出为4 mA，当h为最高液位时变送器输出为20 mA。
在设计使用变送器时，变送器的正或负迁移量不允许超过所规定的最大量程的100％，否则精度较差，上述所选用变送器负迁移符合要求，不会对精度有太大影响。

1．2 氧分离器液位测量
氧分离器是密闭容器，且压力取样点与氢分离器相同，容器的高度相同，碱液浓度相同，见图3。用同样方法可以测量氧侧变送器差压ΔP＝γh′－Pg，式中h′为氧分离器液位高度，所选用的变送器迁移为9．8～0 kPa。

2 氢、氧液位PLC 控制的过程框图及元件选择
氢、氧液位PLC 控制框图如图4.氢、氧变送器分别将它们输出的4～20 mA液位信号经过输入安全栅至PLC 的模拟量输入板；对氢、氧液位信号进行电平转换、滤波、采样、12 位逐级比较式A／D 转换、内存锁定、光电隔离后进入CPU；在CPU 控制下按照PID 算法进行运算，再经过模拟量输出板光电耦合、D／A 转换、电压或电流放大〔1〕，输出4～20 mA 电流信号给输出安全栅；经过输出安全栅将信号送给电气转换器，调节阀根据气信号的大小来调节氢侧调节阀的开度，从而达到液位控制的目的。

由于生产H2 现场和周围环境可能有易燃易爆的H2，所有氢液位控制系统所选用仪表应既满足测量要求又满足防爆安全要求。选用变送器、电气转换器时既要考虑测量介质，又要考虑符合防爆要求。变送器用于连续测量导电的碱液液位，选用1151DP4E22B2D2M1Fa 型，防爆标志为ExiaⅡCT5；采用输入、安全栅主要是对模拟量输入、输出模板（安全场所）的高能量进行限制和隔离，使其不致窜入氢、氧变送器（危险场所），使处于安全场所的仪表的非安全火花到不了危险场所，输入、输出安全栅分别为ISB－2006 型、ISB－4006 型，本质安全型（ia）ⅡCT5；为了保证控制系统的安全运行和减少可能的干扰信号，模拟量输入、输出模板均选用了光电隔离的模板，使输入、输出信号与主机之间隔离，各输入、输出通道彼此隔离；电气转换器选用常熟市仪表厂生产的QZD－1000 型，防爆标志为HⅢe，将4～20 mA 电流信号转换成气气信号0.02-0.1MPa；采用进口调节阀，流量系数Cv 为0.05，阀杆为316 不锈钢材质，隔膜式气开式调节阀，即控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大。该调节阀调节可靠、耐磨损。
3 PLC 对氢、氧液位的运算
PLC 选用CPU 为80K 字节，转换精度为12 位，液位运算调用了PID 算法，每次扫描时调用PID 模块，用于液位闭环回路过程控制，该模块对比过程变量反馈和期望过程设置并以误差为准进行控制变量输出更新。
PID 采用位控式PID 算法，PID 输出：
u（n）＝Kce（n）＋KiΣe（i）＋Kd〔e（n）－e（n－1）〕式中Kc 为比例放大倍数；Ki 为积分系数，Ki＝KcTs／Ti，Ti 为积分时间；Kd 为微分系数，Kd＝KcTd／Ts，Ts 为采样周期，Td 为微分时间〔2〕。液位调节采用的比例积分调节，所以u（n）＝Kce（n）＋KiΣe（i），采样周期Ts 为20 ms，积分时间为常数，改变积分系数Ki，比例放大倍数Kc 就可以改变输出u（n）的大小，调试时就是调节积分系数Ki，比例放大倍数Kc 使氢、氧分离器差压最小，液位平衡，达到液位控制目的。液位的调节过程实际上是PLC以氧液位为给定值，氢液位为测量值，氢、氧液位进行比较（ΔP－ΔP′），以它们的偏差作为PID 的给定输入信号，经过PID 运算后的输出控制调节阀动作。ΔP－ΔP′＞0 即氢液位高于氧液位时，根据PID 输出量的大小关闭调节阀；ΔP
－ΔP′＜0 即氢液位低于氧液位时，根据PID 输出量的大小打开调节阀。这样根据系统运行情况不断改变PID 的给定值，以实现最优控制的目的。