中壓水電解制氫裝置的液位控制
摘 要 介紹中壓水電解制氫裝置的液位測(cè)量，由分離器選擇變送器的遷移，測(cè)量信號(hào)到PLC的控制通道，PLC是怎樣對(duì)采集到的液位信號(hào)進(jìn)行運(yùn)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(jìn)入氫、氧分離器，在氫、氧分離器內(nèi)H2，O2與NaOH堿液進(jìn)行分離，分離后的堿液通過分離器底部的連通管匯合進(jìn)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(shí)可能引起設(shè)備的爆炸，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(jìn)入另一個(gè)分離器（氫、氧分離器底部連通）見圖1。為此系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制氫、氧分離器的液位使其基本平衡，在系統(tǒng)安全上起著非常重要的作用。 1 引 言
2 氫、氧分離器的液位測(cè)量
2．1 氫分離器液位測(cè)量
因?yàn)闅浞蛛x器是密閉容器，所以變送器測(cè)量的液體壓力除了隨液位度變化外，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(diǎn)的壓力進(jìn)行比較，才能測(cè)出液位的度。所以，測(cè)量密閉容器的液位，必須用差壓變送器。因?yàn)樨?fù)壓室有液體進(jìn)去，形成液柱壓力，就會(huì)產(chǎn)生假信號(hào)影響測(cè)量的度，因此在負(fù)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(diǎn)相連，液面底部與液面上的壓差為ΔP，則容器內(nèi)液位度h為：
這樣，液位測(cè)量就變成差壓測(cè)量。氫分離器液位測(cè)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(diǎn)相通，差壓變送器的負(fù)壓室（以“－"表示）與氫分離器上部取壓點(diǎn)相通，則可以測(cè)量氫分離器的液位。
正壓室所受壓力為：P1＝γ（h1＋h）＋Pi
負(fù)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(cè)壓點(diǎn)到變送器的度；h2為氫分離器上部測(cè)壓點(diǎn)到變送器的度；Pg為固定壓差Pg＝γ（h2－h(huán)1）?！ ?BR> 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(shí)改變差壓變送器的上、下限，使壓差不變（測(cè)量范圍不變），對(duì)變送器進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為Pg＝γ（h2－h(huán)1）。這樣壓差直接和液位相對(duì)應(yīng)，加上負(fù)遷移，變送器可以正接，輸出特性的斜率不變，僅僅平移一個(gè)負(fù)遷移量。
因?yàn)闇y(cè)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(diǎn)之間的距離（h2－h(huán)1）為780 mm，所以氫分離器的負(fù)遷移量Pg＝γ（h2－h(huán)1）＝1．28×780＝998 mm水柱。
所以選用型號(hào)為1151DP4E22B2D2M1Fa遷移為－9．8～0 kPa的差壓變送器，其測(cè)量范圍是0～（635～3 810）mm水柱，當(dāng)h＝0時(shí)變送器輸出為4 mA，當(dāng)h為Z液位時(shí)變送器輸出為20 mA。
在設(shè)計(jì)使用變送器時(shí)，變送器的正或負(fù)遷移量不允許超過所規(guī)定的Z大量程的100％，否則度較差，上述所選用變送器負(fù)遷移符合要求，不會(huì)對(duì)度有太大影響。
2．2 氧分離器液位測(cè)量
氧分離器是密閉容器，且壓力取樣點(diǎn)與氫分離器相同，容器的度相同，堿液濃度相同，見圖3。用同樣方法可以測(cè)量氧側(cè)變送器差壓ΔP＝γh′－Pg，式中h′為氧分離器液位度，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(hào)經(jīng)過輸入安全柵至PLC的模擬量輸入板；對(duì)氫、氧液位信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、濾波、采樣、12位逐級(jí)比較式A／D轉(zhuǎn)換、內(nèi)存鎖定、光電隔離后進(jìn)入 CPU；在CPU控制下按照PID算法進(jìn)行運(yùn)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(hào)給輸出安全柵；經(jīng)過輸出安全柵將信號(hào)送給電氣轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)氫側(cè)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到液位控制的目的。
由于供應(yīng)H2現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量要求又滿足防爆安全要求。選用變送器、電氣轉(zhuǎn)換器時(shí)既要考慮測(cè)量介質(zhì)，又要考慮符合防爆要求。變送器用于連續(xù)測(cè)量導(dǎo)電的堿液液位，選用1151DP4E22B2D2M1Fa型，防爆標(biāo)志為ExiaⅡ CT5；采用輸入、安全柵主要是對(duì)模擬量輸入、輸出模板（安全場(chǎng)所）的能量進(jìn)行限制和隔離，使其不致竄入氫、氧變送器（危險(xiǎn)場(chǎng)所），使處于安全場(chǎng)所的儀表的非安全火花到不了危險(xiǎn)場(chǎng)所，輸入、輸出安全柵分別為ISB－2006型、ISB－4006型，本質(zhì)安全型（ia）ⅡCT5；為了保證控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行和減少可能的干擾信號(hào)，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(hào)與主機(jī)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供應(yīng)的QZD－1000型，防爆標(biāo)志為HⅢe，將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣氣信號(hào)0.02-0.1MPa；采用Mark708進(jìn)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(hào)，當(dāng)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)、耐磨損。 4 PLC對(duì)氫、氧液位的運(yùn)算
PLC選用GE公司9030系列產(chǎn)品，CPU為80K字節(jié)，轉(zhuǎn)換度為12位，液位運(yùn)算調(diào)用了PID算法，每次掃描時(shí)調(diào)用PID模塊，用于液位閉環(huán)回路過程控制，該模塊對(duì)比過程變量反饋和期望過程設(shè)置并以誤差為準(zhǔn)進(jìn)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(shí)間；Kd為微分系數(shù)，Kd＝KcTd／Ts，Ts為采樣周期，Td為微分時(shí)間〔2〕。
液位調(diào)節(jié)采用的比例積分調(diào)節(jié)，所以u(píng)（n）＝Kce（n）＋KiΣe（i），采樣周期Ts為20 ms，積分時(shí)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(shí)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Z小，液位平衡，達(dá)到液位控制目的。液位的調(diào)節(jié)過程實(shí)際上是PLC以氧液位為給定值，氫液位為測(cè)量值，氫、氧液位進(jìn)行比較（ΔP－ΔP ′），以它們的偏差作為PID的給定輸入信號(hào)，經(jīng)過PID運(yùn)算后的輸出控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。ΔP－ΔP′＞0即氫液位于氧液位時(shí)，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(shí)，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(yùn)行情況不斷改變PID的給定值，以實(shí)現(xiàn)Z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、輸出安全柵電氣轉(zhuǎn)換器、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥組成的硬件，和PLC自帶PID模塊控制液位，有很的性、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(chǎng)投運(yùn)。
