制氫站氫氣送出系統(tǒng)工藝及控制

陳德磊，郝 磊

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063210）

引言

國內(nèi)某沿海鋼廠制氫站有3套變壓吸附制氫裝置，其送出系統(tǒng)尤為關(guān)鍵：既要儲存氫氣，確保變壓吸附裝置出現(xiàn)故障時可以短時間提供氫氣；又要調(diào)節(jié)氫氣壓力，為用戶提供壓力穩(wěn)定的氫氣。一旦氫氣送出系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將直接影響用戶生產(chǎn)。為確保氫氣送出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對該制氫站送出系統(tǒng)存在的缺陷不足進(jìn)行分析并改進(jìn)，取得良好的效果。

1 氫氣送出系統(tǒng)概況

1.1 基本工藝

該制氫站送出系統(tǒng)包括3座氫氣球罐、5套氫氣調(diào)壓閥組、配套PLC 控制系統(tǒng)，附屬壓力/流量/溫度等檢測儀表，為一冷、二冷、三冷、罩退、彩涂等5 個用戶提供氫氣。見圖1。

圖1 改造前制氫送出系統(tǒng)

每套氫氣調(diào)壓閥組包括2 臺調(diào)節(jié)閥、閥后壓力檢測儀表、流量檢測儀表、流量壓力檢測儀表及流量溫度補(bǔ)正儀表。2 臺調(diào)節(jié)閥并聯(lián)運(yùn)行，與閥后壓力聯(lián)鎖，用于調(diào)節(jié)送出管道壓力。

1.2 控制系統(tǒng)

該制氫站共3 套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用西門子PLC 產(chǎn)品中S7-414H，搭配ET200M 分布式模塊組成了主體的自控系統(tǒng)。監(jiān)控軟件采用WINCC6.0，編程軟件采用STEP7 V5.4。配有工控機(jī)3臺，2臺操作員站，1 臺工程師站。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，該控制系統(tǒng)包括電源模塊、CPU 模塊、通訊模塊、接口模塊及IO 模塊，同時PLC 控制柜還配備安全柵、繼電器、直流電源等附屬設(shè)備。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)備包括變壓吸附系統(tǒng)、壓縮機(jī)、分析儀表、管網(wǎng)儀表、氫氣送出系統(tǒng)儀表及閥門等，因建設(shè)投產(chǎn)日期不同，送出系統(tǒng)分布在制氫一步、二步PLC控制系統(tǒng)中，具體分配如圖3所示。

圖3 改造前送出系統(tǒng)分配圖

2 系統(tǒng)存在缺陷及不足

該制氫站3套系統(tǒng)立項(xiàng)建設(shè)隨用戶及氫氣用量增加逐步實(shí)施，并非一次建成，造成系統(tǒng)存在以下缺陷及不足：

（1）變壓吸附裝置及氫氣球罐至氫氣送出調(diào)節(jié)閥為一根主管道，當(dāng)此主管道發(fā)生故障時，氫氣送出系統(tǒng)將整體停運(yùn)，影響該公司冷軋系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行。

（2）控制系統(tǒng)未統(tǒng)一規(guī)劃，送出系統(tǒng)設(shè)備分配到制氫一步及二步PLC 控制系統(tǒng)中。制氫一步及二步檢修時，送出系統(tǒng)設(shè)備并未停運(yùn)，控制系統(tǒng)無法檢修，不利于控制系統(tǒng)維護(hù)。

（3）送出系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥與閥后壓力聯(lián)鎖，根據(jù)閥后壓力自動調(diào)節(jié)，若閥后壓力變送器故障，調(diào)節(jié)閥將失調(diào)，直接影響用戶氫氣使用。

3 系統(tǒng)改進(jìn)及優(yōu)化

針對系統(tǒng)存在的缺陷及不足，該制氫站對送出系統(tǒng)主管道、控制系統(tǒng)及控制方法進(jìn)行改進(jìn)，具體措施如下。

3.1 送出系統(tǒng)主管道優(yōu)化

結(jié)合制氫三步工程建設(shè)，增加一路氫氣管道，連接3套變壓吸附裝置、氫氣球罐及送出管道，與原管道互為備用，當(dāng)一路管道出現(xiàn)故障時投入另一路管道。改造后系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改造后制氫送出系統(tǒng)

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

結(jié)合制氫三步工程建設(shè)，新增一套PLC 控制系統(tǒng)，用于整體氫氣送出系統(tǒng)監(jiān)控。新增PLC 控制系統(tǒng)為2 套西門子S7-300 系列PLC，用于分別控制送出系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥及氫氣球罐，具體分配結(jié)構(gòu)如圖5 所示。改造內(nèi)容如下。

圖5 改造后送出系統(tǒng)分配圖

（1）實(shí)施調(diào)節(jié)閥、氫氣球罐2 套PLC 分列控制。改造后氫氣送出系統(tǒng)1#調(diào)節(jié)閥、閥后壓力及流量、1#球罐、2#球罐由1#PLC 監(jiān)控，氫氣送出系統(tǒng)2#調(diào)節(jié)閥、補(bǔ)正壓力、3#球罐由2#PLC控制系統(tǒng)監(jiān)控。

（2）對供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，1#PLC控制系統(tǒng)由制氫一步UPS 供電，2#PLC 控制系統(tǒng)由制氫二步UPS供電。

（3）增加信號分配器，閥后壓力、補(bǔ)正壓力、氫氣流量、氫氣球罐壓力同時進(jìn)入2 套PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

3.3 控制方法改進(jìn)

制氫送出系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)閥后壓力進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，按設(shè)定值自動調(diào)節(jié)閥門開度，保證用戶壓力。為了保證可靠性，設(shè)計(jì)了閥后壓力和補(bǔ)正壓力，兩個壓力對閥門進(jìn)行控制，控制方式如下：

（1）當(dāng)閥后壓力故障，補(bǔ)正壓力正常時，選擇補(bǔ)正壓力參與控制；當(dāng)補(bǔ)正壓力故障，閥后壓力正常時，選擇閥后壓力參與控制。

（2）當(dāng)閥后壓力與補(bǔ)正壓力同時故障或者同時為零時，閥門開度強(qiáng)制關(guān)到零；為保障生產(chǎn)安全，生產(chǎn)人員需進(jìn)一步將閥門切換到手動模式，故障處理完成后，再投入自動。

（3）當(dāng)閥后壓力正常，且補(bǔ)正壓力正常時，進(jìn)行如下的選擇控制（具體邏輯如圖6所示）。

圖6 調(diào)節(jié)閥控制邏輯

如果閥后壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa時，判斷補(bǔ)正壓力是否在0.4～0.55 MPa 之間，如果是，則選擇補(bǔ)正壓力；如果補(bǔ)正壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa 時，判斷閥后壓力是否在0.4～0.55MPa 之間，如果是，則選擇閥后壓力；其余狀態(tài)時，選擇閥后壓力，并發(fā)出報(bào)警提醒運(yùn)行人員。

（4）為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，增加送出系統(tǒng)報(bào)警設(shè)定值，如表1。

表1 氫氣送出系統(tǒng)報(bào)警設(shè)定值 MPa

4 結(jié)語

對制氫送出系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，包括：增加備用氫氣主管道；新增2 套S7-300 系列PLC 控制系統(tǒng)；對調(diào)節(jié)閥控制方式進(jìn)行優(yōu)化；增加備用手段等。如此使得單套控制系統(tǒng)、單個儀表或者單個調(diào)節(jié)閥故障時，備用設(shè)備均能發(fā)揮作用，避免了氫氣壓力大范圍波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。特別是這個控制方式可適用于多套調(diào)節(jié)閥控制的氣體或者液體連續(xù)送出系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種思路，可供借鑒。

另一方面2 套S7-300 系列PLC 控制系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)還存在不足，安全柵及繼電器供電電源有改善空間，今后可結(jié)合檢修進(jìn)行改進(jìn)。