制氫加氫一體化站自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

隨著環(huán)保要求的日益提高，各國(guó)越來(lái)越重視發(fā)展新能源汽車。自“十二五”確定七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以來(lái)

，國(guó)家密集出臺(tái)了多項(xiàng)新能源汽車鼓勵(lì)政策。相較于目前已形成規(guī)模的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池汽車的發(fā)展還處于開(kāi)始階段。氫燃料電池汽車與燃油車相比，有零排放、高效率等優(yōu)勢(shì)；與電動(dòng)汽車相比，有能量密度大、加注燃料時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。截至2020年12月底，國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)營(yíng)的加氫站約101座。作為氫燃料電池汽車的配套設(shè)施，加氫站的設(shè)置與運(yùn)營(yíng)影響著氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。制氫加氫一體化站相較于單一作用的加氫站，可減少高壓氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本，也能避免上游氫源短缺時(shí)站內(nèi)無(wú)氫可加的情況出現(xiàn)。

為滿足制氫加氫一體化站連續(xù)生產(chǎn)、銷售的工作需求，本文提出了一套自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

。此外，分析制氫、加氫裝置中較為重要的控制、聯(lián)鎖方案。

2 工藝流程

2.1 工程概況

某制氫加氫一體化站設(shè)置了一套天然氣重整制氫系統(tǒng)

，制氫規(guī)模1 000 kg/d。35 MPa加氫設(shè)備兩套，并預(yù)留70 MPa加氫能力。站內(nèi)所需原料天然氣引自本站旁天然氣調(diào)壓站。主要工藝裝置包括天然氣重整制氫設(shè)備、天然氣變壓吸附設(shè)備、儲(chǔ)氫設(shè)備、氫氣壓縮機(jī)及加氫機(jī)等。

2.2 工藝流程[5]

工藝流程見(jiàn)圖1。

原料天然氣通過(guò)轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱到280 ℃進(jìn)入脫硫槽，脫硫槽內(nèi)的氧化錳及氧化鋅脫硫劑將天然氣硫質(zhì)量濃度降至0.02 mg/m

之下，以滿足后續(xù)反應(yīng)要求。脫硫后的天然氣與飽和蒸汽混合，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱盤管進(jìn)一步加熱到550 ℃，在轉(zhuǎn)化爐輻射段發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)。轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：

3.3.3 鄉(xiāng)土植物的挖掘應(yīng)用 挖掘并應(yīng)用鄉(xiāng)土植物，利于提高植物栽植的成活率，減少后期養(yǎng)護(hù)所需的碳排放。除此之外，鄉(xiāng)土植物的挖掘利用，其施工運(yùn)輸成本低，碳排放較少。

(1)

建立物流信息系統(tǒng)主要在兩個(gè)層面中，一是對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)基本模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)送過(guò)程中，提高訂單的生成效率，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)訂單的生成、傳遞和接受。更重要的是對(duì)系統(tǒng)支持模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)地圖及倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)，使其有效的分布與結(jié)合，由此組成物流信息系統(tǒng)的基本架構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)基本模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)支持模塊設(shè)計(jì)相互支持，使得物流信息系統(tǒng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，提高物流信息系統(tǒng)處理訂單的速度，使其更穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)

轉(zhuǎn)化后產(chǎn)品氣溫度約為800 ℃，進(jìn)入廢熱鍋爐及換熱器，給鍋爐用脫鹽水預(yù)熱，產(chǎn)品氣降溫至330 ℃后進(jìn)入中變爐，發(fā)生如下變換反應(yīng)：

(3)

變換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，變換后產(chǎn)品氣再次進(jìn)入廢熱鍋爐及換熱器，與鍋爐用脫鹽水換熱進(jìn)行降溫。產(chǎn)品氣降溫至50 ℃后進(jìn)入中變氣冷卻分離器，分離出來(lái)的冷凝液可接入脫鹽水系統(tǒng)或通過(guò)地溝排放。隨后產(chǎn)品氣進(jìn)入PSA變壓吸附裝置。本站采用5-1-3/P模式PSA變壓吸附

。經(jīng)過(guò)PSA變壓吸附后的氫氣純度及雜質(zhì)含量滿足燃料電池汽車用燃料標(biāo)準(zhǔn)。吸附塔再生過(guò)程中產(chǎn)生主要組分為甲烷、氫氣、一氧化碳及二氧化碳的解析氣，用作轉(zhuǎn)化爐的燃料，既可以解決再生尾氣排放問(wèn)題，又能節(jié)約燃料天然氣的消耗。

（1）試驗(yàn)用鋼板 試驗(yàn)采用板厚32mm和50mm的Q500qE鋼板進(jìn)行，采用熱機(jī)械軋制（TMCP）+回火（T）工藝軋制，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示，均符合《商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋鋼板供貨技術(shù)條件》要求。鋼板采用超聲波檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，符合《厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法》GB/T 2970 —2004 II級(jí)要求。

⑥ 高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組控制

3 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自控系統(tǒng)組成

該站自控系統(tǒng)主要由PLC(可編程邏輯控制器)系統(tǒng)、SIS(安全儀表系統(tǒng))、GDS(氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng))及上位機(jī)組成

，自控系統(tǒng)邏輯圖見(jiàn)圖2。其中PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)站內(nèi)正常生產(chǎn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制閥、壓縮機(jī)PLC、加氫機(jī)PLC等信號(hào)的采集、控制功能的實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)及加氫機(jī)PLC自帶RS485通信接口，采用MODBUS-RTU協(xié)議與本站PLC系統(tǒng)進(jìn)行通信。當(dāng)站內(nèi)發(fā)生事故，PLC系統(tǒng)失效時(shí)，SIS自動(dòng)介入，將緊急切斷閥聯(lián)鎖置于故障安全位置，對(duì)壓縮機(jī)及加氫機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖停車，降低事故發(fā)生的可能性。GDS對(duì)全站范圍內(nèi)氫氣泄漏情況進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)站內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，將報(bào)警信號(hào)傳輸至PLC系統(tǒng)，站內(nèi)觸發(fā)聲光警報(bào)。如氫氣泄漏嚴(yán)重，則將報(bào)警信號(hào)傳輸至SIS，聯(lián)鎖全站設(shè)備停車。上述信號(hào)均通過(guò)儀表電纜進(jìn)行傳輸。

⑤ 中變氣冷卻分離器液位控制及聯(lián)鎖

天氣實(shí)況分析資料來(lái)自常規(guī)氣象觀測(cè)資料和NCEP/FNL 1°×1°再分析資料。其中常規(guī)觀測(cè)資料為地面逐3 h資料,高空逐12 h資料;航空氣象自動(dòng)觀測(cè)資料(以下稱為AWOS)為逐1 min觀測(cè)資料,包括風(fēng)場(chǎng)、氣壓、氣溫、降水量等氣象要素;形勢(shì)場(chǎng)分析和中尺度模式WRF模擬資料均采用NCE/FNL 1°×1°逐6 h再分析資料。

3.2 主要控制及聯(lián)鎖方案

① 原料天然氣及飽和蒸汽定比例調(diào)節(jié)

原料天然氣需與飽和蒸汽混合后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)。由于高水碳比可以提高天然氣中甲烷的轉(zhuǎn)化率，抑制轉(zhuǎn)化時(shí)的析碳副反應(yīng)

，故將飽和蒸汽與天然氣按照水碳比(物質(zhì)的量比)為3.5∶1進(jìn)行混合。為滿足設(shè)定的水碳比，系統(tǒng)選用雙閉環(huán)流量比值控制。在原料天然氣管道上設(shè)置1臺(tái)渦街流量計(jì)FT-01，在飽和蒸汽管道上設(shè)置1臺(tái)孔板流量計(jì)FT-02，并在2條管道上分別設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥FV-01、FV-02。將天然氣流量定為主物料流量，飽和蒸汽流量定為從物料流量。當(dāng)流量計(jì)FT-01檢測(cè)到主物料流量或流量計(jì)FT-02檢測(cè)到從物料流量有波動(dòng)時(shí)，通過(guò)改變流量調(diào)節(jié)閥FV-01或FV-02的開(kāi)度，對(duì)流量進(jìn)行定值控制，使物料流量始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近。當(dāng)主物料流量設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行比值控制，使從物料流量設(shè)定值也發(fā)生變化，從而使飽和蒸汽與天然氣的水碳比一直保持在3.5左右。流量比控制流程見(jiàn)圖3。

② 轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度聯(lián)鎖

④ 解析氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐壓力聯(lián)鎖

③ 燃料天然氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐壓力聯(lián)鎖

當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行股票運(yùn)作時(shí)，追求的是績(jī)優(yōu)股，當(dāng)我們?cè)谫?gòu)買房產(chǎn)時(shí)，追求的是未來(lái)的黃金地段，同樣，國(guó)有企業(yè)在進(jìn)行經(jīng)營(yíng)時(shí)所追求的就是績(jī)優(yōu)股、黃金地段，就是資產(chǎn)的良性發(fā)展。油田企業(yè)作為國(guó)有企業(yè)的一員，就是要維護(hù)國(guó)有資產(chǎn)安全，保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。從當(dāng)前企業(yè)審計(jì)的要求來(lái)看，質(zhì)量和責(zé)任是企業(yè)審計(jì)的基礎(chǔ)，績(jī)效是企業(yè)審計(jì)的方向和目標(biāo)，就是要發(fā)現(xiàn)企業(yè)是否成為了藍(lán)籌股，把投入產(chǎn)出比例如何作為國(guó)有資產(chǎn)的組成部分，油田企業(yè)的績(jī)效審計(jì)越來(lái)越被重視，它進(jìn)一步擴(kuò)展和深化了油田企業(yè)審計(jì)的內(nèi)涵。

中變氣冷卻分離器液位控制聯(lián)鎖流程見(jiàn)圖5。中變氣冷卻分離器設(shè)置1臺(tái)差壓液位變送器LT-01及1臺(tái)音叉液位開(kāi)關(guān)LS-02，在中變氣冷卻分離器液相口管路設(shè)置1臺(tái)液位調(diào)節(jié)閥LV-01及1臺(tái)切斷閥HV-04。通過(guò)檢測(cè)中變氣冷卻分離器液位來(lái)調(diào)節(jié)LV-01開(kāi)度。當(dāng)LV-01發(fā)生故障，調(diào)節(jié)功能失靈導(dǎo)致液位下降，LT-01及LS-02都達(dá)到低液位聯(lián)鎖值50 mm時(shí)，聯(lián)鎖切斷HV-04，防止冷凝液直排時(shí)，混有變換后產(chǎn)品氣的液體直接排入地溝，造成可燃?xì)怏w泄漏引發(fā)火災(zāi)。

轉(zhuǎn)化爐溫度聯(lián)鎖控制流程見(jiàn)圖4。轉(zhuǎn)化爐爐膛設(shè)置3臺(tái)溫度變送器

，采用B型鎧裝熱電偶，測(cè)量范圍為0～1 800 ℃。在原料天然氣管道上設(shè)置切斷閥HV-01，在燃料天然氣管道上設(shè)置切斷閥HV-02，在解析氣管道上設(shè)置切斷閥HV-03。如爐管積灰結(jié)焦或轉(zhuǎn)化爐發(fā)生偏燒時(shí)，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度升高。為兼顧系統(tǒng)安全性及可用性，當(dāng)3臺(tái)熱電偶中有2臺(tái)達(dá)到高溫聯(lián)鎖值1 150 ℃時(shí)，聯(lián)鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯(lián)鎖空氣鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)，防止?fàn)t管超溫?fù)p壞。

壓力聯(lián)鎖控制流程見(jiàn)圖4。在解析氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐管道上設(shè)置1臺(tái)壓力變送器PT-02。如PSA變壓吸附裝置發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致解析氣壓力升高。當(dāng)PT-02達(dá)到高壓聯(lián)鎖值0.05 MPa時(shí)，聯(lián)鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯(lián)鎖空氣鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)，防止引發(fā)爐內(nèi)閃爆。

PLC系統(tǒng)、SIS、GDS及上位機(jī)等設(shè)備通過(guò)屏蔽雙絞線接入站內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交流。站內(nèi)自控系統(tǒng)預(yù)留與燃?xì)饪偣颈O(jiān)控中心的通信接口，可通過(guò)4G或5G網(wǎng)絡(luò)將站內(nèi)信息上傳，從而實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該機(jī)組汽封2010年進(jìn)行了1次改造，高中壓缸葉頂汽封改造為可退讓式汽封；高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過(guò)橋)汽封改造為鐵素體刀齒蜂窩汽封和鐵素體接觸式蜂窩汽封。2016年機(jī)組揭缸檢查發(fā)現(xiàn)汽封已磨損嚴(yán)重，調(diào)節(jié)余量難以滿足要求，為適應(yīng)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步、提升機(jī)組性能，本次A修決定將高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過(guò)橋)汽封、高中壓缸葉頂汽封全部進(jìn)行了更換。經(jīng)招標(biāo)，選用汽封結(jié)構(gòu)形式為鐵素體汽封和鐵素體接觸式汽封。

壓力聯(lián)鎖控制流程見(jiàn)圖4。在燃料天然氣(簡(jiǎn)稱燃料氣)進(jìn)轉(zhuǎn)化爐管道上設(shè)置1臺(tái)壓力變送器PT-01。當(dāng)燃料氣供應(yīng)不足導(dǎo)致氣體壓力下降，PT-01達(dá)到低壓聯(lián)鎖值0.03 MPa時(shí)，聯(lián)鎖切斷HV-01、HV-02、HV-03，并聯(lián)鎖空氣鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)，防止轉(zhuǎn)化爐火焰熄滅，引發(fā)回火。

將2.0 MPa氫氣送至加氫裝置。首先通過(guò)儲(chǔ)氫壓縮機(jī)將氫氣壓力升至20 MPa，并充入低壓儲(chǔ)氫瓶組中。再通過(guò)加氫壓縮機(jī)將氫氣進(jìn)一步升壓至45 MPa，并分別充入高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組。加氫機(jī)根據(jù)燃料電池汽車內(nèi)儲(chǔ)氣瓶壓力情況選擇合適壓力的儲(chǔ)氫瓶組進(jìn)行供氣。站內(nèi)設(shè)置氫氣充裝卸氣柜一套。當(dāng)站內(nèi)生產(chǎn)氫氣大于加氫需求時(shí)，可通過(guò)氫氣長(zhǎng)管拖車將多余氫氣運(yùn)走。當(dāng)站內(nèi)氫氣不能滿足加氫需求時(shí)，可用外來(lái)氫氣補(bǔ)充。

在保證氫氣充裝速度的同時(shí)，為提升氫氣使用效率，該站設(shè)置高、中、低壓3種儲(chǔ)氫瓶組。3種儲(chǔ)氫瓶組充滿時(shí)的壓力均為45 MPa，給汽車充裝后剩余瓶?jī)?nèi)氫氣壓力不同。高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組的容積比為4∶3∶2

。目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車的氫氣瓶工作壓力一般為35 MPa。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶組均為充滿時(shí)，給氫燃料電池汽車加氫，首先使用低壓瓶組進(jìn)行充氣。當(dāng)?shù)蛪浩拷M內(nèi)壓力降為35 MPa時(shí)，切換至中壓瓶組進(jìn)行充氣。當(dāng)中壓瓶組內(nèi)壓力也降為35 MPa時(shí)，切換至高壓瓶組進(jìn)行充氣。通過(guò)程序控制瓶組出口閥門的自動(dòng)切換，保證加氫時(shí)低壓瓶組與中壓瓶組、中壓瓶組與高壓瓶組之間壓力差為5～10 MPa。當(dāng)?shù)蛪浩拷M壓力約為16 MPa、中壓瓶組壓力約為26 MPa、高壓瓶組壓力約為36 MPa時(shí)，再次啟動(dòng)壓縮機(jī)將3種瓶組充滿氫氣。

橡木桶貯藏后樣品感官得分為 97.68±2.35，4 ℃玻璃瓶密封保存酒樣感官得分為 79.84±1.98。貯藏工藝能夠明顯提高獼猴桃果酒樣品的感官，有助于加速產(chǎn)品成熟。橡木桶貯藏工藝對(duì)獼猴桃果酒感官的影響還需進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)照研究。

1.2 云母片插入背光側(cè)的尖端下部一半位置 用云母片插入背光側(cè)的尖端下部一半位置后，誤認(rèn)為幼苗會(huì)背光生長(zhǎng)。而事實(shí)是： 幼苗直立生長(zhǎng)(圖1)。

⑦ 制氫裝置與加氫裝置之間聯(lián)鎖關(guān)系

當(dāng)制氫裝置停車時(shí)，聯(lián)鎖切斷從制氫裝置至加氫裝置的氫氣管道上的緊急切斷閥。加氫可使用儲(chǔ)氫瓶組內(nèi)氫氣繼續(xù)加注。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶組內(nèi)壓力不足且制氫裝置仍不滿足開(kāi)車條件時(shí)，加氫裝置停車。

當(dāng)加氫裝置出現(xiàn)故障停車時(shí)，根據(jù)恢復(fù)時(shí)間對(duì)制氫裝置生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。如加氫裝置故障可短時(shí)間修復(fù)，可將制氫裝置轉(zhuǎn)化爐調(diào)為低負(fù)荷工作模式，減少氫氣產(chǎn)量，并將產(chǎn)生的氫氣充入站內(nèi)儲(chǔ)氫瓶組。如判斷加氫裝置短時(shí)間無(wú)法恢復(fù)工作，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)化爐停爐程序，并將除儲(chǔ)氫瓶組外工藝管道及設(shè)備內(nèi)氫氣放空，以保障設(shè)備及人員安全。

⑧ 全站緊急停車

當(dāng)站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、氫氣泄漏體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限的25%(即氫氣體積分?jǐn)?shù)為1%)或其他重大安全事故時(shí)，觸發(fā)SIS，緊急停車功能發(fā)揮作用。站內(nèi)設(shè)置的聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，將各系統(tǒng)緊急切斷閥聯(lián)鎖置于故障安全位置，將緊急停車信號(hào)分別傳輸至加氫機(jī)、壓縮機(jī)等控制器，聯(lián)鎖停機(jī)。

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