火力發(fā)電廠制氫站控制與安全

范 煒

（國(guó)能浙江寧海發(fā)電有限公司，浙江寧波 315609）

1 制氫原理

水電解制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法。在充滿電解液（氫氧化鉀）的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。

2 電解水制氫系統(tǒng)組成

2.1 補(bǔ)水系統(tǒng)

生水首先進(jìn)入除鹽水制備裝置內(nèi)，經(jīng)過超濾+二級(jí)反滲透處理后進(jìn)入堿液箱、配堿水箱和冷卻裝置水箱。進(jìn)入堿液箱、配堿水箱的水，配制成堿液，由配堿泵送進(jìn)氣液分離裝置，進(jìn)入堿液循環(huán)系統(tǒng)，從而為堿液循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充堿液；進(jìn)入除鹽水冷卻裝置水箱的水，在循環(huán)水泵出力下，流經(jīng)水-水換熱器后進(jìn)入氣液分離裝置、氫氣純化裝置中的多個(gè)冷卻器后，回到冷卻裝置水箱。

2.2 堿液循環(huán)系統(tǒng)

由電解槽出來的電解液有兩路：一路富含氫氣，另一路富含氧氣，它們分別進(jìn)入置于氣液分離裝置內(nèi)的氫分離器和氧分離器中，分離出氫氣和氧氣后，兩路堿液匯合，經(jīng)堿液過濾器過濾后，再經(jīng)過堿液冷卻器冷卻，進(jìn)入堿液循環(huán)泵，由泵加壓后回到電解槽內(nèi)，從而在制氫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)堿液循環(huán)。

2.3 電解槽

堿液循環(huán)系統(tǒng)的堿液進(jìn)入電解槽，水在直流電的作用下開始分解，在電解室的陰陽(yáng)極板上分別產(chǎn)生氫氣和氧氣，隨電解液一起從電解槽兩端流出進(jìn)入氣液分離裝置。

2.4 氣液分離裝置

氣液分離裝置內(nèi)分別設(shè)有氫分離洗滌器、氧分離器、氫氣冷卻器、氣水分離器、堿液循環(huán)泵等設(shè)備。含有氫氣和氧氣的電解液分別經(jīng)過氫、氧分離器，在重力作用下與電解堿液發(fā)生沉降分離，分離出的氧氣排放到室外，氫氣在分離裝置內(nèi)進(jìn)一步洗滌、冷卻、分離去除液滴，然后進(jìn)入氫氣純化裝置。

2.5 氫氣純化裝置

在氫氣純化裝置中，催化劑催化與氫氣中殘留的氧氣發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過冷卻、吸附、分離后，得到純度為99.999%的高純氫氣。

2.6 氫氣儲(chǔ)存設(shè)備

高純氫氣經(jīng)氫氣匯流排架平衡壓力后分配至各氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。

2.7 供氫系統(tǒng)

目前主要有3種儲(chǔ)氫外運(yùn)方式，氫氣鋼瓶組架、長(zhǎng)管拖車和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置。因固態(tài)儲(chǔ)氫裝置在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)階段，因此，一般考慮以氫瓶組和長(zhǎng)管拖車作為主要的運(yùn)輸方式。

供氫系統(tǒng)的主要工藝流程如下：

氫儲(chǔ)罐→氫氣匯流排→氫氣緩沖罐→氫氣壓縮機(jī)→充氫匯流排（或充裝裝置）→氫瓶組（或長(zhǎng)管拖車）。

2.8 輔助系統(tǒng)

制氫輔助系統(tǒng)主要包括：除鹽水制備系統(tǒng)、制冷換熱系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)和氮?dú)獯邟呦到y(tǒng)。

2.8.1 除鹽水制備系統(tǒng)

除鹽水制備系統(tǒng)采用常規(guī)過濾、超濾、二級(jí)反滲透處理工藝，滿足制氫系統(tǒng)用水水質(zhì)要求。

除鹽系統(tǒng)工藝流程：水（有壓）→碟片式過濾器→超濾裝置→超濾水箱→一級(jí)反滲透高壓泵→一級(jí)反滲透裝置→二級(jí)反滲透高壓泵→二級(jí)反滲透裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→制氫系統(tǒng)各用水點(diǎn)。

2.8.2 制冷換熱系統(tǒng)

制冷換熱系統(tǒng)主要包括緩沖水箱、循環(huán)泵、壓縮制冷機(jī)。

2.8.3 壓縮空氣供給系統(tǒng)

壓縮空氣供給系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、過濾器、干燥器和壓縮空氣儲(chǔ)罐。本工程配置一套儀表氣源裝置，滿足整個(gè)氫站儀表氣源，設(shè)備包含含空氣壓縮機(jī)、空氣儲(chǔ)罐等，滿足制氫系統(tǒng)儀表用氣要求。

2.8.4 堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)

堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)主要包括堿儲(chǔ)罐和堿液輸送泵，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)外來堿液的裝卸，稀堿液的配制及廢堿液的回收等，滿足制氫系統(tǒng)電解制溶液配送需求。

2.8.5 氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)

氮?dú)獯荡祾呦到y(tǒng)主要包括氮?dú)馄拷M架及氮?dú)鈪R流排架，為制氫系統(tǒng)設(shè)備提供惰性氣體置換和吹掃功能，保證制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 PLC控制系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)組成

一般火力發(fā)電廠制氣站含2套電解槽裝置。每套電解槽裝置被監(jiān)控的設(shè)備與信號(hào)見表1。

表1 電解槽I/O表

除了電解槽信號(hào)外，其他公共部分的信號(hào)見表2。

表2 公共部分I/O表

PLC 系統(tǒng)配置見圖1。

圖1 系統(tǒng)配置

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

氫站控制系統(tǒng)的可靠性非常重要，要求系統(tǒng)具備SIL2安全等級(jí)認(rèn)證，PLC 控制系統(tǒng)要達(dá)到SIL2認(rèn)證，則必須滿足處理器冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余。

3.2.1 處理器冗余

2套相同的冗余機(jī)架（7槽），每個(gè)機(jī)架配置有：處理器模板；以太網(wǎng)通訊模板（冗余接口，連接I/O 機(jī)架，EN2TR）；以太網(wǎng)通訊模板（連接上位機(jī)，EN2T）；熱備通訊模板（用于主從處理器之間同步通訊，RM2）；光纖（用于熱備通訊模板之間通訊）；主從處理器在30 ms 內(nèi)切換完畢。

注意：2個(gè)處理器機(jī)架必須是相同型號(hào)、相同系列號(hào)、相同固件版本；機(jī)架中的處理器模板、以太網(wǎng)通訊模板、熱備模板理器必須是相同型號(hào)、相同系列號(hào)、相同固件版本，并放在在相同的槽位。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)冗余

2個(gè)處理器機(jī)架和所有的I/O 機(jī)架通過環(huán)形以太網(wǎng)連接在一起，當(dāng)環(huán)上某處網(wǎng)線斷裂或某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，與故障點(diǎn)最近的兩個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)環(huán)回通訊，自愈時(shí)間小于100 ms，并主動(dòng)向操作員站上送網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作切換信息，操作員站在監(jiān)控家畫面上通過網(wǎng)絡(luò)著色的方式，向運(yùn)行人員提示故障網(wǎng)段，方便通信網(wǎng)絡(luò)故障查找和恢復(fù)。

2個(gè)處理器機(jī)架中的以太網(wǎng)通訊模板（EN2T）分別連接不同的交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)冗余，其中一個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障，不影響與上位機(jī)的通訊。

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

EN2TR 模板的IP 地址與EN2T 模板的IP 地址最好處于不同的網(wǎng)段；主從機(jī)架中EN2T 模板的I/O 地址應(yīng)該設(shè)置為一樣；先在以太網(wǎng)開環(huán)下，調(diào)試處理器冗余，處理器冗余調(diào)試成功，再將以太網(wǎng)閉環(huán)，進(jìn)行環(huán)網(wǎng)調(diào)節(jié)。

4 氫站自動(dòng)控制中核心技術(shù)

4.1 閥門控制

4.1.1 電解液的配制

（1）所有閥門為關(guān)閉狀態(tài)。

（2）開16C，向堿液箱內(nèi)注原料水150L，關(guān)16C。

（3）打開8B、1B、5A、2B、7B，啟動(dòng)循環(huán)泵，緩慢打開6A 至堿液流量最大，進(jìn)行配堿循環(huán)。

（4）緩慢加入KOH（化學(xué)純，配稀堿溶液時(shí)，加入27 kg，配濃堿溶液時(shí)，加入58 kg）。待完全溶解后加入0.2%的V2O5（配稀堿溶液時(shí)加入0.35 kg，配濃堿溶液時(shí)，加入0.4 kg）。電解液配好后，關(guān)閉8 B、1B、5A、2B、7B、6A。

（5）待配好的電解液溫度降到常溫后，開8B、1B、5A、6A，啟動(dòng)循環(huán)泵，緩慢開3A，將配制好的KOH 電解液（＜50 ℃）打入制氫機(jī)，至綜合塔液位計(jì)液位最低位。關(guān)8B、1B、5A、6A、3A。

（6）開5A、6A、1A 啟動(dòng)循環(huán)泵，緩慢開3A 使堿液在制氫機(jī)內(nèi)循環(huán)，觀察流量指示是否正常，正常后停泵，關(guān)3A、6A、1A、5A。

4.1.2 開機(jī)順序

（1）接通控制柜總電源及盤上各儀表氣源。

（2）接通控制柜及框架上氣源。

（3）關(guān)3A，停泵，并通過2D 向系統(tǒng)充氮至0.3 MPa，關(guān)閉2D。

（4）將補(bǔ)水系統(tǒng)切至“手動(dòng)”加水位置，液位連鎖選擇開關(guān)切換至“斷”，差壓記錄調(diào)節(jié)儀、壓力記錄調(diào)節(jié)儀及溫度記錄調(diào)節(jié)儀的開關(guān)切換在“自動(dòng)”位置上，調(diào)好給定值。

（5）打開冷卻水閥門4C、1C。

（6）緩開3A，啟動(dòng)循環(huán)泵，開14C、12C、13C、6C、11C、3B 呈開車狀態(tài)，并檢查其他閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài)。

（7）隨著槽溫上升，將堿溫三針記錄調(diào)節(jié)儀的給定調(diào)至70 ℃。

（8）當(dāng)槽溫升至50 ℃后，將壓力給定調(diào)至3.2 MPa，待槽壓開到額定后，將補(bǔ)水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至“自動(dòng)”補(bǔ)水位置。待槽溫升至80 ℃后，觀察槽溫的變化趨勢(shì)，重新整定循環(huán)堿溫的給定值，使氧槽溫穩(wěn)定在80～85℃。

（9）調(diào)節(jié)3A，使堿液循環(huán)量在300 L/h 左右（參考數(shù)）。

（10）開車后1h 可進(jìn)行氫氣、氧氣純度分析。打開1H、2H，調(diào)節(jié)氫、氧氣減壓閥1F、2F，分別給氫中氧、氧中氫分析儀送氣，具體操作按該儀器說明書。如氣體純度合格，可開15C 同時(shí)關(guān)14C 向用戶供氣。

操作員界面如圖2～圖4：

圖2 制氫設(shè)備畫面

圖3 干燥畫面

圖4 儲(chǔ)氫罐和公共設(shè)備畫面

4.2 回路調(diào)節(jié)

在氫站的自動(dòng)控制中，電壓控制、電流控制、溫度控制最為關(guān)鍵，而且它們相互關(guān)聯(lián)。

火電廠采用的電解槽生產(chǎn)能力一般為10～12 m3/h，額定電流為70～72 V DC，額定電流為800～820A，溫度為83-90 ℃。

運(yùn)行時(shí)如果電壓過低，電解能力不夠；產(chǎn)量低，電壓過高，能耗大，具有安全隱患。如果電流低，產(chǎn)量低；電流過高，會(huì)影響電解槽壽命。電解槽溫度低，水電阻大，電流不能加大；電解槽溫度高，水電阻較低，電流可以加大，產(chǎn)量提高，但是溫度過高，超過上限（92℃），有安全隱患。

（1）溫度調(diào)節(jié)回路。溫度調(diào)節(jié)回路自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)將溫度檢測(cè)值與溫度設(shè)定值比較，實(shí)時(shí)計(jì)算閥門開度，控制冷卻水流量，達(dá)到控制電解槽溫度的目的。當(dāng)電解槽溫度超過溫度上限設(shè)定值（92 ℃），PLC 輸出控制信號(hào)，將整流柜停機(jī)；溫度回路中的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別為35、1 000、12 000。

（2）電流調(diào)節(jié)回路。電解槽運(yùn)行分為啟動(dòng)階段、初始階段和運(yùn)行階段，從啟動(dòng)階段、初始階段到運(yùn)行階段，PLC 的輸出電流分別為300 A、600 A 和800 A或820 A，這是由于電解槽開始運(yùn)行時(shí)，電解液溫度較低，水電阻較大，如果一開始就輸出較大電流，此時(shí)電壓就超過限制了。

當(dāng)電壓小于電壓設(shè)定值（70V）時(shí)，PLC 逐漸增大電流輸出給定，每個(gè)時(shí)間段（0.5s）電流加4；當(dāng)電壓大于70V 但小于72V 時(shí)，PLC 減小電流增大的幅度，每個(gè)時(shí)間段（0.5s）電流加2，當(dāng)電壓超過72 V 時(shí)，PLC 減小電流輸出，每個(gè)時(shí)間段（0.5s）。

（3）電壓調(diào)節(jié)回路。在電解槽的電壓控制中，整流柜采用電流模式，接收來自PLC 的電流信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓（I=V/R），當(dāng)電壓超過整流柜中設(shè)定的節(jié)壓電壓時(shí)，輸出電壓將截壓，如果電壓超過電壓上限，整流柜自動(dòng)停機(jī)。

在火電廠制氫站應(yīng)用中，整流柜采用電流控制模式，接收來自PLC 的電流控制信號(hào)，使電解槽工作時(shí)在額定的電壓下有足夠的電流，以達(dá)到足夠的電解能力。電解槽運(yùn)行分為兩個(gè)階段。第一階段：電解槽剛啟動(dòng)，電壓達(dá)到截壓值75 V，電解槽溫度上升，電流也隨之上升。第二階段：當(dāng)電解槽溫度達(dá)到設(shè)定值后，電流達(dá)到設(shè)定值，這時(shí)電壓會(huì)下降到一個(gè)穩(wěn)定值。

（4）溫度調(diào)節(jié)回路。溫度調(diào)節(jié)回路是一個(gè)獨(dú)立的PID 回路，溫度設(shè)定值為83℃，通過控制冷卻水閥門開度控制冷卻水流量，使得電解槽電解液溫度控制在設(shè)定值附近，當(dāng)溫度操過92℃，整流柜自動(dòng)停機(jī)。

4.3 安全生產(chǎn)

4.3.1 漏氫檢測(cè)

在氫站生產(chǎn)中，安全生產(chǎn)極為重要，為每套制氫設(shè)備配置2套漏氫檢測(cè)儀，在兩種情況下進(jìn)行報(bào)警：（1）當(dāng)漏氫值超過設(shè)定值時(shí)。（2）實(shí)時(shí)比對(duì)2套監(jiān)測(cè)檢測(cè)儀的實(shí)際值，當(dāng)兩臺(tái)檢測(cè)儀的檢測(cè)值的偏差超過設(shè)定值時(shí)，需要進(jìn)行儀表校對(duì)。

4.3.2 信息安全

為氫站操作站配置一套主機(jī)安全防護(hù)軟件，增強(qiáng)操作可靠性與安全性。它具有以下特點(diǎn)。（1）系統(tǒng)權(quán)限管理。采用三權(quán)分立原則，系統(tǒng)設(shè)置超級(jí)管理員、管理員、審計(jì)員三種權(quán)限，根據(jù)不同權(quán)限對(duì)系統(tǒng)分級(jí)管理。（2）程序白名單管理。對(duì)系統(tǒng)中白名單文件進(jìn)行添加、導(dǎo)入、導(dǎo)出等操作?？蛇M(jìn)行全盤掃描，掃描到本地磁盤所有的可執(zhí)行文件并自動(dòng)生成白名單庫(kù)文件。任何不在白名單內(nèi)的可執(zhí)行文件都將被阻止運(yùn)行（3）實(shí)時(shí)報(bào)警。安全防護(hù)狀態(tài)開啟后，執(zhí)行任何非白名單內(nèi)的可執(zhí)行文件都將被阻止，并彈出程序阻止運(yùn)行報(bào)警，報(bào)警包含程序的路徑及文件名信息。根據(jù)策略對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的使用進(jìn)行有效控制，對(duì)非授權(quán)的設(shè)備插入進(jìn)行阻止，對(duì)系統(tǒng)文件或注冊(cè)表的訪問權(quán)限進(jìn)行控制，出現(xiàn)類似操作進(jìn)行有效的告警及時(shí)提示維護(hù)人員。（4）系統(tǒng)管理配置。系統(tǒng)管理配置分為系統(tǒng)配置、主機(jī)加固和用戶管理。（5）日志審計(jì)。對(duì)系統(tǒng)中應(yīng)用程序運(yùn)行日志、移動(dòng)存儲(chǔ)日志、用戶操作日志等進(jìn)行有效記錄?？刹樵兿到y(tǒng)運(yùn)行了哪些非法可執(zhí)行文件，非法訪問移動(dòng)文件，執(zhí)行了哪些操作等功能，記錄違反安全策略行為的應(yīng)用程序名、時(shí)間、證書等，支持日志導(dǎo)出，方便后期查詢。（6）數(shù)據(jù)管理。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的有效管理，可定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，選擇時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行還原，支持?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。（7）配置信任路徑。信任路徑管理是用于管理信任路徑、信任進(jìn)程以及文件白名單的命令行程序。它可以對(duì)信任路徑、信任進(jìn)程以及文件白名單進(jìn)行添加、刪除、顯示操作。（8）自身保護(hù)功能。能夠防止非法卸載、停止本主機(jī)防護(hù)軟件的應(yīng)用程序、服務(wù)及驅(qū)動(dòng)，并對(duì)執(zhí)行此類操作的行為進(jìn)行記錄、告警。（9）用戶身份可信認(rèn)證。

4.4 視頻監(jiān)控

為了減員增效，通過具備AI 識(shí)別系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)氫站無人值守。

AI 視頻分析處理是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，在視頻處理中將逐幀讀取視頻，并且對(duì)于每一幀，將執(zhí)行圖像處理以便從該幀中提取特征。

AI 視頻處理包括5個(gè)關(guān)鍵任務(wù)的混合。

（1）物體檢測(cè)。它是一種計(jì)算機(jī)視覺形式，可以識(shí)別圖像或視頻中的對(duì)象并找到它們。物體識(shí)別可以使用這種識(shí)別和定位的方法計(jì)算場(chǎng)景中的物品，并確定和標(biāo)注它們的確切位置。

（2）物體識(shí)別。物體識(shí)別是一種計(jì)算機(jī)視覺形式，用于識(shí)別圖片或視頻中的物體。深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的主要結(jié)果是物體識(shí)別。就類似當(dāng)人類看圖像或看電影時(shí)，可以快速發(fā)現(xiàn)和甄別人物、事物、場(chǎng)景等信息。

（3）目標(biāo)跟蹤。目標(biāo)跟蹤是機(jī)器視覺領(lǐng)域的重要課題，被廣泛應(yīng)用于智能監(jiān)控、動(dòng)作與行為分析、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用領(lǐng)域。例如在足球比賽中，目標(biāo)不僅僅是人，也可能是生物、汽車或其他重要物體，例如足球。

（4）實(shí)時(shí)視頻分析。攝像機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量視頻數(shù)據(jù)，人工有時(shí)無法手動(dòng)查看存儲(chǔ)的圖像以進(jìn)行相關(guān)事件的處理。因此需要借助AI 智能識(shí)別分析，以此來發(fā)現(xiàn)監(jiān)控圖像中的重要信息，如周界入侵、危險(xiǎn)行為、煙火、可疑人臉等。

（5）觸發(fā)實(shí)時(shí)警報(bào)。AI 通過在視頻圖像中檢測(cè)到異常行為時(shí)，便做出響應(yīng)，如：向管理員發(fā)出告警信息。視頻識(shí)別技術(shù)提高了態(tài)勢(shì)感知的能力。一些應(yīng)用示例包括：

①基于相似外觀的告警。視頻監(jiān)控可根據(jù)實(shí)體外觀相似的需求定制告警，如危險(xiǎn)物檢測(cè)、煙火檢測(cè)、閥門開關(guān)位置。在氫站中，可以讓攝像頭監(jiān)控若干關(guān)鍵閥門，當(dāng)檢測(cè)到閥門的開關(guān)位置不對(duì)時(shí)，將監(jiān)控站上聲光報(bào)警；可以讓攝像頭監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的位置，當(dāng)設(shè)備位置不對(duì)時(shí)，將在監(jiān)控站上報(bào)警。

②基于計(jì)數(shù)的告警。當(dāng)在給定時(shí)間段內(nèi)在預(yù)定位置檢測(cè)到一定數(shù)量的物體（車輛或人）時(shí)，可以觸發(fā)警報(bào)。在氫站中，可以讓攝像頭監(jiān)控關(guān)鍵手動(dòng)設(shè)備的開合次數(shù)，若次數(shù)異常，在監(jiān)控站上報(bào)警。

③人臉識(shí)別告警。相關(guān)部門可以根據(jù)從視頻圖像中提取的信息，以此快速識(shí)別可疑人物并實(shí)時(shí)發(fā)出告警。在氫站中，可以對(duì)下列行為進(jìn)行報(bào)警識(shí)別并報(bào)警。

④安全生產(chǎn)類。未帶安全帽，打電話，吸煙，未穿工作服，有人跌倒等。

⑤人員管理類。白名單人臉識(shí)別，人數(shù)限定，外來人員識(shí)別，人員越界等。

⑥設(shè)備識(shí)別。設(shè)備位置，設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)，設(shè)備動(dòng)作次數(shù)，設(shè)備看護(hù)等。

5 結(jié)語

結(jié)合寧海發(fā)電公司氫站改造的幾個(gè)重點(diǎn)得出，控制系統(tǒng)的可靠性和安全性是建立在現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性上，建議更換流量開關(guān)、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。