氫氧機壓力、液位、溫度控制系統(tǒng) |
[ 來源: | 作者:本站 | 發(fā)布時間:2019-06-28 | 瀏覽:2000次 ] |
一種氫氧氣體發(fā)生器壓力控制裝置,包括安裝在氫氧氣體發(fā)生器出氣管路上的氫氧氣進氣口和氫氧氣出氣口,該氫氧氣進氣口和氫氧氣出氣口之間連通介質筒,該介質筒下部設有兩個壓力變送器安裝接頭,該兩個壓力變送器安裝接頭上分別安裝有壓力傳感器,百事得DPI系列壓力變送器精巧的外形設計和科學的結構密封方式,穩(wěn)定可靠的產品性能,滿足氫氧發(fā)生器對壓力變送器的所有工藝要求。本實用新型氫氧氣由氫氧氣進氣口流向氫氧氣出氣口的過程中,其壓力經傳壓隔離介質隔離后傳遞至兩個氣腔,再由兩個氣腔的壓力分別驅動兩個壓力傳感器,起到隔離氫氧氣直接接觸壓力傳感器,達到了杜絕氫透、氫脆及回火時壓力傳感器易失效的目的。 氫氧機是生產氫燃料的設備,它采用水電解技術,通電使水分解成氫氣和氧氣,其中氫氣作為燃料,氧氣作為助燃劑,是一種高科技綠色環(huán)保節(jié)能設備。該氫氧機因所產氣體為氫、氧分離型,使氫氧機設備應用范圍得到極大拓展,不僅局限于通常使用熱加工場所,以替代傳統(tǒng)乙炔、丙烷、液化氣等燃氣,用于金屬切割、金屬氣焊,還可以在玻璃制品加工、汽車除碳、車載氫氧機、氫燃料電池、電子化工、食品加工等領域得到廣泛應用。由于所產為氫、氧分離氣體,在金屬切割方面,徹底杜絕氫氧混合氣體易“回火”這一技術瓶頸問題,因此,分離式氫氧機在金屬切割領域得到更為安全的使用。 在控制方面,該氫氧機內部采用PLC控制技術,通過PLC硬件組態(tài)和程序設計,開發(fā)了完整的控制程序,實現(xiàn)設備裝置的啟停、控制、運行狀態(tài)參數(shù)設定和顯示、并具有報警故障查詢等功能。外部結合工業(yè)觸摸屏進行人機界面(HMI)控制,在人機對話上充分考慮了人機界面控制的及時性、完整性和互動性。界面非常友好,使用操作方便醒目直觀。 1. 控制方案設計 1) 電解工作原理 分離式水電解制氫裝置是通過直流電解KOH(25%~30%濃度)水溶液產生H2和O2,H2和O2夾帶KOH堿液分別進入氫、氧汽水分離器進行汽水分離(在水分子重力作用下進行汽水分離),分離后的堿液通過分離器底端再回流至電解槽(在高壓制氫中則需要增加循環(huán)泵以完成電解液的回流)。 水電解制氫電極反應式: 陰極: 4e + 4H2O = 2H2↑ + 4OH▔ 陽極: 4OH ▔ = O2↑ + 2H2O + 4e 總反應式:H2O = H2 + 1/2 O2 由上述電極反應式可知:產生H+和OH-離子,其中H+離子移向電極的陰極面,形成H2↑,OH-離子移至電極的陽極面,形成O2↑。而相應的產氣量H2是O2的2倍。 2) 液位差控制 目前分離式電解槽普遍采用壓濾式雙極性電解槽,內部有多個電解小室組成。電解小室間用石棉布為隔膜材料,而石棉布特性是在浸潤的狀態(tài)下,氣體不能通過,只能參與電解的離子可穿透。如隔膜兩側壓力不平衡,壓力差為±100mmH2O時,如壓力差大于300mmH2O則會有氣體泡通過石棉隔膜,造成氫氧混合;另外,電解后的H2、O2輸出至汽水分離器上因氫氧分離器底部會呈連通狀態(tài)。如果氫氧分離器壓差過大,很可能使H2或O2從壓力大的分離器進入另一個分離器。所以,在系統(tǒng)運行時必須控制氫氧分離器的液位使其平衡,使液位保持在規(guī)定的范圍內,防止由于液位過低而造成H2、O2氣體混合。液位過高會增加氣體排出阻力,引起H2、O2側壓力不平衡,造成H2、O2氣體的互相滲透。 氫氧液位采用百事得DPI10系列差壓變送器,差壓變送器可直接把隔膜兩側的壓力差測量出來,并將液位模擬量轉化為電信號4-20mA輸出,以A/D模數(shù)轉換來實現(xiàn)其液位控制。將氫氧采樣轉換的電信號4-20mA輸入至PLC中進行差值設定。針對設備在開機運行狀態(tài)和停機狀態(tài)不同情況下,對氫氧兩端的液位給予處理。 a) 開機及運行狀態(tài) 在開機運行狀態(tài)下,液位如有下列不平衡情況時則進行平衡處理。 l H2>O2且H2-O2≥120mmH2O(液位差值),O2旁通閥打開,使O2側壓力減小(O2氧液位升高),從而使液位差值減小。 l O2>H2且O2-H2≥110mmH2O(液位差值),H2旁通閥打開,使H2壓力減?。ǎ龋矚湟何簧撸瑥亩挂何徊钪禍p小。 l 氫氧均液位(對其液位采集若干次后處理的均值)≤氫氧液位下限值280mmH2O時,則設備補水泵以及補水閥打開,進行相應補水。 l 氫氧均液位≤補水液位上限值是300mmH2O,補水泵以及補水閥關閉,停止補水。 l 在進行過程中,當氫氧液位差值》140mmH2O時,氫高于氧液位,氧旁通閥打開到氫氧液位值低于≤80mmH2O時,氧旁通閥關閉;如氫氧液位差按上述變化時,氫旁通閥打開到關閉。 b) 停機狀態(tài) 在停機狀態(tài)下,氫氧液位可能還會存在一定液位差,也需進行平衡處理。 l O2>H2時,氫旁通閥打開。 l H2>O2時,?。龋?O2≥50mmH2o液位差,氧旁通閥打開,H2-O2≤30mmH2o液位差,氧旁通閥關閉。 l 氫氧均液位280mmH2O時補水泵以及補水閥打開,≤300mmH2O時則關閉。 3) 液位平衡控制 液位平衡控制亦稱系統(tǒng)平衡控制。為達到液位平衡目的,采用背壓閥,電氣轉換器及氣動調節(jié)閥共同實現(xiàn)液位平衡控制。通常將背壓閥放置于氫側,以氫液位為比對基準給定值,氫液位作為實際值經PLC(數(shù)字顯示調節(jié)儀)做比例、積分和微分PID運算,將運算結果以模擬量形式通過PLC輸出經D/A數(shù)模轉換,輸出4~20mA模擬量(經安全柵)輸入至電氣轉換器。 氣動調節(jié)閥的工作是在配套氣泵與電氣轉換器(將4~20mA模擬另轉換為0。02~0。1Mpa),用氣動信號來調節(jié)加至氧側的氣動調節(jié)閥的開啟度,使氫氧液位保持平衡,如氫液位高則自動減少加至氧側的氣動調節(jié)閥的開度。通過調整氧側壓力值(變小)使電解液通過H2、O2分離器下端連通管,造成氫液位下降,從而達到控制氫氧液位平衡。反之亦然。 在開機后設備檢測液位以及系統(tǒng)壓力的驅動電氣轉換器,使氣動閥開啟合適開度,以保證系統(tǒng)液位平衡。待停機后,氣動調節(jié)閥呈安全打開狀態(tài),以便泄壓。 4) 系統(tǒng)溫度控制 水的電解過程是一個放熱的過程。隨著電解過程的不斷運行,電解槽內部會連續(xù)產生熱量,進而使電解槽的運行溫度持續(xù)上升。根據水電解制氫工藝要求,電解槽溫度規(guī)定為85℃則為極限溫度,以保證電解槽內部隔膜使用壽命。 在系統(tǒng)溫度的采樣上采用百事得DPI系列一體化溫度變送器,通常在電解槽出口管道上安裝溫度變送器,一體化溫度變送器將檢測到的實際溫度以4~20mA的標準電信號,采用一體化溫度變送器將減少了中間環(huán)節(jié)的故障點,4-20,mA輸入至PLC中。在編寫好的控制邏輯程序中利用可編程控制器自帶的普通PID調節(jié)子程序,使實際溫度與設定溫度進行比較。如高于設定極限溫度時,輸出控制信號保證設備以故障形式停機。 當然上述只是較為簡單的溫度極限保護。如需對系統(tǒng)溫度進行控制,則可以使PLC輸出模擬控制信號增大,進而控制系統(tǒng)冷卻水流量調節(jié)閥的開度變大,使得冷卻水流量加大,熱交換加速,使得返回電解槽的堿液溫度加速降低,最終使電解槽溫度下降。這種控制能夠保證水電解可在最理想溫度下工作。 5) 系統(tǒng)壓力 為保證氫氧機在運行中的安全性,特對設備系統(tǒng)內部最高壓力進行設定。所設壓力變送器放置在氧側,與氫側所加的背壓調節(jié)閥產生的壓力進行相應檢測。當系統(tǒng)壓力大于設定壓力時,則設備判定為嚴重故障泄壓停止運行。 在設備氫、氧出口端采用A/D壓力變送器將采集模擬量輸入至PLC處理為相應的數(shù)字量。當氫出口壓力達到氫出口壓力所設上限時,則會控制電解電流下降,使氫產氣量減小,以降低氫出口壓力。反之亦然。 如氧出口端壓力達到所設置壓力值時,氧放空閥打開,以降低氧出口端壓力。 在設計上為方便用戶使用,觸摸屏上可對氫、氧出口端壓力設定上下限壓力值,以上限壓力最高不允許超過系統(tǒng)壓力為原則。 6) 電解電壓控制 氫氧機產生的氫氣量大小與參與電解電流的大小成正比,所以控制電解電流輸出電流值就可控制氫氣量輸出。為便于設定控制電解電流,在觸摸屏可輸入電解電流百分比,由PLC輸出經D/A轉換輸出的0~10V電壓信號加入電解電源輸入控制端達到控制輸出電流目的。 2. 系統(tǒng)設計 為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制,特建立以PLC為核心的控制系統(tǒng)。工業(yè)觸摸屏顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)及參數(shù)。 S-200是西門子PLC產品中一款小型可編程序控制器,能夠控制該設備以滿足自動化控制需求。它具有緊湊的結構、靈活的配置和較強的指令集,使S-200成為各種控制應用的理想方案。本控制系統(tǒng)需6個數(shù)字量輸入和2個數(shù)字量輸出(表1),根據系統(tǒng)控制要求,選取S-200PLC作為控制核心,此外還需擴展1個模擬量擴展模塊。
表1 輸入輸出信號與輸入輸出點的分配 為使系統(tǒng)有較好的人機對話界面,實現(xiàn)液位、壓力、溫度等現(xiàn)場參數(shù)的設定并輸出各種報警提示信息,選擇信捷觸摸屏顯示口作為顯示設定單元。系統(tǒng)軟件設計流程如圖2。 3.結束語 該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮PLC可靠靈活的優(yōu)勢,以及觸摸屏友好人機界面功能。實踐證明,系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力,操作簡單,在較惡劣的操作現(xiàn)場得到很好應用。 4.配置清單 西門子S-200可編程控制器 百事得DPI701壓力變送器 百事得DPI10差壓變送器 百事得DPI一體化溫度變送器 西門子I/O模塊 西門子14”觸摸顯示屏 5.工作原理示意圖
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