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量，由分離器選擇變送器的遷移，測量信號到PLC的控制通道，PLC是怎樣對采集到的液位信號進行運算及液位控制。
關鍵詞 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水溶液產生H2和O2，H2和O2分別帶著NaOH堿液進入氫、氧分離器，在氫、氧分離器內H2，O2與NaOH堿液進行分離，分離后的堿液通過分離器底部的連通管匯合進入過濾器。從電解水的方程式2H2O＝2H2＋O2〔4〕可以看出，電解水產生的H2量是O2的2倍，而且H2和O2發生混合時可能引起設備的爆炸，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入另一個分離器（氫、氧分離器底部連通）見圖1。為此系統運行時控制氫、氧分離器的液位使其基本平衡，在系統安全上起著非常重要的作用。 1 引 言
2 氫、氧分離器的液位測量
2．1 氫分離器液位測量
因為氫分離器是密閉容器，所以變送器測量的液體壓力除了隨液位度變化外，還受到容器內上部氣體壓力Pi的作用，需要將容器上部引出的氣體壓力和下面取壓點的壓力進行比較，才能測出液位的度。所以，測量密閉容器的液位，必須用差壓變送器。因為負壓室有液體進去，形成液柱壓力，就會產生假信號影響測量的度，因此在負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相連，液面底部與液面上的壓差為ΔP，則容器內液位度h為：
這樣，液位測量就變成差壓測量。氫分離器液位測量如圖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相通，差壓變送器的負壓室（以“－"表示）與氫分離器上部取壓點相通，則可以測量氫分離器的液位。
正壓室所受壓力為：P1＝γ（h1＋h）＋Pi
負壓室所受壓力為：P2＝γh2＋Pi
變送器承受壓差為：
式中 h1為氫分離器下部液位測壓點到變送器的度；h2為氫分離器上部測壓點到變送器的度；Pg為固定壓差Pg＝γ（h2－h1）。
h1，h2與液位變化無關，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，即同時改變差壓變送器的上、下限，使壓差不變（測量范圍不變），對變送器進行負遷移，遷移量為Pg＝γ（h2－h1）。這樣壓差直接和液位相對應，加上負遷移，變送器可以正接，輸出特性的斜率不變，僅僅平移一個負遷移量。
因為測量的堿液濃度在26％～30％，γ＝1．28g／cm3左右，氫分離器的上部、下部取壓點之間的距離（h2－h1）為780 mm，所以氫分離器的負遷移量Pg＝γ（h2－h1）＝1．28×780＝998 mm水柱。
所以選用型號為1151DP4E22B2D2M1Fa遷移為－9．8～0 kPa的差壓變送器，其測量范圍是0～（635～3 810）mm水柱，當h＝0時變送器輸出為4 mA，當h為Z液位時變送器輸出為20 mA。
在設計使用變送器時，變送器的正或負遷移量不允許超過所規定的Z大量程的100％，否則度較差，上述所選用變送器負遷移符合要求，不會對度有太大影響。
2．2 氧分離器液位測量
氧分離器是密閉容器，且壓力取樣點與氫分離器相同，容器的度相同，堿液濃度相同，見圖3。用同樣方法可以測量氧側變送器差壓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液位信號經過輸入安全柵至PLC的模擬量輸入板；對氫、氧液位信號進行電平轉換、濾波、采樣、12位逐級比較式A／D轉換、內存鎖定、光電隔離后進入 CPU；在CPU控制下按照PID算法進行運算，再經過模擬量輸出板光電耦合、D／A轉換、電壓或電流放大〔1〕，輸出4～20 mA電流信號給輸出安全柵；經過輸出安全柵將信號送給電氣轉換器，調節閥根據氣信號的大小來調節氫側調節閥的開度，從而達到液位控制的目的。
由于供應H2現場和周圍環境可能有易燃易爆的H2，所有氫液位控制系統所選用儀表應既滿足測量要求又滿足防爆安全要求。選用變送器、電氣轉換器時既要考慮測量介質，又要考慮符合防爆要求。變送器用于連續測量導電的堿液液位，選用1151DP4E22B2D2M1Fa型，防爆標志為ExiaⅡ CT5；采用輸入、安全柵主要是對模擬量輸入、輸出模板（安全場所）的能量進行限制和隔離，使其不致竄入氫、氧變送器（危險場所），使處于安全場所的儀表的非安全火花到不了危險場所，輸入、輸出安全柵分別為ISB－2006型、ISB－4006型，本質安全型（ia）ⅡCT5；為了保證控制系統的安全運行和減少可能的干擾信號，模擬量輸入、輸出模板均選用了光電隔離的模板，使輸入、輸出信號與主機之間隔離，各輸入、輸出通道彼此隔離；電氣轉換器選用常熟市儀表廠供應的QZD－1000型，防爆標志為HⅢe，將4～20 mA電流信號轉換成氣氣信號0.02-0.1MPa；采用Mark708進口調節閥，流量系數Cv為0.05，閥桿為316不銹鋼材質，隔膜式氣開式調節閥，即控制閥接受的是氣壓信號，當膜頭輸入壓力增大，控制閥開度也增大。該調節閥調節、耐磨損。 4 PLC對氫、氧液位的運算
PLC選用GE公司9030系列產品，CPU為80K字節，轉換度為12位，液位運算調用了PID算法，每次掃描時調用PID模塊，用于液位閉環回路過程控制，該模塊對比過程變量反饋和期望過程設置并以誤差為準進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；Ki為積分系數，Ki＝KcTs／Ti，Ti為積分時間；Kd為微分系數，Kd＝KcTd／Ts，Ts為采樣周期，Td為微分時間〔2〕。
液位調節采用的比例積分調節，所以u（n）＝Kce（n）＋KiΣe（i），采樣周期Ts為20 ms，積分時間為常數，改變積分系數Ki，比例放大倍數Kc就可以改變輸出u（n）的大小，調試時就是調節積分系數Ki，比例放大倍數Kc使氫、氧分離器差壓Z小，液位平衡，達到液位控制目的。液位的調節過程實際上是PLC以氧液位為給定值，氫液位為測量值，氫、氧液位進行比較（ΔP－ΔP ′），以它們的偏差作為PID的給定輸入信號，經過PID運算后的輸出控制調節閥動作。ΔP－ΔP′＞0即氫液位于氧液位時，根據PID輸出量的大小關閉調節閥；ΔP－ΔP′＜0即氫液位低于氧液位時，根據PID輸出量的大小打開調節閥。這樣根據系統運行情況不斷改變PID的給定值，以實現Z控制的目的。
5 結束語
采用1151差壓變送器及GE9030系列PLC，輸入、輸出安全柵電氣轉換器、氣動薄膜調節閥組成的硬件，和PLC自帶PID模塊控制液位，有很的性、穩定性和通用性。該種控制方式的設備已有多套在現場投運。
