加压水电解制氢装置控制系统
(天津市大陆制氢设备有限公司 许卫)
摘要：本文叙述了水电解制氢控制系统控制点的选择及各种控制方式。 关键词：水电解制氢 控制系统
电解水是直流电通过KOH 或NaOH 水溶液将水分解为氢气和氧气的过程，其化学反应如下： 阴极：2H2O+2e→H2+2OH-；阳极：2OH --2e→H2O+1/2O2；
总反应式： H2O= H2+ 1/2O2
水电解制氢装置所制氢气作为冷却气、保护气、原料气、还原气和燃料气, 已广泛用于电力、电子、冶金、化工、建材、宇航、原子、气象等需要氢气的行业。
我国自行生产加压水电解制氢装置已有四十年的历史，其控制系统随着仪表、控制系统的发展而不断更新。控制点的选择，控制方式的选择经过多年实践运行，被证明是安全可靠的，是可以满足工艺要求的。
一 控制点
1 被调参数的选择
被调参数的选择是自动控制系统设计的核心部分，它直接影响调节质量，是装置稳定运行的保证。结合多年的压力电解槽开发实践，确定如下被调参数：槽压调节、循环碱温调节、氢氧分离器液位调节系统。
1. 1 槽压调节系统
操作压力是装置的主要被调参数，必须设置调节系统，使其维持在恒定值。选用氧气压力为被调参数，氧气流量为调节参数，采用压力变送器，调节仪和气动薄膜调节阀构成单回路调节系统。变送器取压点设在氧分离器顶部，调节阀安装在氧气出口管道上。调节仪为比例、积分、微分式（正作用），调节阀为气开式。
1. 2 循环碱温调节系统
电解槽温度也是装置的一个重要参数。实践证明，在气体产量，环境温度和碱液循环量固定的情况下，槽温和循环碱温有一个恒定的差值，因此可以利用调节循环碱温来达到调节槽温的目的。
温度变送器安装在循环碱液管道上，其输出信号送到调节仪，调节仪输出控制安装在冷却水管道上的调节阀，调节仪为比例、积分式（反作用），调节阀为气闭式。
1. 3 氢分离器液位调节系统
在电解过程中，原料水不断消耗，使氢氧分离器液位不断下降，因此需要通过补水泵补充原料水，而使液位维持在适当的高度。本系统是一个双位调节系统，氢分离器液位由差压变送器测量，并通过联锁电路控制补水泵的开停，从而使液位维持在一定的范围内。
1. 4 氧分离器液位调节系统
本系统的任务是控制分离器液位，使氧分离器液位与氢分离器液位高度相同。氧分离器液位由差压变送器测量。差压变送器、调节仪和调节阀（安装在氢气出口管道上）组成单回路调节系统。调节仪采用外给定，以氢液位变送器的输出信号作为调节阀的外给定信号，调节仪为比例、积分、微分式（正作用），调节阀为气开式。
2 检测系统
氢槽温、氧槽温、循环碱温、氢气纯度、氧气纯度、等参数在控制柜上进行显示；操作压力、氢液位、氧液位等参数除在控制柜设有显示仪表外，在现场还直接进行显示。氢气温、氧气温、氢侧碱液循环量、氧侧碱液循环量等参数均为现场直接显示。
3 声光报警系统
电解槽工作压力上限，氧槽温超高，氢氧液位上、下限，氢氧侧碱液循环量下限，气源压力下限，氢气纯度下限，氧纯度下限等参数均设有声光报警。
4 联锁系统
槽压超高，氧槽温超高，氢、氧碱液循环量下限直接处于联锁状态，而氢液位上、下限，氧液位上、下限在装置开始运行时处于联锁消除状态，在装置正常运行后处于联锁状态，均直接联锁整流柜。
槽压超高，氢、氧液位上、下限，氧槽温超高，氢、氧碱液循环量下限，整流柜故障均联锁补水泵停止加水。
二 控制方式
1 气动控制系统
早期的水电解控制系统采用气动控制方式，变送器和调节器采用气动单元组合仪表；报警和联锁部分采用继电器。由于一次仪表和二次仪表折线距离不超过50米，气动管线较短，所以响应速度可以满足控制要求。价格便宜，没有防爆问题，安全性好。但现在订货已很少。现在气动控制系统的报警和联锁部分一般采用可编程序控制器代替继电器
2 电III 型控制系统
变送器和调节器采用电III 型仪表，仪表间的联络信号为4-20mA 。由于使用本质安全型仪表，所以安全上没有问题。精度一般为0.5%，比气动仪表要高，气动仪表为1%。 3 PLC控制系统
PLC 是英文PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER(可编程序控制器) 的缩写。它是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。它连续检测输入设备（如开关、变送器等）的状态，根据用户的程序控制输出设备（如泵、调节阀等）。修改控制逻辑时不需增加硬件和重新接线。为现在应用最多的控制系统，一般变送器仍采用电III 型变送器，而调节系统和报警联锁系统由PLC 完成。人机接口采用工业控制计算机或触摸屏。
对于可编程控制器有多种品牌和型号，在水电解行业用到了西门子S7-400、S7-300、S7-200系列；施奈德的Quantum 系列；罗克韦尔公司的ControlLogix 系列；通用电气90-70、90-30系列。对于PLC 控制系统来讲，并不是越高级越好，控制系统越高级，价格也就越高。不同的型号，应用的场合是不一样的。以西门子PLC 为例，对于S7-400系列，当需要CPU 冗余时才用到，而现在CPU 出问题的可能性很小，只有在对于控制系统稳定性要求极其严格的情况下才使用。而对于水电解制氢系统，当要求连续不间断供氢时，可以通过工艺流程的设置，而不是升级PLC 控制系统来实现，升级PLC 成本太高。笔者认为S7-300系列足以满足控制要求。
在制氢设备的控制系统里，电厂氢站的要求是最高的，5-10m3/h制氢和干燥一体化设备。一般都是PLC 控制，所有现场变送器选用进口，PLC 控制系统CPU 冗余、电源冗余、通讯冗余。一键开车，即按下开车按钮，设备自动充氮置换、升温、升压、气体纯度合格后，自动向储罐充氢。两个CPU 各有自己的以太网模版，有不同的IP 地址，通过交换机、光纤将参数传输到几百米，甚至上千米外的集控室。
远程控制软件有多种，在制氢行业也有应用。我们一般用PCanywhere 。在现场用于控制的计算机上安装上PCanywhere 作为被控端，在我们的笔记本电脑上安装好PCanywhere 主控端，两台电脑通过调制解调器用电话线连接起来，在我们的笔记本电脑上可以看到远控端电
脑的桌面，可以用笔记本的鼠标来操作远控端电脑，就像你坐在远控端电脑旁，利用此方法，我们可以上传和下载PLC 程序，远程监视设备运行参数。这样可以迅速判断故障原因，坐在办公室内就可以对现场程序进行修改。
4 DCS控制系统
DCS 为分布式控制系统的英文缩写，主要应用在控制规模很大的系统。DCS 控制系统应用制氢行业较少，用户主要集中在石化行业和电厂。石化厂一般都有DCS 控制系统，在制氢设备的控制上，有的厂家仅要求制氢设备带一次仪表，所有信号进入用户的DCS 系统，而设备的控制由制氢设备厂家提出控制要求，提供逻辑图。由设备制造厂和DCS 编程人员共同完成设备的调试工作。对于电厂，发电机组的控制都是由DCS 系统完成的，而氢站是电厂的辅助系统，一般用普通PLC 进行控制，而现在有的也用单独的DCS 控制。 5 现场总线控制系统
现场总线(Fieldbus)是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。传统的现场级自动化监控系统采用一对一所谓I/O接线方式，传输的是4-20mA 或24VDC 信号。现场总线使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级自动化监控系统。现场总线系统有它自己的优势，但由于是一种新兴的技术，在水电解制氢领域还未大规模使用。
加压水电解制氢装置控制系统
(天津市大陆制氢设备有限公司 许卫)
摘要：本文叙述了水电解制氢控制系统控制点的选择及各种控制方式。 关键词：水电解制氢 控制系统
电解水是直流电通过KOH 或NaOH 水溶液将水分解为氢气和氧气的过程，其化学反应如下： 阴极：2H2O+2e→H2+2OH-；阳极：2OH --2e→H2O+1/2O2；
总反应式： H2O= H2+ 1/2O2
水电解制氢装置所制氢气作为冷却气、保护气、原料气、还原气和燃料气, 已广泛用于电力、电子、冶金、化工、建材、宇航、原子、气象等需要氢气的行业。
我国自行生产加压水电解制氢装置已有四十年的历史，其控制系统随着仪表、控制系统的发展而不断更新。控制点的选择，控制方式的选择经过多年实践运行，被证明是安全可靠的，是可以满足工艺要求的。
一 控制点
1 被调参数的选择
被调参数的选择是自动控制系统设计的核心部分，它直接影响调节质量，是装置稳定运行的保证。结合多年的压力电解槽开发实践，确定如下被调参数：槽压调节、循环碱温调节、氢氧分离器液位调节系统。
1. 1 槽压调节系统
操作压力是装置的主要被调参数，必须设置调节系统，使其维持在恒定值。选用氧气压力为被调参数，氧气流量为调节参数，采用压力变送器，调节仪和气动薄膜调节阀构成单回路调节系统。变送器取压点设在氧分离器顶部，调节阀安装在氧气出口管道上。调节仪为比例、积分、微分式（正作用），调节阀为气开式。
1. 2 循环碱温调节系统
电解槽温度也是装置的一个重要参数。实践证明，在气体产量，环境温度和碱液循环量固定的情况下，槽温和循环碱温有一个恒定的差值，因此可以利用调节循环碱温来达到调节槽温的目的。
温度变送器安装在循环碱液管道上，其输出信号送到调节仪，调节仪输出控制安装在冷却水管道上的调节阀，调节仪为比例、积分式（反作用），调节阀为气闭式。
1. 3 氢分离器液位调节系统
在电解过程中，原料水不断消耗，使氢氧分离器液位不断下降，因此需要通过补水泵补充原料水，而使液位维持在适当的高度。本系统是一个双位调节系统，氢分离器液位由差压变送器测量，并通过联锁电路控制补水泵的开停，从而使液位维持在一定的范围内。
1. 4 氧分离器液位调节系统
本系统的任务是控制分离器液位，使氧分离器液位与氢分离器液位高度相同。氧分离器液位由差压变送器测量。差压变送器、调节仪和调节阀（安装在氢气出口管道上）组成单回路调节系统。调节仪采用外给定，以氢液位变送器的输出信号作为调节阀的外给定信号，调节仪为比例、积分、微分式（正作用），调节阀为气开式。
2 检测系统
氢槽温、氧槽温、循环碱温、氢气纯度、氧气纯度、等参数在控制柜上进行显示；操作压力、氢液位、氧液位等参数除在控制柜设有显示仪表外，在现场还直接进行显示。氢气温、氧气温、氢侧碱液循环量、氧侧碱液循环量等参数均为现场直接显示。
3 声光报警系统
电解槽工作压力上限，氧槽温超高，氢氧液位上、下限，氢氧侧碱液循环量下限，气源压力下限，氢气纯度下限，氧纯度下限等参数均设有声光报警。
4 联锁系统
槽压超高，氧槽温超高，氢、氧碱液循环量下限直接处于联锁状态，而氢液位上、下限，氧液位上、下限在装置开始运行时处于联锁消除状态，在装置正常运行后处于联锁状态，均直接联锁整流柜。
槽压超高，氢、氧液位上、下限，氧槽温超高，氢、氧碱液循环量下限，整流柜故障均联锁补水泵停止加水。
二 控制方式
1 气动控制系统
早期的水电解控制系统采用气动控制方式，变送器和调节器采用气动单元组合仪表；报警和联锁部分采用继电器。由于一次仪表和二次仪表折线距离不超过50米，气动管线较短，所以响应速度可以满足控制要求。价格便宜，没有防爆问题，安全性好。但现在订货已很少。现在气动控制系统的报警和联锁部分一般采用可编程序控制器代替继电器
2 电III 型控制系统
变送器和调节器采用电III 型仪表，仪表间的联络信号为4-20mA 。由于使用本质安全型仪表，所以安全上没有问题。精度一般为0.5%，比气动仪表要高，气动仪表为1%。 3 PLC控制系统
PLC 是英文PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER(可编程序控制器) 的缩写。它是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。它连续检测输入设备（如开关、变送器等）的状态，根据用户的程序控制输出设备（如泵、调节阀等）。修改控制逻辑时不需增加硬件和重新接线。为现在应用最多的控制系统，一般变送器仍采用电III 型变送器，而调节系统和报警联锁系统由PLC 完成。人机接口采用工业控制计算机或触摸屏。
对于可编程控制器有多种品牌和型号，在水电解行业用到了西门子S7-400、S7-300、S7-200系列；施奈德的Quantum 系列；罗克韦尔公司的ControlLogix 系列；通用电气90-70、90-30系列。对于PLC 控制系统来讲，并不是越高级越好，控制系统越高级，价格也就越高。不同的型号，应用的场合是不一样的。以西门子PLC 为例，对于S7-400系列，当需要CPU 冗余时才用到，而现在CPU 出问题的可能性很小，只有在对于控制系统稳定性要求极其严格的情况下才使用。而对于水电解制氢系统，当要求连续不间断供氢时，可以通过工艺流程的设置，而不是升级PLC 控制系统来实现，升级PLC 成本太高。笔者认为S7-300系列足以满足控制要求。
在制氢设备的控制系统里，电厂氢站的要求是最高的，5-10m3/h制氢和干燥一体化设备。一般都是PLC 控制，所有现场变送器选用进口，PLC 控制系统CPU 冗余、电源冗余、通讯冗余。一键开车，即按下开车按钮，设备自动充氮置换、升温、升压、气体纯度合格后，自动向储罐充氢。两个CPU 各有自己的以太网模版，有不同的IP 地址，通过交换机、光纤将参数传输到几百米，甚至上千米外的集控室。
远程控制软件有多种，在制氢行业也有应用。我们一般用PCanywhere 。在现场用于控制的计算机上安装上PCanywhere 作为被控端，在我们的笔记本电脑上安装好PCanywhere 主控端，两台电脑通过调制解调器用电话线连接起来，在我们的笔记本电脑上可以看到远控端电
脑的桌面，可以用笔记本的鼠标来操作远控端电脑，就像你坐在远控端电脑旁，利用此方法，我们可以上传和下载PLC 程序，远程监视设备运行参数。这样可以迅速判断故障原因，坐在办公室内就可以对现场程序进行修改。
4 DCS控制系统
DCS 为分布式控制系统的英文缩写，主要应用在控制规模很大的系统。DCS 控制系统应用制氢行业较少，用户主要集中在石化行业和电厂。石化厂一般都有DCS 控制系统，在制氢设备的控制上，有的厂家仅要求制氢设备带一次仪表，所有信号进入用户的DCS 系统，而设备的控制由制氢设备厂家提出控制要求，提供逻辑图。由设备制造厂和DCS 编程人员共同完成设备的调试工作。对于电厂，发电机组的控制都是由DCS 系统完成的，而氢站是电厂的辅助系统，一般用普通PLC 进行控制，而现在有的也用单独的DCS 控制。 5 现场总线控制系统
现场总线(Fieldbus)是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。传统的现场级自动化监控系统采用一对一所谓I/O接线方式，传输的是4-20mA 或24VDC 信号。现场总线使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级自动化监控系统。现场总线系统有它自己的优势，但由于是一种新兴的技术，在水电解制氢领域还未大规模使用。