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电解制氢系统自动控制及联锁保护分析优化

  • 投稿仁言
  • 更新时间2015-09-29
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王晓智

(广东大唐国际潮州发电有限责任公司,广东 潮州 515723)

摘要:电解制氢系统的安全稳定运行,对人身安全、设备可靠及发电机组安全经济运行都有重要意义。现对电解制氢系统自动控制和联锁保护进行分析和研究,并针对潮州电厂电解制氢系统进行了一系列的优化和治理,提高了系统的安全性和稳定性。

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关键词 :电解制氢系统;自动控制;联锁保护

0引言

电解制氢系统在发电厂用于给发电机组提供合格的氢气,作为发电机组运行时的冷却介质,氢气品质是氢冷发电机组安全经济运行的重要基础[1],必须在电解制氢时将氢气纯度、湿度、温度、压力等参数控制在合格范围内,否则可能会导致发电机超温、定子线圈短路等严重故障,甚至引发爆炸、火灾等恶性事故。可见电解制氢系统安全稳定运行的重要性不言而喻,因而对系统的自动控制及联锁保护进行分析和优化十分必要。

电解制氢系统自动控制及联锁保护设计原则是根据实际工艺流程和规范,设置参数检测、程序控制、实时调节、参数调整、超限报警、联锁保护、远程监控等功能,对系统启动、升温升压、产氢、碱液循环、冷却、氢气充罐、机组补氢、停运等全过程进行实时控制,以保证整套系统的安全、稳定、经济运行。

1氢氧混合浓度控制

氢气是易燃易爆气体,与氧气混合达到一定比例时,一旦遇到明火甚至只是微小的触发能量,如开关分合、端子虚接、金属摩擦碰撞等情况下产生的火花,即可发生强烈的化学反应,极易引发火灾、爆炸等恶性事故。因此,在电解制氢的全过程中对氢、氧混合浓度的实时监测及程控保护是很重要的。

在电解制氢系统的氢、氧两侧分别安装氢中氧含量(或氢纯度)、氧中氢含量(或氧纯度)在线分析仪[2],对氢、氧气体的混合浓度进行实时自动监测,同时将仪表输出的4~20 mA测量信号经安全栅隔离后接入程控系统,通过逻辑组态实现对氢氧气体混合浓度的超限判定和联锁保护,并将数据上传至上位机实现远程监控,使运行人员实时掌握氢、氧气体浓度情况,且根据需要调整运行参数。

潮州电厂电解制氢系统原设计为:氢中氧浓度数值大于1%时报警,大于2%时氢气侧排空;氧中氢浓度数值大于1%时报警,但未设置联锁保护。报警及联锁的定值均较高,且氧中氢浓度只做报警而未设置相应联锁保护,存在一定的安全隐患。为进一步增强安全性和可靠性,考虑对此联锁保护进行优化,现已将联锁定值降低,并增设氧中氢浓度联锁逻辑。制氢设备启动后,氢中氧大于0.2%或氧中氢大于0.85%时立即报警并触发系统排空。同时引入运行员确认机制,在运行操作站上位机的制氢系统监控画面上增加氢气“充罐确认”按钮,运行员对现场进行检查确认后,点击“充罐确认”按钮进行氢气充罐,当运行员发现任何异常情况未点击“充罐确认”按钮时,则氢气排空阀保持常开状态使氢气排空,确保系统安全。

2氢、氧侧液位差(差压)控制

电解制氢系统正常工作时,电解槽内的电解液持续电解,分别在两极区域产生氢气和氧气,两侧气体的产量不同,使得氢分离器和氧分离器内的气体压力出现压力差,从而使氢、氧两个分离器出现液位差,程控系统需要将这个差值控制在很小的幅度内[2],使差压波动尽量平缓,以保证电解系统安全稳定运行。

分别对氢、氧两个分离器安装液位测点,变送器输出4~20 mA信号经安全栅隔离后送至程控系统,在逻辑组态中对氢、氧液位进行比较算出液位差,利用PID模块进行过程调节,输出调节阀开度指令,由比例电磁阀将4~20 mA信号转换成对应的压缩空气压力,最终驱动调节阀进行实时调节,使氢、氧两个分离器的液位维持在设定液位范围。

电压转换模块为比例电磁阀提供稳定的直流24 V电源,其出现的电压扰动、接地不良等也是造成氢、氧液位及槽压波动异常的一个重要原因。潮州电厂电解制氢系统原设计比例电磁阀配置的开关电源稳定性较差,且端子间距过小,很容易引起短路等危险情况的发生。现已对每个比例电磁阀独立配置了电压稳定、接地良好、可靠性高的电源模块,保证了电源系统的可靠运行。

调节系统的各个环节均可能影响调节品质的好坏,需要根据现场的实际情况分析各个环节的干扰因素,最大程度地提高调节品质。潮州电厂电解制氢系统氢、氧侧两个气动调节阀均为针型阀,阀针经过长期运行后会出现一定磨损,造成阀体内漏增大,阀门特性曲线改变。从电解制氢系统实际运行的经验来看,这对氢氧液位、槽压调节影响很大,会明显出现差压和槽压波动幅度增大的现象,因此必须注意分析和掌握调节阀阀针的磨损老化趋势,保证调节阀特性稳定。同时,压缩空气的质量也需得到保证,应在气源母管处加装合适的气体过滤装置,尽可能避免杂质进入比例电磁阀或气动调节阀内部阀芯。

3槽压控制

氧槽压反映出电解槽氧气侧压力,实际上,氧槽压与氢氧差压是紧密相关的,氢、氧两侧的两个调节阀分别设置于两个调节回路中,氢侧调节阀用于调节氢、氧侧液位差(差压),氧侧调节阀用于调节氧槽压,这两个调节回路之间存在很强的耦合性。也就是说,氢、氧两侧的槽压是高度相关和一致的,氧槽压同时也反映出电解槽氢侧的压力,通过氧槽压可以掌握整个电解槽的压力状况。通过设置氧槽压力高联锁跳闸电解槽的保护,可以有效防止因内部压力过大造成电解槽设备损坏甚至爆炸等严重后果。

潮州电厂电解制氢系统原氧槽压力高(压力开关)联锁通过电气硬回路直接跳闸A、B列制氢设备,而在逻辑中只缓慢减小调节电压。控制策略不一致,不利于系统安全稳定运行。现已将氧槽压力高(压力开关)联锁在电气硬回路和逻辑中均跳闸A、B列制氢设备,通过控制逻辑和电气硬回路两种不同原理的回路实现联锁保护,减小了保护拒动的概率,提高了系统安全程度。

4冷却水压力控制

冷却水压力低会导致冷却水量不足,使得电解产生的热量不能及时被交换带走,从而造成系统超温引发危险,因此需要对电解槽冷却水压力进行自动调节[2],同时设置相应的联锁保护。

潮州电厂电解制氢系统原冷却水设置的逻辑为:闭冷水泵A运行且闭冷水泵出口母管压力低延时10 s联启闭冷水泵B,而闭冷水泵出口母管压力低无延时跳闸A、B列制氢设备。逻辑顺序不合理,现已对此控制逻辑进行优化:闭冷水泵A运行且闭冷水泵出口母管压力低延时10 s联启闭冷水泵B,闭冷水泵出口母管压力低延时20 s跳闸A、B列制氢设备。既防止了冷却水量低可能导致的设备超温危险,同时也放宽了冷却水压力低联锁跳闸制氢设备的时间限制,避免了不必要的设备跳闸,保证了系统运行的可靠性。

5其他主要保护

除上述自动控制和联锁保护外,电解制氢系统还应当根据具体工艺情况设置一些其他的自动控制策略,尽可能提高系统的安全性、稳定性和经济性。

设置整流电流控制,自动调节电解槽整流电流数值;设置整流柜故障保护,整流环节故障时触发联锁条件停运制氢系统;设置氢管压力控制,实时监控电解装置出口氢气管路压力状态[2];设置氢气自动充罐程序,依据各氢储罐压力和充罐顺序,自动完成储罐充氢;设置机组自动补氢程序,根据机组端氢气压力自动完成机组补氢;设置氢、氧液位保护,防止氢、氧单侧液位过高或过低引发氢、氧侧压力差过大而导致氢气和氧气混合浓度过大;设置氢、氧槽温保护,防止电解槽氢、氧侧超温引发危险;设置气源压力保护,防止仪用气源压力过低引发就地执行机构动作缓慢或拒动而导致的异常风险;设置补水控制,电解槽液位低于设定值时自动触发电磁阀给系统补水;设置漏氢检测装置,室内氢气浓度超标时联锁启动排风机[2]。

也可以尝试引入一些新的控制策略和概念,如专家知识库辨识系统[3]、工业4.0概念、互联网大数据应用等,进一步提高电解制氢系统的工业自动化水平。

6结论

制氢系统热控设备的安全性、可靠性及系统运行的稳定性,对人身安全、设备可靠以及发电机组的正常运行都有着重要意义。本文在对潮州电厂电解制氢系统自动控制和联锁保护策略进行分析和研究的基础上,对系统进行了一系列的优化和治理,提高了系统的可靠性,确保了电解制氢系统安全稳定运行。

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参考文献

[1]刘勇.氢气品质对氢冷发电机运行的影响[J].科技视界,2013(24):253,301.

[2]GB50177—2005氢气站设计规范[S].

[3]王超.制氢站全程自动控制系统的研究与应用[J].重庆电力高等专科学校学报,2010,15(3):1-3.

收稿日期:2015-08-04

作者简介:王晓智(1981—),男,河南洛阳人,工程师,从事电厂热工控制技术管理工作。