王 超

(廣東粵電集團靖海發(fā)電有限公司,廣東惠來 515223)

0 引言

空氣中的氫氣含量超過 98%后,能起到良好的阻燃效果,同時氫氣具有較高的表面散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)?；谶@些特性,火力發(fā)電廠大量采用氫氣作為發(fā)電機的冷卻介質(zhì)。如何安全地制備高純度(大于 99%)的氫氣,成為火電發(fā)電過程中重要的工藝環(huán)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

1.1 工藝控制系統(tǒng)要求

本系統(tǒng)的主要目的是通過電解 KOH溶液來獲得高純度的氫氣,主要設(shè)備包括氫氣發(fā)生器和電源。本文重點針對氫氣發(fā)生器的控制進行介紹。氫氣發(fā)生器主要包括電解液、氣體控制和調(diào)節(jié)、給水、冷卻水、氫氣干燥五個子系統(tǒng)。

(1)根據(jù)各個子系統(tǒng)的控制目標,制定相應(yīng)的控制策略。電解液子系統(tǒng):保證穩(wěn)定、高品質(zhì)地給電解槽供應(yīng) KOH溶液,維持 KOH儲罐液位在安全位置,確保進入電解槽的 KOH溶液的溫度低于 66℃、KOH溶液的流量大于 3L/min;氣體控制和調(diào)節(jié)子系統(tǒng):連續(xù)對電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的壓力進行監(jiān)控,根據(jù)系統(tǒng)需求對輸入電解槽電源的電壓進行調(diào)節(jié)以維持穩(wěn)定的產(chǎn)率;給水子系統(tǒng):穩(wěn)定地對將電解需要的高純水補充至電解液系統(tǒng)中去,維持 KOH儲罐液位,同時檢測給水的水質(zhì);冷卻水子系統(tǒng):通過冷卻水調(diào)節(jié)閥控制進入電解槽的KOH溶液的溫度;氫氣干燥子系統(tǒng):通過兩套干燥系統(tǒng)的干燥和再生的切換操作,對制備出來的氫氣進行干燥。

(2)在確保各子系統(tǒng)運行的前提下,根據(jù)工藝流程實現(xiàn)系統(tǒng)的一鍵啟停,即只需要操作人員按下啟動按鈕,系統(tǒng)就根據(jù)設(shè)定的程序,依次執(zhí)行氮氣吹掃、預(yù)壓、啟動 KOH循環(huán)泵、打開冷卻水閥、電解槽上電、電解的流程。

1.2 異常事件處理的要求

安全是制氫系統(tǒng)控制策略的根基,任何設(shè)計都必須滿足安全這一基本原則。制氫過程中的危險源主要有電解過程中電解槽 KOH溶液缺失引起的干燒、進入電解槽的 KOH溶液溫度過高導(dǎo)致電解槽效用的降低、制備過程中氫氣和氧氣沒有有效分離導(dǎo)致制備出來的氫氣中氧氣含量過高引起爆炸等。

任何異常事件的發(fā)生都可以通過檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控分析來判斷,比如溫度、壓力、流量等測量值的變化超過了安全的閥值時而導(dǎo)致不安全事件的發(fā)生,此時一定要確保系統(tǒng)能安全穩(wěn)定地停止下來。

1.3 專家知識庫辨識系統(tǒng)要求

制氫系統(tǒng)不是單獨存在的,和整個電廠的生產(chǎn)過程有著緊密的聯(lián)系,機組氫氣冷卻系統(tǒng)的氫氣用量直接決定著制氫系統(tǒng)的出力,同時當(dāng)異常事件出現(xiàn)時,系統(tǒng)的檢修工作效率也決定著制氫系統(tǒng)的可用系數(shù)。為了提高系統(tǒng)的可用系數(shù),降低運行人員的操作強度,專家知識庫辨識系統(tǒng)必須到達如下三個要求:

(1)系統(tǒng)能根據(jù)機組的漏氫情況通過計算儲氫量來決定制氫系統(tǒng)啟動的時間點和運行的時間,并對運行人員進行提醒。

(2)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時,系統(tǒng)停止運行后提醒檢修人員需要對哪些部件進行檢查處理,以提高系統(tǒng)恢復(fù)的速度。

(3)系統(tǒng)運行過程中,一些參數(shù)出現(xiàn)異常時,通過系統(tǒng)辨識給運行人員一定的操作提醒,告知系統(tǒng)的危險點,實現(xiàn)系統(tǒng)的手動停運,避免極端異常情況的發(fā)生。

2 全自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計的要求,自下而上將系統(tǒng)分為信息采集層、工藝控制層、異常事件處理層、水網(wǎng)決策層、SIS決策層,如圖 1所示。

圖1 制氫系統(tǒng)構(gòu)架圖

在系統(tǒng)實施中,數(shù)據(jù)采集層、工藝控制層和異常事件處理采用 AB的 Logix500可編程序控制器來完成,同時在現(xiàn)場采用一塊 AB的 Panelview觸摸屏通過 OPC的方式與 PLC通訊對系統(tǒng)進行監(jiān)控。水網(wǎng)系統(tǒng)通過 OPC的方式直接和 PLC進行通訊將上位機擴展到水網(wǎng)控制室,設(shè)置一臺操作員站、一臺服務(wù)器,上位機采用 IFIX軟件來實現(xiàn),通過操作員站實現(xiàn)制氫站的無人值班。全廠信息系統(tǒng)通過服務(wù)器讀取制氫站的信息以及發(fā)電機組氫冷系統(tǒng)的信息進行決策和判斷。

2.1 工藝控制系統(tǒng)

2.1.1 制氫操作一鍵啟停

在就地的觸摸屏上僅設(shè)置一個“啟動/復(fù)位”按鈕,操作人員在檢查系統(tǒng)無異常后只需按下啟動按鈕,系統(tǒng)就將按照既定的程序進行,如果在產(chǎn)氫過程中出現(xiàn)異常事件,則自動停止電解過程并卸去系統(tǒng)壓力,系統(tǒng)的流程如圖 2所示。

2.1.2 子系統(tǒng)控制

整個制氫系統(tǒng)按照工藝要求正常自動運行的關(guān)鍵,在于各系統(tǒng)參數(shù)保持在一個合適安全的區(qū)間范圍,這就需要所有子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作,單獨針對每一個子系統(tǒng)的每一個關(guān)鍵參數(shù)提出可行控制策略。下面僅針對進入電解槽的 KOH的溫度控制進行說明。

圖2 制氫流程圖

電解液的溫度控制對于維持制氫過程的高效及防止電解槽過早失效很重要。過低溫度運行與過熱運行對電解槽的損害是一樣的,工藝要求進入電解槽的電解液的溫度需要維持在 63～65℃之間。由于控制的精度要求較低,所以采用脈沖型步進電動球閥,調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱器的冷卻水量來控制電解液的溫度。熱電偶把 KOH溫度信號直接送入可編程控制器,球閥采用電脈沖部分開或關(guān)來簡單地定位。可編程控制器通過溫度調(diào)節(jié)球閥在不同開度下?lián)Q熱器出口溫度對時間的特性曲線變化,確定溫度差與脈沖頻次的比例關(guān)系,進而發(fā)出不同頻次的脈沖信號來確定溫度調(diào)節(jié)閥的開度位置,并根據(jù)實際溫度的變化進行調(diào)節(jié),滿足系統(tǒng)產(chǎn)氫效率對電解槽 KOH溫度的要求。

2.2 異常事件處理

在制氫系統(tǒng)工作的任何階段,只要出現(xiàn)參數(shù)越界或者其他異常事件立即對制氫機進行自動停止電解和卸壓操作,保證制氫系統(tǒng)及整個氫站的安全。主要異常事件如表 1所示。

表1 系統(tǒng)異常事件列表

異常事件 類別 異常事件 類別電解液流量低 制氫系統(tǒng) 儲罐 4壓力高 氫氣存儲系統(tǒng)預(yù)壓低 制氫系統(tǒng) 分配盤壓力高 氫氣存儲系統(tǒng)氧中氫含量高 制氫系統(tǒng)干燥循環(huán) 制氫系統(tǒng)冷卻水壓力低 制氫系統(tǒng)微氧高 制氫系統(tǒng)露點高 制氫系統(tǒng)

2.3 專家知識庫辨識系統(tǒng)

專家知識庫辨識系統(tǒng)的功能包括異常事件停機維護策略提示和制氫機啟停操作提示兩方面,分別通過全廠信息管理系統(tǒng)(SIS)及水網(wǎng)操作員站實現(xiàn)。

異常事件停機維護策略提示主要通過一個在水網(wǎng)操作員站 IFIX中設(shè)置的異常事件推理規(guī)則來實現(xiàn),相當(dāng)于一個在實際檢修過程中不斷完善的知識庫,通過歷史事故處理結(jié)果的積累,當(dāng)某個異常事件發(fā)生時,提示出各部件的故障概率及處理方法。例如,干燥塔循環(huán)故障時,其歷史故障處理情況如表 2所示,干燥塔兩位四通閥切換不到位引起的干燥塔循環(huán)故障高達總故障次數(shù)中的 50%。在系統(tǒng)中還將根據(jù)人工錄入的各類引發(fā)故障原因的發(fā)生次數(shù),提示第一步應(yīng)該對四通閥的線路檢查,依次為孔板清理、更換電磁閥線圈、變送器校驗,直至消除故障。此種方法的優(yōu)點在于降低檢修人員的盲目性,以提高故障的修復(fù)速度。

表2 干燥塔循環(huán)故障原因次數(shù)統(tǒng)計

制氫機啟停操作提示可通過 SIS系統(tǒng)來實現(xiàn),SIS系統(tǒng)獲取制氫機產(chǎn)氫率、氫氣儲罐壓力、氫氣儲罐體積、發(fā)電機機內(nèi)氫氣壓力、發(fā)電機機內(nèi)氫氣容積等參數(shù),實時地計算出當(dāng)前的氫氣儲罐存量、機內(nèi)氫氣存量以及漏氫率,根據(jù)可手動設(shè)置的最低機內(nèi)氫氣量(需要大于系統(tǒng)最低要求)給出運行人員需要進行補氫操作的提示。同時根據(jù)產(chǎn)氫率和漏氫率的差值,結(jié)合氫氣儲罐的最低儲量等變量計算出需要在 X 1小時后啟動制氫機,并至少連續(xù)運行 X2小時。其中 X1、X2隨著系統(tǒng)漏氫率的變化實時變化。由于 SIS系統(tǒng)擁有豐富的數(shù)學(xué)計算及邏輯運算功能,所以極易編程實現(xiàn)上述功能。

3 結(jié)論

逐步減少工作人員暴露在制氫站這類危險工作環(huán)境的時間是電力生產(chǎn)的發(fā)展方向。一鍵啟停系統(tǒng)和異常停機系統(tǒng)在制氫系統(tǒng)的應(yīng)用,降低了操作人員的風(fēng)險,同時結(jié)合 SIS系統(tǒng)給出的操作提示,確保了制氫站對氫冷機組穩(wěn)定安全的氫氣供應(yīng),極大地提高了操作人員和維護人員工作效率。

[1]阮琳.大型發(fā)電機冷卻方式的發(fā)展及特點[J].電氣時代,2001,(6).

[2]張井崗.過程控制與自動化儀表[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007.