甲醇重整制氫反應器測控系統設計

深圳信息職業技術學院　陳慧群　胡吉良

根據用戶的需要，通過進一步的后處理，可以通過先進的甲醇蒸汽重整技術獲得氫氣。然而這是一個復雜的催化反應過程[1-2]。長期以來，重整制氫化學反應主要以化學、化工、熱能、生化、綠色能源等學科領域的科研人員為主，研究方向集中在催化劑、載體、工藝、實驗等方面。對重整制氫化學反應過程中各種物理量的檢測和控制研究極少涉足，研究過程中所需要的的各種物理量的測控數據基本上也是憑經驗值或手動粗略調節獲得[3-5]。很顯然，這些做法及不規范也不科學，嚴重制約了甲醇重整制氫技術在工業生產中的普遍推廣和廣泛采用。經驗值與實際值總會有誤差；不管操作人員的技術和熟練程度有多高，手動調控準確度總是很難把握的[6-8]。因此，研究微反應器測控系統設計是在實際應用甲醇重整制氫技術中亟需解決的核心技術問題。

由于化學反應情況的不確定性（化學反應在不同條件下比如溫度、工況、催化劑活性、空氣含量等參數差異呈現不同結果）。微反應器系統溫度、壓力、水醇蒸汽流量和氣體濃度等物理量檢測與控制較難，由于系統相當復雜，既無規律可尋，又變化莫測，這些都為檢測和控制帶來了巨大的挑戰和困難，從系統控制學科的角度來看，甲醇重整制氫反應系統完全是一個多變量的參變輸入、結果多輸出的非線性復雜系統[9-11]。類似一個黑閘子，只能依靠有限的輸出信息對其實施有效控制[12]。

而且，現代氫燃料電池技術對電池陽極輸入端有要求，該端氣體壓力不宜浮動較大，因為過頻的大幅度調動會影響到電池使用壽命[13-14]。鑒于此，產氫端需要保證供氫平穩有序，從檢測和控制角度看，也希望微反應器催化反應的動態過程中產氫平穩有序。這些約束條件在一定程度上也增加了自動測控的難度。

本文設計一種具有參數自適應能力的甲醇重整制氫反應器測控系統可解決以上這些問題。甲醇重整制氫反應器控制系統是燃料電池和其他現場重整制氫（移動氫源）的核心模塊系統，本研究潛在的技術可以推廣應用到一般的醇類和其他碳氫液態燃料重整制氫反應器中。

1　反應器測控系統總體方案設計

根據微反應器整體系統工作原理及內部溫度、壓力、流量、液位、電磁閥通斷控制要求，整個反應器測控系統包括以下子模塊：溫度控制模塊、流量控制模塊、液位檢測模塊、壓力檢測模塊及中央控制部分：如計算機顯示、處理、存儲等軟硬件。甲醇現場重整制氫反應測控系統總體結構圖如圖1所示。

圖1　甲醇現場重整制氫反應測控系統總體結構圖

1.1　溫度控制模塊

通過采用熱電偶對蒸發器和反應器的內部溫度進行測量，熱電偶信號經過調理之后經數據采集卡模擬輸入通道輸入到上位機并在測控軟件中實時顯示。同時，軟件控制部分按照溫度設定值和當前值的差值運算得到對應脈沖寬度調制技術（PWM）控制信號的占空比，并通過數據采集卡數字輸出通道輸出該PWM信號用來控制固態繼電器的通斷，繼而可通過固態繼電器的通斷控制電加熱棒的實際功率。

1.2　流量控制模塊

該模塊包括還原氣體流量質量控制和液體燃料流量控制。氣體流量質量控制采取軟件控制流量控制器的方式來實現。計算機通過RS485串口總線與流量控制器進行實時通訊，它根據流量的設定值把控制信號實時傳輸給流量質量控制器從而控制閥門的開口大小，實現流量的有效控制目的。重整反應所需的液體燃料采取注射泵供給方式。基本思路是將步進電機的旋轉運動通過絲桿傳動直接轉為直線平動。電腦控制中心與注射泵通過串行總線進行通訊和信息交換。信號經過內部電路數字轉化后驅動步進電機轉動，繼而實現液體流量平穩、小流量的持續供給。

1.3　壓力檢測模塊

該模塊用于重整反應進行過程中實時壓力監測，確保重整反應安全有序進行。由于醇類（包括其他碳氫液態燃料）重整制氫反應的進行過程對壓力沒有特別的要求，在常壓下即可進行，因此，無需對反應器中的壓力進行控制。僅需對壓力進行實時監測，一旦壓力值超過安全值，就發出警報，并強制終止重整反應進行。

綜上，整個控制系統的核心就是計算機及測控軟件。系統中各個狀態物理量，包括溫度、流量及壓力都通過相應的總線傳輸到計算機，再借助電腦上安裝的測控軟件進行有效的分析和及時處理，包括顯示、存儲、運算等，處理的結果又實時傳輸到對應的執行模塊，對它們進行控制。在該過程中，計算機、測控軟件和數據采集卡等構成了一個以計算機為核心的虛擬儀器，該虛擬儀器實時顯示了重整反應時的溫度、壓力和流量等狀態量信息，并且在反應過程中有效、穩定地控制了溫度、流量這兩個狀態量。

圖2　硬件配置圖

2　主控硬件配置與功能

甲醇制氫控制系統采用PLC可編程控制模式，上位機采用高性能的PC，下位機控制系統的核心是西門子PLC用來測量現場溫度、壓力、流量和電磁閥的開關控制。同時，PID控制器獨立控制壓力調節閥。帶有RS-232接口的PLC可直接連接個人計算機串口。本文采用了兩種通信標準：RS-232和RS-485[15,16]，RS-232連接硬件和軟件，RS-485負責遠程數據傳輸。通過RS-232／RS-485，信號可以轉換。RS-485是一種工業協議，抗干擾能力強，傳輸距離高達1200米，在線要求低，因此，通過RS-485協議，PLC和控制室的計算機可以連接。該系統可對溫度、壓力、流量、液位等參數進行測量和控制。同時，還可以實現電磁閥的啟閉控制和調節控制。實現對運行狀態的實時監控，設置PID智能儀表和PLC控制器參數，包括各種參數記錄、打印歷史趨勢記錄、異常報警鏈。具體配置如圖2所示。

數據采集設備選用USB-6259 BNC多功能數據采集卡。該數據采集卡可以進行8個測試量程的設置，最大量程區域為-10V～10V,最小量程區域為-100mV～100mV。板卡自帶定時時鐘，可同時進行16路以上的模擬信號數據采集，完全可滿足溫度、壓力等各種信號數據采集的需求。同時采集卡還提供了48路I/O通道，且兼容TTL邏輯電平，可控制固態繼電器通斷。

3　各種信號測控通道設計

3.1　溫度信號測控通道

采用熱電偶測量甲醇重整部分的溫度，包括以下幾點：換熱管反應器出口溫度、進出口溫度、催化劑溫度、換熱器殼程出口溫度。熱電偶輸出4-20mA信號、擴展模塊EM231進行模擬量的輸入，然后顯示到組態王用戶面板。“組態王”通過通信協議使信號轉換成數字溫度。采用數字輸出型的K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6672，如圖3及圖4所示。

圖3　MAX6672芯片圖示

圖4　MAX6672芯片各引腳功能圖示

3.2　流量信號測控通道

利用金屬轉子流量計測量甲醇-水蒸汽流量和甲醇重整凈化空氣的流量，然后將流量傳感器測量輸出信號接入EM231輸入和發送數據到PC，“組態王”提供的設施用于流量數值顯示、監測和數據記錄。本文水醇液體流量的測控采取水泵流量與玻璃轉子流量計控制組合的方式。轉子流量計可實現液體流量的精確檢測，通過PWM（脈沖寬度調制）方式控制水泵電壓來實現流量的大小調節目的[17]。

3.3　液位信號測控通道

通過差壓變送器測量水洗滌器液位，測量值顯示，4-20mA的直流輸入，擴展模塊EM231進行模擬量的輸入，測量值和上下限值將被計算，如果給定值大于上限值，差壓變送器將輸出“開”信號對水洗滌器電磁閥閥門直到測量值低于下限，輸出“關”信號，然后關閉，水洗滌器的電磁閥保持液位平衡。具體配置參見圖5。

圖5　液位控制功能圖

圖6　壓力測控功能圖

3.4　壓力信號測控通道

在壓力變送器、吸附塔、氣化過熱器和微反應器壓力信號轉換成電流信號（該信號是4-20毫安，PLC模擬量輸入模塊的日志）后。通過將量程轉換成實際壓力，將數據通過獨立模塊轉換成實數。同時，輸入甲醇重整氣罐的PID儀表信號輸入端的壓力信號，計算設定值和測量值，然后把計算結果轉換成4-20mA的直流電輸入到電子變流器中，該變流器可將結果轉換為0.2-1.0kPa壓力信號來調節控制閥的開度，實現對緩沖罐的壓力閉環調節，其目的是控制系統壓力，如圖6所示。

4　小結

PLC具有進一步優化甲醇重整制氫控制系統優點，設備的成本下降，操作更加穩定，維護越來越簡單，從而降低了投資和生產成本，有利于我國中小企業的發展，并獲得巨大的經濟效益和社會效益，所以這技術可被廣泛應用于工業生產。本文針對在變負荷的過程中依然保持輸入量之間的最佳混合比將造成重整溫度出現無規律的波動的技術缺陷，采用數字輸出型的K型熱電偶信號處理集成芯片線性化處理以及模數轉換來設計溫度信號測控通道；針對反應器中傳統流量檢測不夠精確、物料總流量控制不穩定的問題，設計了水泵流量與玻璃轉子流量計控制相結合的流量信號測控通道；針對系統安全保障性問題，設計了H2/CO測漏電路（氣體流量濃度檢測）來確保系統內結構的安全可靠。本文串行通訊采用RS485串行接口，可實現數據的海量存儲、分析和集成測控。甲醇重整制氫反應器控制系統是燃料電池和其他現場重整制氫（移動氫源）的核心模塊系統，本文潛在的技術可以推廣應用到一般的醇類和其他碳氫液態燃料重整制氫反應器中。

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