基于PKS的制氫裝置控制系統設計與實現

孫明革　張杰

摘 要：當前在氫氣等相應氣體的制備上有著極高的要求。這主要體現在兩點上：一是制備工藝的改善；二是生產設備自控系統的高標準。而之所以會這樣，和氣體純度、控制成本以及環保等需求有著極為緊密的關聯。該文從課題研究的相關背景入手，首先闡述了PKS系統結構和變壓吸附方式，接著概括了變壓吸附制氫工藝，最后詳細分析了基于PKS的制氫裝置控制系統設計。

關鍵詞：制氫裝置 變壓吸附 控制

中圖分類號：TQ050 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0075-02

工業革命之后，科技呈現出了極為迅猛的發展。化石燃料等的大規模的耗用在推動社會高速發展及生活水平大幅度增長的同時，也造成了極為惡劣的污染乃至是能源枯竭等難題。而在眾多新型清潔能源里面，人們覺得氫能是最具可能得到普遍運用的一種。從世界范疇來看，很多國家都愈發關注氫能對化石燃料的取代，其也確實是在眾多領域里面得到了普遍運用。

1 制氫裝置控制系統的相關理論概述

1.1 PKS系統概述

Honeywell在過程控制上擁有多年的豐富的經驗，其Honeywell PKS系統在控制系統中具有相當高的優越性。其具有很強的診斷能力和決策能力，另外控制系統的獨立性也提高了系統的安全性和可靠性。通過對其的運用，工業企業能夠獲得全方位的知識體系及處理方案。該系統可以用來達成多樣化的自控需求，將收集數據以及過程控制等功能綜合在同一系統里面去，從而讓工業生產在相關性能上達到較高標準。

該系統主要是利用FTE來達成對主干網絡的調控。FTE屬于Honeywell的專利，它主要用來實現網絡調控的相應目標。在FTE隨便兩節點間構建起4條通信通道，就能夠同時達成對單故障點以及多故障點的容錯。

1.2 變壓吸附（PSA）吸附特點

利用變壓吸附的方式能夠實現對氫氣的提取。這主要是因為吸附劑具備兩大顯著特性。首先，當組份不一樣的時候，吸附能力也不一樣。其次，當吸附質氣壓增高的時候，其吸附容量也會上漲。當吸附溫度變高的時候，其吸附容量則會降低。發揮特性一的作用，能夠最先把里面的雜質吸附出來，這樣就能夠讓氫氣達到較高的純度標準。發揮特性二的作用，能夠于高壓條件中實現對吸附劑的吸附。同樣地，還能夠于低壓條件中實現對吸附劑的解吸。這樣就能夠實現吸附和再生的反復運轉，最終滿足氫氣持續提純的相應要求。

制氫變壓吸附（PSA）工藝步驟由吸附、均壓降、順放、逆放、沖洗、均壓升和終充壓等組成。具體情況如下。

（1）吸附流程主要是于高壓常溫環境中把雜質吸附出來，初步獲得產品。

（2）減壓流程主要是經由相應次數的均衡降壓來回收相應氫氣。

（3）順放流程主要是經由順向降壓來實現氣源再生。

（4）逆放流程主要是經由逆向降壓來實現部分再生。

（5）沖洗流程主要是經由沖洗降壓來實現最后再生。

（6）升壓流程主要是經由相應次數的均衡乃至是終充壓來達成吸附壓力標準，奠定好下次吸附的基礎。

2 基于PKS的制氫裝置控制系統設計與實現

2.1 變壓吸附制氫工藝

該裝置PSA制氫的工藝流程，即由12臺吸附器和一系列程控閥門組成，采用3塔同時吸附6次均壓的12塔工藝，由酸脫變換氣、深冷富氫氣以及乙二醇弛放氣組成的原料氣進入制氫工序吸附塔中。該系統中始終有3個處于吸附狀態的吸附塔，每臺吸附塔在一個循環周期內依次經歷吸附、6次均壓降、3次順向放壓、2次逆向放壓、3次沖洗、6次均壓升、終充壓等步驟。原料氣通過吸附塔吸附劑將雜質吸附，最終純度大于 99.9%的產品氫氣會從吸附器塔頂排出。經過產品氣罐儲存，通過穩壓和計量后送到下一個工序。而副產品解吸氣通過壓縮機送至全廠燃氣管網或CO變換單元循環利用。

2.2 工藝流程說明

在該工藝里面，受常溫高壓環境的影響，吸附劑能夠很快吸附出易吸附組分，而剩下的組分就會自床層外流。接著，床層吸附壓力會下降。在這個時候，之前吸附的組分就會解附，于另一側外排。經由這些流程，就能夠達成分離以及提純氣體的相應目標。在這個過程里，還能夠再生吸附劑。

然而，一般而言，在該工藝里，就算能夠把床層吸附壓降到常壓標準，也根本無法徹底解吸相應雜質。在這個時候，就算選擇兩類方式來再生吸附劑。一是經由產品氣來沖洗床層，讓該雜質分壓下降到較小標準。這樣就能夠置換無法解吸的雜質。其只要是處在常壓環境中就能夠達成目的，卻會造成產品氣的一些損失。二是經由抽真空方式強制性地解吸雜質。即真空變壓吸附。其能夠起到極強的再生成效，達到較強的收率，卻對真空泵有著很高要求，能耗也會更多。此課題項目中選用的是通過產品氣來解吸催化劑吸附的雜質，完成催化劑的再生。

2.3 變壓吸附制氫裝置控制系統的說明

變壓吸附制氫裝置選定的PKS系統用到了R410.2版本的設計軟件以及C300控制器。該控制能夠達到較佳的順序控制功能，且能實現PSA復雜邏輯調控。通過對PSA工藝的分析，明確在控制系統中，主要控制對象為吸附塔的程控閥、產品氣的緩沖罐壓力等。

2.3.1 吸附塔程控閥正常運行時序控制

該課題PSA系統有12個塔正常工作時，每個塔有10個閥門工作，按照吸附、均降、順放、逆放、沖洗、均升和終升七大部分，共60步順序執行。

2.3.2 吸附塔程控閥切塔運行時序控制

當系統中的吸附塔需要檢修或者塔上閥門出現故障時需要停止該塔運行，另外11塔正常運行，這時需要執行切塔操作，剩余11塔的時序由60步切換到55步。每個塔上的程控閥需要按照新的時序執行相應操作，被切除塔在相應的步數退出控制。

2.3.3 吸附塔程控閥加塔運行時序控制

當被切除塔故障排除后，需要將其重新投入正常運行，需要設計DCS控制程序根據各塔的壓力狀態，自動確定恢復后應進入的最佳運行步序，然后自動等待到該步序的最佳切入時機，切入新程序，讓系統波動最小。

2.3.4 壓力控制

在產品氣的壓力控制單元中，當吸附尾氣壓力降低并低于設定值時，調節閥門自動減小開度；當吸附尾氣壓力增加并高于設定值時，調節閥門自動增加開度，通過PID控制方式，控制氫氣吸附塔吸附壓力。

壓力控制在PSA的運行過程中起著至關重要的作用，若壓力控制不能正常工作，則PSA單元各吸附塔的壓力無法得到有效的控制，通過吸附得到的產品就不能達到合格標準。

3 結語

該控制系統具有操作簡單、便于維護的特點，能夠對制氫裝置進行精確的自動化控制。相關制氫企業根據該系統對現有制氫裝置進行自動化改造，可以有效提高氫氣產量與純度，降低生產成本、提高利潤，實現節能降耗的改造目的。該系統已經在煤化工項目中投入使用，運行穩定、可靠，具有推廣應用價值。

參考文獻

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