氫氮自動加氫及混合配比裝置

侯秋華

摘 要：介紹了氫氮自動加氫和氫氮混合配比同時自動進行，設(shè)備主要配置，PID調(diào)節(jié)等;

關(guān)鍵詞：自動混合，自動配比，PID調(diào)節(jié)

1、 概述

采用變壓吸附氮氣提純技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以直接獲取99.999%的高純度氮氣，但是，由于產(chǎn)品氮氣純度指標太高，致使氮氣回收率很低、運行成本高和能耗大，同時設(shè)備一次性投資高，在經(jīng)濟上的實用性不大合理，一般不推薦使用。因此想要獲得高純度氮氣，普遍還是采用將普通氮氣進行純化處理，此種方式既經(jīng)濟又實用。

目前氮氣脫氧提純有兩種較為常見的方式：加碳純化和加氫純化，兩種都是通過化學方式脫氧。

加碳純化： 在一定溫度下，氮氣中的余氧與碳催化劑發(fā)生氧化反應，生成二氧化碳，化學反應式：C+02=C02，使氮氣中氧含量5ppm，再經(jīng)變壓吸附工藝除去C02及水份，再經(jīng)精過濾器除去氮氣中的顆粒雜質(zhì)，得到99.9995%純度以上的氮氣。加碳純化裝置系統(tǒng)為燃燒型氮氣純化裝置，催化劑為耗材型，系統(tǒng)累計運行一段時間后需添加吸氧劑催化物，其的特點為無需配備氫氣源及出口氮氣中不含氫，該系統(tǒng)裝置需按氮氣產(chǎn)量的1.12倍配置原料氮氣，原料氮氣的純度一般為≥99.9%。

加氫純化：將氫氣通入普氮中經(jīng)靜態(tài)混合后進入熱交換器，利用除氧塔出口熱量預熱入口氣，然后進入裝有高效加氫脫氧催化劑的脫氧塔，普氮中的氧雜質(zhì)與氫氣發(fā)生化學反應生成水被除去，同時放出大量熱量，1%含氧量發(fā)生反應時放熱大約可形成200℃溫度，接著經(jīng)過熱交換器，再進入干燥過濾裝置脫除水、二氧化碳及塵粒等雜質(zhì)，從而獲得高純氮氣，為保證高純度氮氣中殘氧量≤1ppm。

加氫純化前面的普氮純度一般在98%以上就可以了，而加碳純化則要求普氮純度在99.9%以上，而且加氫純化提純后氮氣中殘氧量≤1ppm;加碳純化提純后氮氣中殘氧量一般要≤3ppm.

但是加氫純化一般情況下加入氫氣量都要有一定的富余量（過氫量），因為加氫純化系統(tǒng)加氫控制存在著以下不穩(wěn)定因素：

1）加氫純化系統(tǒng)隨著用氣工藝變化而出口氣體流量會變化;

2）普通氮氣入口氧含量分析儀、普通氮氣入口流量計、加氫質(zhì)量流量計存在著誤差，均按照設(shè)計值進行，沒有反饋過程，因此加氫量不準確。

由于上述原因，導致出口氣體（氮氣）氫含量過高，影響出口氣體（氮氣）的純凈度。而傳統(tǒng)的手動配氣裝置已經(jīng)達不到后續(xù)用氣的純度、流量和壓力等技術(shù)指標，靈活性顯然也達不到用氣的要求。自動配比裝置應運而生，然而目前氣體行業(yè)中使用控制方式也是傳統(tǒng)的模糊控制方式，目前市場上多數(shù)的工業(yè)調(diào)節(jié)器滿足不了配氣系統(tǒng)中的精度要求。氫氮自動加氫及混合配比裝置采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線形校正表格，測量精度高達0.2級;采用先進的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格;關(guān)鍵是采用了先進的自整定PID算法，不但解決了自動加氫純化氫含量問題 同時又解決了氮氣和氫氣一定配比問題。

2、 解決方案

2.1 氫氮自動加氫及混合配比裝置PID控制算法。PID即是Proportion（比例）、Intergral（積分）和Differential（微分）的簡稱，PID的控制規(guī)律即是指控制器的輸出信號是由輸入偏差按比例、積分和微分的數(shù)字關(guān)系組合成的函數(shù)。PID的控制規(guī)律形式如下所示：

其中kp為比例系數(shù);T1為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù);u（k）為采樣時刻k時的輸出值;e（k）為采樣k的偏差值;e（k-1）為采樣時刻k-1時的偏差值。

PID調(diào)節(jié)是比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)三種作用的綜合，它的比例作用能使偏差較快地得到校正;積分作用能最終消除余差，而微分作用在有偏差時出現(xiàn)時，能立刻產(chǎn)生幅度的校正偏差的作用，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了調(diào)節(jié)效率和精度。盡管普通的PID調(diào)節(jié)相對手動調(diào)節(jié)和位式調(diào)節(jié)其精度已有明顯的提高，波動已大大減少，但普通PID控制不適用于大時間滯后的控制對象以及參數(shù)變化較大的控制對象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其根據(jù)滯后時間和偏差大小選擇P、I、D值并有效地使用PI、PD或PID控制，這種方式有效地縮短了滯后時間和提高精度。

2.2氫氮自動加氫及混合配比裝置由N2管道、H2管道、H2+N2管道、混合器、截止閥、流量計、壓力表、分析儀、質(zhì)量流量控制器、PID調(diào)節(jié)器和電控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工藝流程圖如圖所示：

2.3 N2、H2進入混合罐混合后由出口處取樣經(jīng)ME分析儀中傳感器采樣顯示氮氣純度和H2含量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流模擬量傳送給PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器中微處理器分析處理后輸4-20mA電流傳送給質(zhì)量流量計控制電動調(diào)節(jié)閥控制H2的流量，從而控制混合氣中氫氣含量。

氫氮自動加氫及混合配比裝置原理簡圖：

4N2、H2+N2進入混合罐混合后由出口處取樣經(jīng)氫分析儀中傳感器采樣顯示純度并把純度采樣模擬量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流模擬量傳送給PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器中微處理器分析處理后輸4-20mA電流傳送給電動調(diào)節(jié)閥控制電動調(diào)節(jié)閥控制H2+N2的流量，從而控制混合氣中氫氣混合比例的目的。自動控制電氣系統(tǒng)電氣原理圖如圖：

PID設(shè)定值為15%，偏差用E來表示，β=1-2%，ε=0.2%;

當純度在a 以下時，即E〈-1時，閥門全開，不需要進行PID控制;

當純度在ab之間時，即-1〈E〈-0.2時，用PD控制，這是因為在一般PID控制中，當閥門有大幅度的改變時，由于此時偏差較大，以及閥門有機械慣性和氫分析儀有采樣滯后性，故在積分項作用下，往往產(chǎn)生較大超調(diào)和長時間波動;

當純度在bc之間變化時，即|E|〈0.2時，用PID調(diào)節(jié)控制;

當純度在ce之間時，閥門開度減小;

當純度在ef之間時，又回到PID調(diào)節(jié)控制;

當純度在fg之間時，回到PD調(diào)節(jié)控制。

經(jīng)過三個整定周期，純度會穩(wěn)定在15±0.2%。根據(jù)實際調(diào)試記錄，AI型PID調(diào)節(jié)器完全能夠滿足系統(tǒng)控制精度控制要求。

3、主要儀器儀表：

4、結(jié)束語

制氮機的氮氣純化裝置主要優(yōu)點：

1、安全、可靠，常溫條件下產(chǎn)生低壓氮氣，從而規(guī)避了由高壓罐以及低溫液氮罐帶來的潛在安全風險，氮氣純化裝置可以連續(xù)24小時工作提供源源不斷的氮氣，且無需人值守;緊湊的設(shè)計、靈活的配置，純化裝置體積緊湊，節(jié)省實驗室空間;可以根據(jù)用戶的氣體需求，靈活的配置各模塊組成;維護簡單、快捷，直接從前面板進行維護;能量節(jié)約模式，無氮氣需求時自動進入待機模式;經(jīng)濟效益高，快速收回投資成本，安裝維護簡單。

2、氫氮自動加氫及混合配比裝置兼容熱電偶、熱電阻、線形電壓、線形電流和線形電阻等規(guī)格的輸入;測量范圍寬、精度高、溫度漂移小、響應時間短;輸出規(guī)格包括了繼電器觸點開關(guān)輸出、可控硅無觸點開關(guān)輸出，SSR電壓輸出、可控硅觸發(fā)輸出和線形電流輸出。儀表硬件采用了先進的模塊化設(shè)計，具備5個功能模塊插座：輔助輸入（MIO）、主輸出（OUTP）、報警（ALM）、輔助輸出（AUX）及通訊（COMM）模塊。如果需要報警系統(tǒng)還可選擇一路報警或兩路報警模塊。

氫氮自動加氫及混合配比裝置具有豐富的參數(shù)來定義儀表的輸入、輸出、報警、通訊及控制方式。關(guān)系到系統(tǒng)正常使用的輸入?yún)?shù)務必提前設(shè)置好，輸入規(guī)格SN設(shè)置為15（4-20mA輸入）;輸出規(guī)格OPT設(shè)置為4（4-20mA線形電流輸出）;控制方式設(shè)置為1，采用PID調(diào)節(jié)，允許從面板啟動執(zhí)行自整定功能。

氫氮自動配比設(shè)備安裝就續(xù)條件具備后啟動電氣系統(tǒng)電源，先通過調(diào)節(jié)器手動調(diào)節(jié)閥門開度大小達到要求配氣的純度，調(diào)節(jié)器設(shè)定值為要求值（比如15%），等純度穩(wěn)定后從調(diào)節(jié)器面板上啟動自整定功能，顯示窗口閃動AT字樣即進入自整定功能，PV顯示窗口會出現(xiàn)純度值波動，因為此時儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生振，分析其周期、幅度及波形來自動計算出M5、P、t等控制參數(shù)，經(jīng)2-3次振蕩（大概需要20-30分鐘）后顯示器停止閃動“AT”字樣，自整定結(jié)束。此時系統(tǒng)已經(jīng)處于正常工作的狀態(tài)，如果純度有波動可適當手動調(diào)節(jié)M5、P、t參數(shù)。M5是保持參數(shù)，與PID調(diào)節(jié)的積分時間起相同的作用，其值越小，系統(tǒng)積分作用越強;其值越大，積分時間越短;P為速率參數(shù)，類似PID調(diào)節(jié)的比例帶，但變化相反，P值越大，比例、微分作用成正比增強，P值越小，比例、微分作用相應減弱;t為滯后時間，被控系統(tǒng)的滯后效應是影響控制效果的主要原因，系統(tǒng)滯后時間越大，要獲得理想的控制效果就越困難。只要選擇精度高、響應速度快的氫分析儀和電動閥門與之相適應，最后系統(tǒng)工作狀態(tài)就很理想。

參考文獻：

1 徐炳輝 主編 中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會氣動專業(yè)分會 氣動手冊

2吳中俊 黃永紅 主編 可編程序控制器原理及應用

3 柴瑞娟 陳海霞 主編 PLC編程技術(shù)及工程應用