制氫站氫氣送出系統工藝及控制

陳德磊，郝 磊

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063210）

引言

國內某沿海鋼廠制氫站有3套變壓吸附制氫裝置，其送出系統尤為關鍵：既要儲存氫氣，確保變壓吸附裝置出現故障時可以短時間提供氫氣；又要調節氫氣壓力，為用戶提供壓力穩定的氫氣。一旦氫氣送出系統出現故障，將直接影響用戶生產。為確保氫氣送出系統穩定運行，對該制氫站送出系統存在的缺陷不足進行分析并改進，取得良好的效果。

1 氫氣送出系統概況

1.1 基本工藝

該制氫站送出系統包括3座氫氣球罐、5套氫氣調壓閥組、配套PLC 控制系統，附屬壓力/流量/溫度等檢測儀表，為一冷、二冷、三冷、罩退、彩涂等5 個用戶提供氫氣。見圖1。

圖1 改造前制氫送出系統

每套氫氣調壓閥組包括2 臺調節閥、閥后壓力檢測儀表、流量檢測儀表、流量壓力檢測儀表及流量溫度補正儀表。2 臺調節閥并聯運行，與閥后壓力聯鎖，用于調節送出管道壓力。

1.2 控制系統

該制氫站共3 套控制系統，控制系統采用西門子PLC 產品中S7-414H，搭配ET200M 分布式模塊組成了主體的自控系統。監控軟件采用WINCC6.0，編程軟件采用STEP7 V5.4。配有工控機3臺，2臺操作員站，1 臺工程師站。系統架構如圖2 所示，該控制系統包括電源模塊、CPU 模塊、通訊模塊、接口模塊及IO 模塊，同時PLC 控制柜還配備安全柵、繼電器、直流電源等附屬設備。

圖2 控制系統架構

控制系統監控的設備包括變壓吸附系統、壓縮機、分析儀表、管網儀表、氫氣送出系統儀表及閥門等，因建設投產日期不同，送出系統分布在制氫一步、二步PLC控制系統中，具體分配如圖3所示。

圖3 改造前送出系統分配圖

2 系統存在缺陷及不足

該制氫站3套系統立項建設隨用戶及氫氣用量增加逐步實施，并非一次建成，造成系統存在以下缺陷及不足：

（1）變壓吸附裝置及氫氣球罐至氫氣送出調節閥為一根主管道，當此主管道發生故障時，氫氣送出系統將整體停運，影響該公司冷軋系統生產運行。

（2）控制系統未統一規劃，送出系統設備分配到制氫一步及二步PLC 控制系統中。制氫一步及二步檢修時，送出系統設備并未停運，控制系統無法檢修，不利于控制系統維護。

（3）送出系統調節閥與閥后壓力聯鎖，根據閥后壓力自動調節，若閥后壓力變送器故障，調節閥將失調，直接影響用戶氫氣使用。

3 系統改進及優化

針對系統存在的缺陷及不足，該制氫站對送出系統主管道、控制系統及控制方法進行改進，具體措施如下。

3.1 送出系統主管道優化

結合制氫三步工程建設，增加一路氫氣管道，連接3套變壓吸附裝置、氫氣球罐及送出管道，與原管道互為備用，當一路管道出現故障時投入另一路管道。改造后系統如圖4所示。

圖4 改造后制氫送出系統

3.2 控制系統優化

結合制氫三步工程建設，新增一套PLC 控制系統，用于整體氫氣送出系統監控。新增PLC 控制系統為2 套西門子S7-300 系列PLC，用于分別控制送出系統調節閥及氫氣球罐，具體分配結構如圖5 所示。改造內容如下。

圖5 改造后送出系統分配圖

（1）實施調節閥、氫氣球罐2 套PLC 分列控制。改造后氫氣送出系統1#調節閥、閥后壓力及流量、1#球罐、2#球罐由1#PLC 監控，氫氣送出系統2#調節閥、補正壓力、3#球罐由2#PLC控制系統監控。

（2）對供電系統進行改造，1#PLC控制系統由制氫一步UPS 供電，2#PLC 控制系統由制氫二步UPS供電。

（3）增加信號分配器，閥后壓力、補正壓力、氫氣流量、氫氣球罐壓力同時進入2 套PLC 控制系統進行顯示。

3.3 控制方法改進

制氫送出系統調節閥根據閥后壓力進行PID 調節，按設定值自動調節閥門開度，保證用戶壓力。為了保證可靠性，設計了閥后壓力和補正壓力，兩個壓力對閥門進行控制，控制方式如下：

（1）當閥后壓力故障，補正壓力正常時，選擇補正壓力參與控制；當補正壓力故障，閥后壓力正常時，選擇閥后壓力參與控制。

（2）當閥后壓力與補正壓力同時故障或者同時為零時，閥門開度強制關到零；為保障生產安全，生產人員需進一步將閥門切換到手動模式，故障處理完成后，再投入自動。

（3）當閥后壓力正常，且補正壓力正常時，進行如下的選擇控制（具體邏輯如圖6所示）。

圖6 調節閥控制邏輯

如果閥后壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa時，判斷補正壓力是否在0.4～0.55 MPa 之間，如果是，則選擇補正壓力；如果補正壓力大于0.7 MPa 或者小于0.3 MPa 時，判斷閥后壓力是否在0.4～0.55MPa 之間，如果是，則選擇閥后壓力；其余狀態時，選擇閥后壓力，并發出報警提醒運行人員。

（4）為確保系統穩定運行，增加送出系統報警設定值，如表1。

表1 氫氣送出系統報警設定值 MPa

4 結語

對制氫送出系統進行改進，包括：增加備用氫氣主管道；新增2 套S7-300 系列PLC 控制系統；對調節閥控制方式進行優化；增加備用手段等。如此使得單套控制系統、單個儀表或者單個調節閥故障時，備用設備均能發揮作用，避免了氫氣壓力大范圍波動，提高了系統穩定性。特別是這個控制方式可適用于多套調節閥控制的氣體或者液體連續送出系統中，為控制系統設計提供了一種思路，可供借鑒。

另一方面2 套S7-300 系列PLC 控制系統直流供電系統還存在不足，安全柵及繼電器供電電源有改善空間，今后可結合檢修進行改進。