小型重力循環水電解制氫設備液位控制淺析

馬石強

(邯鄲市天海人力資源有限公司，河北 邯鄲 056107)

1 前 言

小型重力循環水電解制氫設備主要應用于氣象高空探測，氫氣的制備方式多種多樣，在我國，氣象探空設備未配備水電解制氫設備之前主要采用化學制氫的方法獲得氫氣，該方法污染嚴重、勞動強度大、危險系數高、純度低、成本高，而水電解制氫則具有綠色無污染、自動化程度高、安全可靠、氫氣純度高、成本低等優點[1]。由于探空用氫量較小，只需使用1.5 m3/h的小型重力循環水電解制氫設備即可滿足要求，該設備無需使用循環泵，單靠電解液上下密度差形成的重力循環即可滿足設備需要的循環量。小型重力循環水電解制氫設備工藝流程如圖1所示。

圖1 小型重力循環水電解制氫設備工藝流程

小型重力循環水電解制氫設備通過在電解槽內電解KOH溶液產生氫氣和氧氣，水在直流電的作用下分解成氫氣和氧氣，反應式如下：

2H2O ==2H2↑ + O2↑

由于氫氣屬于易燃易爆危險氣體，氫氣、氧氣不能混合，因此必須對液位進行有效控制，并采取保護措施，確保小型重力循環水電解制氫設備的安全運行。

2 氫、氧液位的控制原理

小型重力循環水電解制氫設備采用電磁閥的啟閉來調節氫、氧分離器液位平衡，具體控制原理如圖2所示。

圖2 液位控制原理圖

氫、氧側的差壓變送器分別測得氫分離器液位和氧分離器液位，并將差壓信號轉換成4～20 mA電流信號通過安全柵輸送至可編程PLC中進行比較。把氫分離器液位作為給定值，氧液位作為參考值，經PLC比對兩分離器液位差值大小，輸出1個直流+24 V的控制信號，經過中間繼電器后，輸出交流220 V電壓控制電磁閥啟動。

如果氫氣液位高于氧液位設置值，電磁閥關閉，氫氣產量是氧氣的兩倍，氫側分離器上部氣體壓力增大，氫液位下降；如果氫液位低于氧液位設定值，氫側電磁閥打開，釋放出多余氫氣，氫液位上升，通過氫電磁閥的啟閉達到調節氫氧液位平衡的目的。

3 小型重力循環水電解制氫設備氫氧液位波動大的故障原因

通過氫氧液位控制原理我們不難看出氫氧兩側液位變送器、PLC、安全柵、中間繼電器、電磁閥以及相關線路、管路都會影響氫氧液位的調節。

3.1 氫氧兩側變送器故障

氫氧兩側的變送器采用的是差壓表變送器，由氣路和液路兩路信號通過工程量轉化成上位機顯示的液位值，氫氧兩側液位變送器本身故障、零點量程偏移、靈敏度下降均會導致液位控制失控。若氫氧兩側液位變送器零點出現偏差，則制氫設備氫氧兩側液位會出現靜差，即兩側液位同升同降，一直存在恒定差；另外，氫氧液位變送器的氣道不能有水，如果有水則液位顯示值會偏高，并且液道不能有氣泡，如果液道進氣，會造成液位顯示偏低，所以變送器液道進氣、氣道進液都會造成液位出現靜差。若氫氧兩側液位變送器量程出現偏差，則制氫設備在運行過程中氫氧兩側液位差會產生較大波動。

3.2 PLC故障

在液位控制系統中，PLC的作用至關重要，它是接收、處理數據、發出指令的核心元器件[2]。通常它是由電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、網絡通信模塊組成。模擬量輸入模塊用來接收氫氧兩側液位變送器的模擬量數據，數字量輸出模塊用來給中間繼電器的通斷信號，如對應模塊出現故障，均會使液位控制系統無法正常工作，造成液位偏差過大。不過PLC相對故障率較低，通常是由于線路接觸不良造成數據和指令無法傳輸，從而產生液位偏差過大。

3.3 安全柵故障

若安全柵損壞，氫氧液位變送器測量的液位信號將不能準確傳輸給PLC，致使液位控制系統無法正常工作或者失控，從而導致氫氧液位波動偏差大。

3.4 中間繼電器故障

中間繼電器是PLC指令的傳達者，如果其損壞，指令將不能正常下達給電磁閥，造成電磁閥無法打開或關閉，使液位控制系統失控。

3.5 氫側電磁閥故障

氫側電磁閥是液位控制系統的最后執行機構，其開啟和關閉，控制著氫側液位的上升和下降。如果電磁閥無法打開，氫側液位會持續下降；如果電磁閥無法關閉，氫液位會持續升高。通常造成電磁閥無法正常運作的原因有：線路接觸不良，電磁閥內部堵塞，電磁閥內部密封墊和彈簧老化等。

3.6 人為過失引起

如在啟動設備時沒有將氫氣放空閥關閉，氧側分離器液位會很快下降，氫側分離器液位則會急劇增高，如不能及時關閉氫氣放空閥，氫側液位持續升高，氧側液位持續下降，可能出現因氧側液位過低導致氧氣進入氫側分離器的現象。另外如果氫側積水罐的排污閥未關閉，同樣會引起上述故障現象。

4 結束語

氫氣是一種無色、無嗅、無味的可燃氣體，其化學活性、擴散性、滲透性極強，在生產過程中應始終堅持“安全第一，預防為主”的生產方針，樹立“風險可控，事故可防”的理念，正確操作，安全可靠地制取氫氣。