中壓水電解制氫裝置的液位控制

    摘　要　介紹中壓水電解制氫裝置的液位測量，由分離器選擇變送器的遷移，測量信號到PLC的控制通道，PLC是怎樣對采集到的液位信號進(jìn)行運(yùn)算及液位控制。
　　關(guān)鍵詞　液位　液位控制　變送器　遷移


　　中壓水電解制氫裝置是通過電解NaOH水溶液產(chǎn)生H₂和O₂，H₂和O₂分別帶著NaOH堿液進(jìn)入氫、氧分離器，在氫、氧分離器內(nèi)H₂，O₂與NaOH堿液進(jìn)行分離，分離后的堿液通過分離器底部的連通管匯合進(jìn)入過濾器。從電解水的方程式2H₂O＝2H₂＋O₂^〔4〕可以看出，電解水產(chǎn)生的H₂量是O₂的2倍，而且H₂和O₂發(fā)生混合時可能引起設(shè)備的，如果氫、氧分離器壓差過大，就可能使H₂或O₂從壓力大的分離器進(jìn)入另一個分離器（氫、氧分離器底部連通）見圖1。為此系統(tǒng)運(yùn)行時控制氫、氧分離器的液位使其基本平衡，在系統(tǒng)**上起著非常重要的作用。 1　引　言　
　

2　氫、氧分離器的液位測量

2．1　氫分離器液位測量
　　因?yàn)闅浞蛛x器是密閉容器，所以變送器測量的液體壓力除了隨液位高度變化外，還受到容器內(nèi)上部氣體壓力P_i的作用，需要將容器上部引出的氣體壓力和下面取壓點(diǎn)的壓力進(jìn)行比較，才能測出液位的高度。所以，測量密閉容器的液位，必須用差壓變送器。因?yàn)樨?fù)壓室有液體進(jìn)去，形成液柱壓力，就會產(chǎn)生假信號影響測量的精度，因此在負(fù)壓室灌滿與氫分離器濃度相同的堿液即平衡液，堿液的密度為γ，正壓室直接與氫分離器的底部取壓點(diǎn)相連，液面底部與液面上的壓差為ΔP，則容器內(nèi)液位高度h為：

式中　h₁為氫分離器下部液位測壓點(diǎn)到變送器的高度；h₂為氫分離器上部測壓點(diǎn)到變送器的高度；P_g為固定壓差P_g＝γ（h₂－h(huán)₁）。　　
　　h₁，h₂與液位變化無關(guān)，所以為了使變送器輸出不受固定壓差影響，必須把固定壓差平衡，即同時改變差壓變送器的上、下限，使壓差不變（測量范圍不變），對變送器進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為P_g＝γ（h₂－h(huán)₁）。這樣壓差直接和液位相對應(yīng)，加上負(fù)遷移，變送器可以正接，輸出特性的斜率不變，僅僅平移一個負(fù)遷移量。
　　因?yàn)闇y量的堿液濃度在26％～30％，γ＝1．28g／cm³左右，氫分離器的上部、下部取壓點(diǎn)之間的距離（h₂－h(huán)₁）為780 mm，所以氫分離器的負(fù)遷移量P_g＝γ（h₂－h(huán)₁）＝1．28×780＝998 mm水柱。
　　所以選用型號為1151DP4E22B2D2M1Fa遷移為－9．8～0 kPa的差壓變送器，其測量范圍是0～（635～3 810）mm水柱，當(dāng)h＝0時變送器輸出為4 mA，當(dāng)h為高液位時變送器輸出為20 mA。
　　在設(shè)計(jì)使用變送器時，變送器的正或負(fù)遷移量不允許超過所規(guī)定的大量程的100％，否則精度較差，上述所選用變送器負(fù)遷移符合要求，不會對精度有太大影響。

2．2　氧分離器液位測量
　　氧分離器是密閉容器，且壓力取樣點(diǎn)與氫分離器相同，容器的高度相同，堿液濃度相同，見圖3。用同樣方法可以測量氧側(cè)變送器差壓ΔP＝γh′－P_g，式中h′為氧分離器液位高度，所選用的變送器遷移為9．8～0 kPa。

    氫、氧液位PLC控制框圖如圖4.氫、氧變送器分別將它們輸出的4～20 mA液位信號經(jīng)過輸入**柵至PLC的模擬量輸入板；對氫、氧液位信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、濾波、采樣、12位逐級比較式A／D轉(zhuǎn)換、內(nèi)存鎖定、光電隔離后進(jìn)入CPU；在CPU控制下按照PID算法進(jìn)行運(yùn)算，再經(jīng)過模擬量輸出板光電耦合、D／A轉(zhuǎn)換、電壓或電流放大^〔1〕，輸出4～20 mA電流信號給輸出**柵；經(jīng)過輸出**柵將信號送給電氣轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)閥根據(jù)氣信號的大小來調(diào)節(jié)氫側(cè)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到液位控制的目的。

4　PLC對氫、氧液位的運(yùn)算

　　PLC選用GE公司9030系列產(chǎn)品，CPU為80K字節(jié)，轉(zhuǎn)換精度為12位，液位運(yùn)算調(diào)用了PID算法，每次掃描時調(diào)用PID模塊，用于液位閉環(huán)回路過程控制，該模塊對比過程變量反饋和期望過程設(shè)置并以誤差為準(zhǔn)進(jìn)行控制變量輸出更新。PID采用位控式PID算法，PID輸出：
　　u（n）＝K_ce（n）＋K_iΣe（i）＋K_d〔e（n）－e（n－1）〕式中　K_c為比例放大倍數(shù)；K_i為積分系數(shù)，K_i＝K_cT_s／T_i，T_i為積分時間；K_d為微分系數(shù)，K_d＝K_cT_d／T_s，T_s為采樣周期，T_d為微分時間^〔2〕。
　　液位調(diào)節(jié)采用的比例積分調(diào)節(jié)，所以u（n）＝K_ce（n）＋K_iΣe（i），采樣周期T_s為20 ms，積分時間為常數(shù)，改變積分系數(shù)K_i，比例放大倍數(shù)K_c就可以改變輸出u（n）的大小，調(diào)試時就是調(diào)節(jié)積分系數(shù)K_i，比例放大倍數(shù)K_c使氫、氧分離器差壓小，液位平衡，達(dá)到液位控制目的。液位的調(diào)節(jié)過程實(shí)際上是PLC以氧液位為給定值，氫液位為測量值，氫、氧液位進(jìn)行比較（ΔP－ΔP′），以它們的偏差作為PID的給定輸入信號，經(jīng)過PID運(yùn)算后的輸出 控制調(diào)節(jié)閥動作。ΔP－ΔP′＞0即氫液位高于氧液位時，根據(jù)PID輸出量的大小關(guān)閉調(diào)節(jié)閥；ΔP－ΔP′＜0即氫液位低于氧液位時，根據(jù)PID輸出量的大小打開調(diào)節(jié)閥。這樣根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況不斷改變PID的給定值，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)控制的目的。

5　結(jié)束語　
　
　　采用1151差壓變送器及GE9030系列PLC，輸入、輸出**柵電氣轉(zhuǎn)換器、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥組成的硬件，和PLC自帶PID模塊控制液位，具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和通用性。該種控制方式的設(shè)備已有多套在現(xiàn)場投運(yùn)。