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行運算及液位控制。
　　關鍵詞　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水溶液產生H₂和O₂，H₂和O₂分別帶著NaOH堿液進入氫、氧分離器，在氫、氧分離器內H₂，O₂與NaOH堿液進行分離，分離后的堿液通過分離器底部的連通管匯合進入過濾器。從電解水的方程式2H₂O＝2H₂＋O₂^〔4〕可以看出，電解水產生的H₂量是O₂的2倍，而且H₂和O₂發生混合時可能引起設備的，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入另一個分離器（氫、氧分離器底部連通）見圖1。為此系統運行時控制氫、氧分離器的液位使其基本平衡，在系統**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
　　因為氫分離器是密閉容器，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的壓力進行比較，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。因為負壓室有液體進去，形成液柱壓力，就會產生假信號影響測量的精度，因此在負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相連，液面底部與液面上的壓差為ΔP，則容器內液位高度h為：

式中　h₁為氫分離器下部液位測壓點到變送器的高度；h₂為氫分離器上部測壓點到變送器的高度；P_g為固定壓差P_g＝γ（h₂－h₁）。　　
　　h₁，h₂與液位變化無關，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），對變送器進行負遷移，遷移量為P_g＝γ（h₂－h₁）。這樣壓差直接和液位相對應，加上負遷移，變送器可以正接，輸出特性的斜率不變，僅僅平移一個負遷移量。
　　因為測量的堿液濃度在26％～30％，γ＝1．28g／cm³左右，氫分離器的上部、下部取壓點之間的距離（h₂－h₁）為780 mm，所以氫分離器的負遷移量P_g＝γ（h₂－h₁）＝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h＝0時變送器輸出為4 mA，當h為高液位時變送器輸出為20 mA。
　　在設計使用變送器時，變送器的正或負遷移量不允許超過所規定的大量程的100％，否則精度較差，上述所選用變送器負遷移符合要求，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液位信號經過輸入**柵至PLC的模擬量輸入板；對氫、氧液位信號進行電平轉換、濾波、采樣、12位逐級比較式A／D轉換、內存鎖定、光電隔離后進入CPU；在CPU控制下按照PID算法進行運算，再經過模擬量輸出板光電耦合、D／A轉換、電壓或電流放大^〔1〕，輸出4～20 mA電流信號給輸出**柵；經過輸出**柵將信號送給電氣轉換器，調節閥根據氣信號的大小來調節氫側調節閥的開度，從而達到液位控制的目的。

4　PLC對氫、氧液位的運算

　　PLC選用GE公司9030系列產品，CPU為80K字節，轉換精度為12位，液位運算調用了PID算法，每次掃描時調用PID模塊，用于液位閉環回路過程控制，該模塊對比過程變量反饋和期望過程設置并以誤差為準進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；K_i為積分系數，K_i＝K_cT_s／T_i，T_i為積分時間；K_d為微分系數，K_d＝K_cT_d／T_s，T_s為采樣周期，T_d為微分時間^〔2〕。
　　液位調節采用的比例積分調節，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，改變積分系數K_i，比例放大倍數K_c就可以改變輸出u（n）的大小，調試時就是調節積分系數K_i，比例放大倍數K_c使氫、氧分離器差壓小，液位平衡，達到液位控制目的。液位的調節過程實際上是PLC以氧液位為給定值，氫液位為測量值，氫、氧液位進行比較（ΔP－ΔP′），以它們的偏差作為PID的給定輸入信號，經過PID運算后的輸出 控制調節閥動作。ΔP－ΔP′＞0即氫液位高于氧液位時，根據PID輸出量的大小關閉調節閥；ΔP－ΔP′＜0即氫液位低于氧液位時，根據PID輸出量的大小打開調節閥。這樣根據系統運行情況不斷改變PID的給定值，以實現優控制的目的。

5　結束語　
　
　　采用1151差壓變送器及GE9030系列PLC，輸入、輸出**柵電氣轉換器、氣動薄膜調節閥組成的硬件，和PLC自帶PID模塊控制液位，具有很好的可靠性、穩定性和通用性。該種控制方式的設備已有多套在現場投運。