甲醇重整制氫反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院　陳慧群　胡吉良

根據(jù)用戶的需要，通過進(jìn)一步的后處理，可以通過先進(jìn)的甲醇蒸汽重整技術(shù)獲得氫氣。然而這是一個(gè)復(fù)雜的催化反應(yīng)過程[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，重整制氫化學(xué)反應(yīng)主要以化學(xué)、化工、熱能、生化、綠色能源等學(xué)科領(lǐng)域的科研人員為主，研究方向集中在催化劑、載體、工藝、實(shí)驗(yàn)等方面。對(duì)重整制氫化學(xué)反應(yīng)過程中各種物理量的檢測(cè)和控制研究極少涉足，研究過程中所需要的的各種物理量的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)基本上也是憑經(jīng)驗(yàn)值或手動(dòng)粗略調(diào)節(jié)獲得[3-5]。很顯然，這些做法及不規(guī)范也不科學(xué)，嚴(yán)重制約了甲醇重整制氫技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的普遍推廣和廣泛采用。經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)際值總會(huì)有誤差；不管操作人員的技術(shù)和熟練程度有多高，手動(dòng)調(diào)控準(zhǔn)確度總是很難把握的[6-8]。因此，研究微反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在實(shí)際應(yīng)用甲醇重整制氫技術(shù)中亟需解決的核心技術(shù)問題。

由于化學(xué)反應(yīng)情況的不確定性（化學(xué)反應(yīng)在不同條件下比如溫度、工況、催化劑活性、空氣含量等參數(shù)差異呈現(xiàn)不同結(jié)果）。微反應(yīng)器系統(tǒng)溫度、壓力、水醇蒸汽流量和氣體濃度等物理量檢測(cè)與控制較難，由于系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，既無(wú)規(guī)律可尋，又變化莫測(cè)，這些都為檢測(cè)和控制帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)和困難，從系統(tǒng)控制學(xué)科的角度來(lái)看，甲醇重整制氫反應(yīng)系統(tǒng)完全是一個(gè)多變量的參變輸入、結(jié)果多輸出的非線性復(fù)雜系統(tǒng)[9-11]。類似一個(gè)黑閘子，只能依靠有限的輸出信息對(duì)其實(shí)施有效控制[12]。

而且，現(xiàn)代氫燃料電池技術(shù)對(duì)電池陽(yáng)極輸入端有要求，該端氣體壓力不宜浮動(dòng)較大，因?yàn)檫^頻的大幅度調(diào)動(dòng)會(huì)影響到電池使用壽命[13-14]。鑒于此，產(chǎn)氫端需要保證供氫平穩(wěn)有序，從檢測(cè)和控制角度看，也希望微反應(yīng)器催化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)氫平穩(wěn)有序。這些約束條件在一定程度上也增加了自動(dòng)測(cè)控的難度。

本文設(shè)計(jì)一種具有參數(shù)自適應(yīng)能力的甲醇重整制氫反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)可解決以上這些問題。甲醇重整制氫反應(yīng)器控制系統(tǒng)是燃料電池和其他現(xiàn)場(chǎng)重整制氫（移動(dòng)氫源）的核心模塊系統(tǒng)，本研究潛在的技術(shù)可以推廣應(yīng)用到一般的醇類和其他碳?xì)湟簯B(tài)燃料重整制氫反應(yīng)器中。

1　反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)微反應(yīng)器整體系統(tǒng)工作原理及內(nèi)部溫度、壓力、流量、液位、電磁閥通斷控制要求，整個(gè)反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)包括以下子模塊：溫度控制模塊、流量控制模塊、液位檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊及中央控制部分：如計(jì)算機(jī)顯示、處理、存儲(chǔ)等軟硬件。甲醇現(xiàn)場(chǎng)重整制氫反應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　甲醇現(xiàn)場(chǎng)重整制氫反應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1　溫度控制模塊

通過采用熱電偶對(duì)蒸發(fā)器和反應(yīng)器的內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，熱電偶信號(hào)經(jīng)過調(diào)理之后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入通道輸入到上位機(jī)并在測(cè)控軟件中實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，軟件控制部分按照溫度設(shè)定值和當(dāng)前值的差值運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）控制信號(hào)的占空比，并通過數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字輸出通道輸出該P(yáng)WM信號(hào)用來(lái)控制固態(tài)繼電器的通斷，繼而可通過固態(tài)繼電器的通斷控制電加熱棒的實(shí)際功率。

1.2　流量控制模塊

該模塊包括還原氣體流量質(zhì)量控制和液體燃料流量控制。氣體流量質(zhì)量控制采取軟件控制流量控制器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)通過RS485串口總線與流量控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，它根據(jù)流量的設(shè)定值把控制信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給流量質(zhì)量控制器從而控制閥門的開口大小，實(shí)現(xiàn)流量的有效控制目的。重整反應(yīng)所需的液體燃料采取注射泵供給方式?；舅悸肥菍⒉竭M(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲桿傳動(dòng)直接轉(zhuǎn)為直線平動(dòng)。電腦控制中心與注射泵通過串行總線進(jìn)行通訊和信息交換。信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部電路數(shù)字轉(zhuǎn)化后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)液體流量平穩(wěn)、小流量的持續(xù)供給。

1.3　壓力檢測(cè)模塊

該模塊用于重整反應(yīng)進(jìn)行過程中實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)，確保重整反應(yīng)安全有序進(jìn)行。由于醇類（包括其他碳?xì)湟簯B(tài)燃料）重整制氫反應(yīng)的進(jìn)行過程對(duì)壓力沒有特別的要求，在常壓下即可進(jìn)行，因此，無(wú)需對(duì)反應(yīng)器中的壓力進(jìn)行控制。僅需對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦壓力值超過安全值，就發(fā)出警報(bào)，并強(qiáng)制終止重整反應(yīng)進(jìn)行。

綜上，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心就是計(jì)算機(jī)及測(cè)控軟件。系統(tǒng)中各個(gè)狀態(tài)物理量，包括溫度、流量及壓力都通過相應(yīng)的總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再借助電腦上安裝的測(cè)控軟件進(jìn)行有效的分析和及時(shí)處理，包括顯示、存儲(chǔ)、運(yùn)算等，處理的結(jié)果又實(shí)時(shí)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的執(zhí)行模塊，對(duì)它們進(jìn)行控制。在該過程中，計(jì)算機(jī)、測(cè)控軟件和數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu)成了一個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器，該虛擬儀器實(shí)時(shí)顯示了重整反應(yīng)時(shí)的溫度、壓力和流量等狀態(tài)量信息，并且在反應(yīng)過程中有效、穩(wěn)定地控制了溫度、流量這兩個(gè)狀態(tài)量。

圖2　硬件配置圖

2　主控硬件配置與功能

甲醇制氫控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制模式，上位機(jī)采用高性能的PC，下位機(jī)控制系統(tǒng)的核心是西門子PLC用來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量和電磁閥的開關(guān)控制。同時(shí)，PID控制器獨(dú)立控制壓力調(diào)節(jié)閥。帶有RS-232接口的PLC可直接連接個(gè)人計(jì)算機(jī)串口。本文采用了兩種通信標(biāo)準(zhǔn)：RS-232和RS-485[15,16]，RS-232連接硬件和軟件，RS-485負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。通過RS-232／RS-485，信號(hào)可以轉(zhuǎn)換。RS-485是一種工業(yè)協(xié)議，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離高達(dá)1200米，在線要求低，因此，通過RS-485協(xié)議，PLC和控制室的計(jì)算機(jī)可以連接。該系統(tǒng)可對(duì)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)電磁閥的啟閉控制和調(diào)節(jié)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)置PID智能儀表和PLC控制器參數(shù)，包括各種參數(shù)記錄、打印歷史趨勢(shì)記錄、異常報(bào)警鏈。具體配置如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用USB-6259 BNC多功能數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡可以進(jìn)行8個(gè)測(cè)試量程的設(shè)置，最大量程區(qū)域?yàn)?10V～10V,最小量程區(qū)域?yàn)?100mV～100mV。板卡自帶定時(shí)時(shí)鐘，可同時(shí)進(jìn)行16路以上的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集，完全可滿足溫度、壓力等各種信號(hào)數(shù)據(jù)采集的需求。同時(shí)采集卡還提供了48路I/O通道，且兼容TTL邏輯電平，可控制固態(tài)繼電器通斷。

3　各種信號(hào)測(cè)控通道設(shè)計(jì)

3.1　溫度信號(hào)測(cè)控通道

采用熱電偶測(cè)量甲醇重整部分的溫度，包括以下幾點(diǎn)：換熱管反應(yīng)器出口溫度、進(jìn)出口溫度、催化劑溫度、換熱器殼程出口溫度。熱電偶輸出4-20mA信號(hào)、擴(kuò)展模塊EM231進(jìn)行模擬量的輸入，然后顯示到組態(tài)王用戶面板?！敖M態(tài)王”通過通信協(xié)議使信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度。采用數(shù)字輸出型的K型熱電偶信號(hào)處理集成芯片MAX6672，如圖3及圖4所示。

圖3　MAX6672芯片圖示

圖4　MAX6672芯片各引腳功能圖示

3.2　流量信號(hào)測(cè)控通道

利用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量甲醇-水蒸汽流量和甲醇重整凈化空氣的流量，然后將流量傳感器測(cè)量輸出信號(hào)接入EM231輸入和發(fā)送數(shù)據(jù)到PC，“組態(tài)王”提供的設(shè)施用于流量數(shù)值顯示、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄。本文水醇液體流量的測(cè)控采取水泵流量與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制組合的方式。轉(zhuǎn)子流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)液體流量的精確檢測(cè)，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式控制水泵電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的大小調(diào)節(jié)目的[17]。

3.3　液位信號(hào)測(cè)控通道

通過差壓變送器測(cè)量水洗滌器液位，測(cè)量值顯示，4-20mA的直流輸入，擴(kuò)展模塊EM231進(jìn)行模擬量的輸入，測(cè)量值和上下限值將被計(jì)算，如果給定值大于上限值，差壓變送器將輸出“開”信號(hào)對(duì)水洗滌器電磁閥閥門直到測(cè)量值低于下限，輸出“關(guān)”信號(hào)，然后關(guān)閉，水洗滌器的電磁閥保持液位平衡。具體配置參見圖5。

圖5　液位控制功能圖

圖6　壓力測(cè)控功能圖

3.4　壓力信號(hào)測(cè)控通道

在壓力變送器、吸附塔、氣化過熱器和微反應(yīng)器壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)（該信號(hào)是4-20毫安，PLC模擬量輸入模塊的日志）后。通過將量程轉(zhuǎn)換成實(shí)際壓力，將數(shù)據(jù)通過獨(dú)立模塊轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。同時(shí)，輸入甲醇重整氣罐的PID儀表信號(hào)輸入端的壓力信號(hào)，計(jì)算設(shè)定值和測(cè)量值，然后把計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成4-20mA的直流電輸入到電子變流器中，該變流器可將結(jié)果轉(zhuǎn)換為0.2-1.0kPa壓力信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)控制閥的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖罐的壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，其目的是控制系統(tǒng)壓力，如圖6所示。

4　小結(jié)

PLC具有進(jìn)一步優(yōu)化甲醇重整制氫控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備的成本下降，操作更加穩(wěn)定，維護(hù)越來(lái)越簡(jiǎn)單，從而降低了投資和生產(chǎn)成本，有利于我國(guó)中小企業(yè)的發(fā)展，并獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，所以這技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。本文針對(duì)在變負(fù)荷的過程中依然保持輸入量之間的最佳混合比將造成重整溫度出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的波動(dòng)的技術(shù)缺陷，采用數(shù)字輸出型的K型熱電偶信號(hào)處理集成芯片線性化處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)設(shè)計(jì)溫度信號(hào)測(cè)控通道；針對(duì)反應(yīng)器中傳統(tǒng)流量檢測(cè)不夠精確、物料總流量控制不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了水泵流量與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制相結(jié)合的流量信號(hào)測(cè)控通道；針對(duì)系統(tǒng)安全保障性問題，設(shè)計(jì)了H2/CO測(cè)漏電路（氣體流量濃度檢測(cè)）來(lái)確保系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)的安全可靠。本文串行通訊采用RS485串行接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)、分析和集成測(cè)控。甲醇重整制氫反應(yīng)器控制系統(tǒng)是燃料電池和其他現(xiàn)場(chǎng)重整制氫（移動(dòng)氫源）的核心模塊系統(tǒng)，本文潛在的技術(shù)可以推廣應(yīng)用到一般的醇類和其他碳?xì)湟簯B(tài)燃料重整制氫反應(yīng)器中。

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