CN104062986B - 一种制氢站液位比值控制***及控制方法 - Google Patents

一种制氢站液位比值控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制氢站液位比值控制***及控制方法，氢侧液位的模拟量信号输入到DCS***后经过功能函数F1(X)的修正；氧侧液位的模拟量信号输入到DCS***后经过功能函数F2(X)的修正，经过修正后的两路模拟量信号输入至除法算法块，除法算法块的输出作为比例积分微分控制器(PID控制器)的输入端，比例积分微分控制器(PID控制器)的另一端为设定的常数1，经PID计算器的输出来控制氢气侧液位调节阀，达到保持氧侧和氢侧液位平衡的目的，实现了制氢站采用DCS控制***后若控制方案上使用比值控制方法计算后出现的数值溢出问题，防止出现数值溢出所导致的***控制失调现象。

Description

一种制氢站液位比值控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及一种制氢站液位比值控制***及控制方法
背景技术
国家经济的发展带动了电力的需求，电厂的数量和机组容量越来越大。机组单机容量的增大意味着汽轮机单机容量的增大，由于汽轮机的线圈温度是依靠氢气来冷却的，这必然要求制氢站***的产氢量增加。冷却发电机的氢气纯度要求比较高，汽轮发电机组所用的氢气都是采用电解水的方法制得。制氢装置为火电机组的发电机提供氢气冷却***所需要的氢气，其纯度和湿度要满足一定的要求。
水电解制氢装置是通过电解NaOH水溶液产生氢气和氧气，氢气和氧气分别带着NaOH碱液进入氢、氧分离器，在氢、氧分离器内氢气、氧气与NaOH碱液进行分离，分离后的碱液通过分离器底部的连通管汇合进入过滤器。电解水产生的氢气量是氧气两倍，而氢气和氧气产生混合时可能引起设备的***，如果氢、氧分离器差压过大，就可能使氢气或氧气从压力大的分离器进入另一个分离器(因为两者底部连通)，为此在***运行时控制氢、氧分离器的液位使其基本平衡，在***安全上起着很重要的作用，氢气制取设备的氧罐、氢罐的液位控制非常关键，若发生液位波动较大的情况下轻则使得设备跳闸，重则很容易产生***事故，因此相关设备厂家对液位控制的保护都很严格，当氢侧与氧侧液位波动差值超过50mm时即发生跳闸，以防止氧气与氢气发生接触。
传统的比值控制方法需要将氢侧液位与氧侧的液位进行除法运算，运算结果输入至PID控制器的一端，存在以下两个问题：
由于输入到DCS控制器的模拟量信号存在出现品质坏(坏点)的情况，或瞬间扫描值为0的情况发生，若分母上的液位扫描值在瞬间突变为0，则会造成除法运算的输出值为无穷大(即数值溢出)，无穷大的数值输入到PID控制器后必然引起控制器的剧烈扰动，在这种情况下很必然的将会造成控制***的紊乱。
发明内容
本发明的目的是提供一种制氢站液位比值控制***及控制方法，解决了制氢站采用DCS控制***后将氢气分离器与氧气分离器内两种不同的液位控制在同一高度的问题。
一种制氢站液位比值控制***，其结构包括氧气分离器液位模拟量测量模块、氢气分离器液位模拟量测量模块、液位压力调节阀、切换功能算法模块和比例积分微分控制器，所述氧气分离器液位模拟量测量模块和氢气分离器液位模拟量测量模块的输出信号输入至DCS***并分别经过功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的修正后输出；所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块输出端均与除法器连接，所述除法器的输出端与所述比例积分微分控制器的输入端连接，所述比例积分微分控制器的另一路输入端为常数1。
所述氢气侧液位压力调节阀与氢气侧气体冷却器的输出端连接，所述气体冷却器的输入端与氢气分离器的输出端连接，氢气分离器的输入端与电解槽连接，所述电解槽同时与氧气分离器连接，所述氧气分离器的输出端与氧气侧气体冷却器连接，所述电解槽的输入端通过泵与碱液槽连接。
一种制氢站液位比值控制方法，具体步骤包括：氢气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F1(X)模块的修正，氧气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F2(X)模块的修正，经过修正后的两路模拟量信号输入至除法算法块，除法算法块的输出作为比例积分微分控制器的设置值输入端；
当氢侧液位信号值为0mm时，所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均为设定值，当氢侧液位信号不为0mm时，功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均与氢侧液位信号值相等；
所述比例积分微分控制器(PID控制器)的另一输入端为设定的常数1，经PID计算器的输出来控制氢气侧液位压力调节阀，达到平衡氧气侧和氢气侧液位的目的。
所述的氢气侧液位压力调节阀的调节方法为：当氢气分离器液位与氧气分离器的液位比值相等时，两者比值为1，即控制器的设定值端(SP端)与测量端(PV端)相等，控制器的计算输出保持不变；当氢气分离器液位高于氧气分离器的液位时，两者比值大于1，即控制器的设定值端(SP端)大于测量端(PV端)相等，控制器的输出减小，用于关小氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续升高；
当氢气分离器液位低于氧气分离器的液位时，两者比值小于1，即控制器的设定值端(SP端)低于测量端(PV端)相等，控制器的输出增加，用于开大氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续下降。
本发明的有益效果是：
由于氢气和氧气液位的模拟量信号输入到DCS***后分别经过功能函数F1(X)和F2(X)的修正，修正后的两路模拟量信号输入至除法算法块，除法算法块的输出作为比例积分微分控制器(PID控制器)的输入端，比例积分微分控制器(PID控制器)的另一端为设定的常数1，经PID计算器的输出来控制氢侧液位调节阀，达到保持氧侧和氢侧液位平衡的目的，避免了氢气分离器液位与氧气分离器液位两者之间进行除法计算后可能出现的数值溢出问题，防止出现数值溢出所导致的***控制失调现象。
附图说明
图1是制氢站液位比值控制方法示意图。
图2是制氢站结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
一种制氢站液位比值控制***，其结构包括氧气分离器液位模拟量测量模块、氢气分离器液位模拟量测量模块、液位压力调节阀、切换功能算法模块和比例积分微分控制器，所述氧气分离器液位模拟量测量模块和氢气分离器液位模拟量测量模块的输出信号输入至DCS***并分别经过功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的修正后输出；所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块输出端均与除法器连接，所述除法器的输出端与所述比例积分微分控制器的输入端连接，所述比例积分微分控制器的另一路输入端为常数1。
所述氢气侧液位压力调节阀与氢气侧气体冷却器的输出端连接，所述气体冷却器的输入端与氢气分离器的输出端连接，氢气分离器的输入端与电解槽连接，所述电解槽同时与氧气分离器连接，所述氧气分离器的输出端与氧气侧气体冷却器连接，所述电解槽的输入端通过泵与碱液槽连接。
一种制氢站液位比值控制方法，具体步骤包括：氢气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F1(X)模块的修正，氧气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F2(X)模块的修正，经过修正后的两路模拟量信号输入至除法算法块，除法算法块的输出作为比例积分微分控制器的设置值输入端；
当氢侧液位信号值为0mm时，所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均为设定值，当氢侧液位信号不为0mm时，功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均与氢侧液位信号值相等；
例如，功能函数F1(X)的具体数值如下：
功能函数F2(X)的具体数值如下：
所述比例积分微分控制器(PID控制器)的另一端为设定的常数1，经PID计算器的输出来控制氢气侧液位压力调节阀，达到平衡氧气侧和氢气侧液位的目的。
制氢站***中氢气分离器液位与氧气分离器液位控制是制氢站的核心控制内容，两个分离器液位的平衡控制是依靠氢气分离器出口的液位调节阀来进行调节的，当氢气分离器的液位高度比氧气分离器的液位高时，需要将调节阀的开度关小，以此来防止氢气分离器的液位继续升高；当氢气的液位比氧气的液位低时，需要将调节阀的开度开大，以确保氢气侧的液位上升。
所述的氢气侧液位压力调节阀的调节方法为：当氢气分离器液位与氧气分离器的液位比值相等时，两者比值为1，即控制器的设定值端(SP端)与测量端(PV端)相等，控制器的计算输出保持不变；当氢气分离器液位高于氧气分离器的液位时，两者比值大于1，即控制器的设定值端(SP端)大于测量端(PV端)相等，控制器的输出减小，用于关小氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续升高；当氢气分离器液位低于氧气分离器的液位时，两者比值小于1，即控制器的设定值端(SP端)低于测量端(PV端)相等，控制器的输出增加，用于开大氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续下降。

Claims (4)

1.一种制氢站液位比值控制***，其特征是，其结构包括氧气分离器液位模拟量测量模块、氢气分离器液位模拟量测量模块、液位压力调节阀、切换功能算法模块和比例积分微分控制器，所述氧气分离器液位模拟量测量模块和氢气分离器液位模拟量测量模块的输出信号输入至DCS***并分别经过功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的修正后输出；所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块输出端均与除法器连接，所述除法器的输出端与所述比例积分微分控制器的输入端连接，所述比例积分微分控制器的另一路输入端为常数1；
当氢侧液位信号值为0mm时，所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均为设定值，当氢侧液位信号不为0mm时，功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均与氢侧液位信号值相等。
2.如权利要求1所述的一种制氢站液位比值控制***，其特征是，氢气侧液位压力调节阀与氢气侧气体冷却器的输出端连接，所述氢气侧气体冷却器的输入端与氢气分离器的输出端连接，氢气分离器的输入端与电解槽连接，所述电解槽同时与氧气分离器连接，所述氧气分离器的输出端与氧气侧气体冷却器连接，所述电解槽的输入端通过泵与碱液槽连接。
3.一种基于权利要求1或权利要求2所述的一种制氢站液位比值控制***的制氢站液位比值控制方法，其特征是，具体步骤包括：氢气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F1(X)模块的修正，氧气液位的模拟量测量模块的信号输入到DCS***后，并经过DCS***上的功能函数F2(X)模块的修正，经过修正后的两路模拟量信号输入至除法算法块，除法算法块的输出作为比例积分微分控制器的设置值输入端；
当氢侧液位信号值为0mm时，所述功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均为设定值，当氢侧液位信号不为0mm时，功能函数F1(X)模块和功能函数F2(X)模块的输出值均与氢侧液位信号值相等；
所述比例积分微分控制器的另一输入端为设定的常数1，经PID计算器的输出来控制氢气侧液位压力调节阀，达到平衡氧气侧和氢气侧液位的目的。
4.如权利要求3所述的制氢站液位比值控制方法，其特征是，所述的氢气侧液位压力调节阀的调节方法为：当氢气分离器液位与氧气分离器的液位比值相等时，两者比值为1，即控制器的设定值端与测量端相等，控制器的计算输出保持不变；
当氢气分离器液位高于氧气分离器的液位时，两者比值大于1，即控制器的设定值端大于测量端相等，控制器的输出减小，用于关小氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续升高；
当氢气分离器液位低于氧气分离器的液位时，两者比值小于1，即控制器的设定值端低于测量端相等，控制器的输出增加，用于开大氢气分离器出口的调节阀，防止氢气分离器的液位继续下降。
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