小型重力循环水电解制氢设备液位控制浅析

马石强

(邯郸市天海人力资源有限公司，河北 邯郸 056107)

1 前 言

小型重力循环水电解制氢设备主要应用于气象高空探测，氢气的制备方式多种多样，在我国，气象探空设备未配备水电解制氢设备之前主要采用化学制氢的方法获得氢气，该方法污染严重、劳动强度大、危险系数高、纯度低、成本高，而水电解制氢则具有绿色无污染、自动化程度高、安全可靠、氢气纯度高、成本低等优点[1]。由于探空用氢量较小，只需使用1.5 m3/h的小型重力循环水电解制氢设备即可满足要求，该设备无需使用循环泵，单靠电解液上下密度差形成的重力循环即可满足设备需要的循环量。小型重力循环水电解制氢设备工艺流程如图1所示。

图1 小型重力循环水电解制氢设备工艺流程

小型重力循环水电解制氢设备通过在电解槽内电解KOH溶液产生氢气和氧气，水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，反应式如下：

2H2O ==2H2↑ + O2↑

由于氢气属于易燃易爆危险气体，氢气、氧气不能混合，因此必须对液位进行有效控制，并采取保护措施，确保小型重力循环水电解制氢设备的安全运行。

2 氢、氧液位的控制原理

小型重力循环水电解制氢设备采用电磁阀的启闭来调节氢、氧分离器液位平衡，具体控制原理如图2所示。

图2 液位控制原理图

氢、氧侧的差压变送器分别测得氢分离器液位和氧分离器液位，并将差压信号转换成4～20 mA电流信号通过安全栅输送至可编程PLC中进行比较。把氢分离器液位作为给定值，氧液位作为参考值，经PLC比对两分离器液位差值大小，输出1个直流+24 V的控制信号，经过中间继电器后，输出交流220 V电压控制电磁阀启动。

如果氢气液位高于氧液位设置值，电磁阀关闭，氢气产量是氧气的两倍，氢侧分离器上部气体压力增大，氢液位下降；如果氢液位低于氧液位设定值，氢侧电磁阀打开，释放出多余氢气，氢液位上升，通过氢电磁阀的启闭达到调节氢氧液位平衡的目的。

3 小型重力循环水电解制氢设备氢氧液位波动大的故障原因

通过氢氧液位控制原理我们不难看出氢氧两侧液位变送器、PLC、安全栅、中间继电器、电磁阀以及相关线路、管路都会影响氢氧液位的调节。

3.1 氢氧两侧变送器故障

氢氧两侧的变送器采用的是差压表变送器，由气路和液路两路信号通过工程量转化成上位机显示的液位值，氢氧两侧液位变送器本身故障、零点量程偏移、灵敏度下降均会导致液位控制失控。若氢氧两侧液位变送器零点出现偏差，则制氢设备氢氧两侧液位会出现静差，即两侧液位同升同降，一直存在恒定差；另外，氢氧液位变送器的气道不能有水，如果有水则液位显示值会偏高，并且液道不能有气泡，如果液道进气，会造成液位显示偏低，所以变送器液道进气、气道进液都会造成液位出现静差。若氢氧两侧液位变送器量程出现偏差，则制氢设备在运行过程中氢氧两侧液位差会产生较大波动。

3.2 PLC故障

在液位控制系统中，PLC的作用至关重要，它是接收、处理数据、发出指令的核心元器件[2]。通常它是由电源模块、CPU模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、网络通信模块组成。模拟量输入模块用来接收氢氧两侧液位变送器的模拟量数据，数字量输出模块用来给中间继电器的通断信号，如对应模块出现故障，均会使液位控制系统无法正常工作，造成液位偏差过大。不过PLC相对故障率较低，通常是由于线路接触不良造成数据和指令无法传输，从而产生液位偏差过大。

3.3 安全栅故障

若安全栅损坏，氢氧液位变送器测量的液位信号将不能准确传输给PLC，致使液位控制系统无法正常工作或者失控，从而导致氢氧液位波动偏差大。

3.4 中间继电器故障

中间继电器是PLC指令的传达者，如果其损坏，指令将不能正常下达给电磁阀，造成电磁阀无法打开或关闭，使液位控制系统失控。

3.5 氢侧电磁阀故障

氢侧电磁阀是液位控制系统的最后执行机构，其开启和关闭，控制着氢侧液位的上升和下降。如果电磁阀无法打开，氢侧液位会持续下降；如果电磁阀无法关闭，氢液位会持续升高。通常造成电磁阀无法正常运作的原因有：线路接触不良，电磁阀内部堵塞，电磁阀内部密封垫和弹簧老化等。

3.6 人为过失引起

如在启动设备时没有将氢气放空阀关闭，氧侧分离器液位会很快下降，氢侧分离器液位则会急剧增高，如不能及时关闭氢气放空阀，氢侧液位持续升高，氧侧液位持续下降，可能出现因氧侧液位过低导致氧气进入氢侧分离器的现象。另外如果氢侧积水罐的排污阀未关闭，同样会引起上述故障现象。

4 结束语

氢气是一种无色、无嗅、无味的可燃气体，其化学活性、扩散性、渗透性极强，在生产过程中应始终坚持“安全第一，预防为主”的生产方针，树立“风险可控，事故可防”的理念，正确操作，安全可靠地制取氢气。