火力发电厂制氢站控制与安全

范 炜

（国能浙江宁海发电有限公司，浙江宁波 315609）

1 制氢原理

水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液（氢氧化钾）的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

2 电解水制氢系统组成

2.1 补水系统

生水首先进入除盐水制备装置内，经过超滤+二级反渗透处理后进入碱液箱、配碱水箱和冷却装置水箱。进入碱液箱、配碱水箱的水，配制成碱液，由配碱泵送进气液分离装置，进入碱液循环系统，从而为碱液循环系统补充碱液；进入除盐水冷却装置水箱的水，在循环水泵出力下，流经水-水换热器后进入气液分离装置、氢气纯化装置中的多个冷却器后，回到冷却装置水箱。

2.2 碱液循环系统

由电解槽出来的电解液有两路：一路富含氢气，另一路富含氧气，它们分别进入置于气液分离装置内的氢分离器和氧分离器中，分离出氢气和氧气后，两路碱液汇合，经碱液过滤器过滤后，再经过碱液冷却器冷却，进入碱液循环泵，由泵加压后回到电解槽内，从而在制氢系统中实现碱液循环。

2.3 电解槽

碱液循环系统的碱液进入电解槽，水在直流电的作用下开始分解，在电解室的阴阳极板上分别产生氢气和氧气，随电解液一起从电解槽两端流出进入气液分离装置。

2.4 气液分离装置

气液分离装置内分别设有氢分离洗涤器、氧分离器、氢气冷却器、气水分离器、碱液循环泵等设备。含有氢气和氧气的电解液分别经过氢、氧分离器，在重力作用下与电解碱液发生沉降分离，分离出的氧气排放到室外，氢气在分离装置内进一步洗涤、冷却、分离去除液滴，然后进入氢气纯化装置。

2.5 氢气纯化装置

在氢气纯化装置中，催化剂催化与氢气中残留的氧气发生反应，经过冷却、吸附、分离后，得到纯度为99.999%的高纯氢气。

2.6 氢气储存设备

高纯氢气经氢气汇流排架平衡压力后分配至各氢气储罐储存。

2.7 供氢系统

目前主要有3种储氢外运方式，氢气钢瓶组架、长管拖车和固态储氢装置。因固态储氢装置在国内应用较少，国内尚处于研发阶段，因此，一般考虑以氢瓶组和长管拖车作为主要的运输方式。

供氢系统的主要工艺流程如下：

氢储罐→氢气汇流排→氢气缓冲罐→氢气压缩机→充氢汇流排（或充装装置）→氢瓶组（或长管拖车）。

2.8 辅助系统

制氢辅助系统主要包括：除盐水制备系统、制冷换热系统、压缩空气供给系统、碱液储存系统和氮气催扫系统。

2.8.1 除盐水制备系统

除盐水制备系统采用常规过滤、超滤、二级反渗透处理工艺，满足制氢系统用水水质要求。

除盐系统工艺流程：水（有压）→碟片式过滤器→超滤装置→超滤水箱→一级反渗透高压泵→一级反渗透装置→二级反渗透高压泵→二级反渗透装置→除盐水箱→除盐水泵→制氢系统各用水点。

2.8.2 制冷换热系统

制冷换热系统主要包括缓冲水箱、循环泵、压缩制冷机。

2.8.3 压缩空气供给系统

压缩空气供给系统主要包括空气压缩机、过滤器、干燥器和压缩空气储罐。本工程配置一套仪表气源装置，满足整个氢站仪表气源，设备包含含空气压缩机、空气储罐等，满足制氢系统仪表用气要求。

2.8.4 碱液储存系统

碱液储存系统主要包括碱储罐和碱液输送泵，该系统主要实现外来碱液的装卸，稀碱液的配制及废碱液的回收等，满足制氢系统电解制溶液配送需求。

2.8.5 氮气吹扫系统

氮气吹吹扫系统主要包括氮气瓶组架及氮气汇流排架，为制氢系统设备提供惰性气体置换和吹扫功能，保证制氢系统安全运行。

3 PLC控制系统组成与特点

3.1 系统组成

一般火力发电厂制气站含2套电解槽装置。每套电解槽装置被监控的设备与信号见表1。

表1 电解槽I/O表

除了电解槽信号外，其他公共部分的信号见表2。

表2 公共部分I/O表

PLC 系统配置见图1。

图1 系统配置

3.2 系统特点

氢站控制系统的可靠性非常重要，要求系统具备SIL2安全等级认证，PLC 控制系统要达到SIL2认证，则必须满足处理器冗余和网络冗余。

3.2.1 处理器冗余

2套相同的冗余机架（7槽），每个机架配置有：处理器模板；以太网通讯模板（冗余接口，连接I/O 机架，EN2TR）；以太网通讯模板（连接上位机，EN2T）；热备通讯模板（用于主从处理器之间同步通讯，RM2）；光纤（用于热备通讯模板之间通讯）；主从处理器在30 ms 内切换完毕。

注意：2个处理器机架必须是相同型号、相同系列号、相同固件版本；机架中的处理器模板、以太网通讯模板、热备模板理器必须是相同型号、相同系列号、相同固件版本，并放在在相同的槽位。

3.2.2 网络冗余

2个处理器机架和所有的I/O 机架通过环形以太网连接在一起，当环上某处网线断裂或某节点发生故障时，与故障点最近的两个环网节点自动环回通讯，自愈时间小于100 ms，并主动向操作员站上送网络动作切换信息，操作员站在监控家画面上通过网络着色的方式，向运行人员提示故障网段，方便通信网络故障查找和恢复。

2个处理器机架中的以太网通讯模板（EN2T）分别连接不同的交换机，以实现交换机冗余，其中一个交换机出现故障，不影响与上位机的通讯。

3.3 系统组态

EN2TR 模板的IP 地址与EN2T 模板的IP 地址最好处于不同的网段；主从机架中EN2T 模板的I/O 地址应该设置为一样；先在以太网开环下，调试处理器冗余，处理器冗余调试成功，再将以太网闭环，进行环网调节。

4 氢站自动控制中核心技术

4.1 阀门控制

4.1.1 电解液的配制

（1）所有阀门为关闭状态。

（2）开16C，向碱液箱内注原料水150L，关16C。

（3）打开8B、1B、5A、2B、7B，启动循环泵，缓慢打开6A 至碱液流量最大，进行配碱循环。

（4）缓慢加入KOH（化学纯，配稀碱溶液时，加入27 kg，配浓碱溶液时，加入58 kg）。待完全溶解后加入0.2%的V2O5（配稀碱溶液时加入0.35 kg，配浓碱溶液时，加入0.4 kg）。电解液配好后，关闭8 B、1B、5A、2B、7B、6A。

（5）待配好的电解液温度降到常温后，开8B、1B、5A、6A，启动循环泵，缓慢开3A，将配制好的KOH 电解液（＜50 ℃）打入制氢机，至综合塔液位计液位最低位。关8B、1B、5A、6A、3A。

（6）开5A、6A、1A 启动循环泵，缓慢开3A 使碱液在制氢机内循环，观察流量指示是否正常，正常后停泵，关3A、6A、1A、5A。

4.1.2 开机顺序

（1）接通控制柜总电源及盘上各仪表气源。

（2）接通控制柜及框架上气源。

（3）关3A，停泵，并通过2D 向系统充氮至0.3 MPa，关闭2D。

（4）将补水系统切至“手动”加水位置，液位连锁选择开关切换至“断”，差压记录调节仪、压力记录调节仪及温度记录调节仪的开关切换在“自动”位置上，调好给定值。

（5）打开冷却水阀门4C、1C。

（6）缓开3A，启动循环泵，开14C、12C、13C、6C、11C、3B 呈开车状态，并检查其他阀门是否处于关闭状态。

（7）随着槽温上升，将碱温三针记录调节仪的给定调至70 ℃。

（8）当槽温升至50 ℃后，将压力给定调至3.2 MPa，待槽压开到额定后，将补水系统的转换开关切换至“自动”补水位置。待槽温升至80 ℃后，观察槽温的变化趋势，重新整定循环碱温的给定值，使氧槽温稳定在80～85℃。

（9）调节3A，使碱液循环量在300 L/h 左右（参考数）。

（10）开车后1h 可进行氢气、氧气纯度分析。打开1H、2H，调节氢、氧气减压阀1F、2F，分别给氢中氧、氧中氢分析仪送气，具体操作按该仪器说明书。如气体纯度合格，可开15C 同时关14C 向用户供气。

操作员界面如图2～图4：

图2 制氢设备画面

图3 干燥画面

图4 储氢罐和公共设备画面

4.2 回路调节

在氢站的自动控制中，电压控制、电流控制、温度控制最为关键，而且它们相互关联。

火电厂采用的电解槽生产能力一般为10～12 m3/h，额定电流为70～72 V DC，额定电流为800～820A，温度为83-90 ℃。

运行时如果电压过低，电解能力不够；产量低，电压过高，能耗大，具有安全隐患。如果电流低，产量低；电流过高，会影响电解槽寿命。电解槽温度低，水电阻大，电流不能加大；电解槽温度高，水电阻较低，电流可以加大，产量提高，但是温度过高，超过上限（92℃），有安全隐患。

（1）温度调节回路。温度调节回路自动运行，自动将温度检测值与温度设定值比较，实时计算阀门开度，控制冷却水流量，达到控制电解槽温度的目的。当电解槽温度超过温度上限设定值（92 ℃），PLC 输出控制信号，将整流柜停机；温度回路中的比例系数、积分系数、微分系数分别为35、1 000、12 000。

（2）电流调节回路。电解槽运行分为启动阶段、初始阶段和运行阶段，从启动阶段、初始阶段到运行阶段，PLC 的输出电流分别为300 A、600 A 和800 A或820 A，这是由于电解槽开始运行时，电解液温度较低，水电阻较大，如果一开始就输出较大电流，此时电压就超过限制了。

当电压小于电压设定值（70V）时，PLC 逐渐增大电流输出给定，每个时间段（0.5s）电流加4；当电压大于70V 但小于72V 时，PLC 减小电流增大的幅度，每个时间段（0.5s）电流加2，当电压超过72 V 时，PLC 减小电流输出，每个时间段（0.5s）。

（3）电压调节回路。在电解槽的电压控制中，整流柜采用电流模式，接收来自PLC 的电流信号，实时调节输出电压（I=V/R），当电压超过整流柜中设定的节压电压时，输出电压将截压，如果电压超过电压上限，整流柜自动停机。

在火电厂制氢站应用中，整流柜采用电流控制模式，接收来自PLC 的电流控制信号，使电解槽工作时在额定的电压下有足够的电流，以达到足够的电解能力。电解槽运行分为两个阶段。第一阶段：电解槽刚启动，电压达到截压值75 V，电解槽温度上升，电流也随之上升。第二阶段：当电解槽温度达到设定值后，电流达到设定值，这时电压会下降到一个稳定值。

（4）温度调节回路。温度调节回路是一个独立的PID 回路，温度设定值为83℃，通过控制冷却水阀门开度控制冷却水流量，使得电解槽电解液温度控制在设定值附近，当温度操过92℃，整流柜自动停机。

4.3 安全生产

4.3.1 漏氢检测

在氢站生产中，安全生产极为重要，为每套制氢设备配置2套漏氢检测仪，在两种情况下进行报警：（1）当漏氢值超过设定值时。（2）实时比对2套监测检测仪的实际值，当两台检测仪的检测值的偏差超过设定值时，需要进行仪表校对。

4.3.2 信息安全

为氢站操作站配置一套主机安全防护软件，增强操作可靠性与安全性。它具有以下特点。（1）系统权限管理。采用三权分立原则，系统设置超级管理员、管理员、审计员三种权限，根据不同权限对系统分级管理。（2）程序白名单管理。对系统中白名单文件进行添加、导入、导出等操作。可进行全盘扫描，扫描到本地磁盘所有的可执行文件并自动生成白名单库文件。任何不在白名单内的可执行文件都将被阻止运行（3）实时报警。安全防护状态开启后，执行任何非白名单内的可执行文件都将被阻止，并弹出程序阻止运行报警，报警包含程序的路径及文件名信息。根据策略对移动存储设备的使用进行有效控制，对非授权的设备插入进行阻止，对系统文件或注册表的访问权限进行控制，出现类似操作进行有效的告警及时提示维护人员。（4）系统管理配置。系统管理配置分为系统配置、主机加固和用户管理。（5）日志审计。对系统中应用程序运行日志、移动存储日志、用户操作日志等进行有效记录。可查询系统运行了哪些非法可执行文件，非法访问移动文件，执行了哪些操作等功能，记录违反安全策略行为的应用程序名、时间、证书等，支持日志导出，方便后期查询。（6）数据管理。对数据库的有效管理，可定期对数据进行备份，选择时间对数据库进行还原，支持数据的导入、导出等功能。（7）配置信任路径。信任路径管理是用于管理信任路径、信任进程以及文件白名单的命令行程序。它可以对信任路径、信任进程以及文件白名单进行添加、删除、显示操作。（8）自身保护功能。能够防止非法卸载、停止本主机防护软件的应用程序、服务及驱动，并对执行此类操作的行为进行记录、告警。（9）用户身份可信认证。

4.4 视频监控

为了减员增效，通过具备AI 识别系统的监控系统来实现氢站无人值守。

AI 视频分析处理是一项具有挑战性的工作，在视频处理中将逐帧读取视频，并且对于每一帧，将执行图像处理以便从该帧中提取特征。

AI 视频处理包括5个关键任务的混合。

（1）物体检测。它是一种计算机视觉形式，可以识别图像或视频中的对象并找到它们。物体识别可以使用这种识别和定位的方法计算场景中的物品，并确定和标注它们的确切位置。

（2）物体识别。物体识别是一种计算机视觉形式，用于识别图片或视频中的物体。深度学习和机器学习算法的主要结果是物体识别。就类似当人类看图像或看电影时，可以快速发现和甄别人物、事物、场景等信息。

（3）目标跟踪。目标跟踪是机器视觉领域的重要课题，被广泛应用于智能监控、动作与行为分析、自动驾驶等应用领域。例如在足球比赛中，目标不仅仅是人，也可能是生物、汽车或其他重要物体，例如足球。

（4）实时视频分析。摄像机会产生大量视频数据，人工有时无法手动查看存储的图像以进行相关事件的处理。因此需要借助AI 智能识别分析，以此来发现监控图像中的重要信息，如周界入侵、危险行为、烟火、可疑人脸等。

（5）触发实时警报。AI 通过在视频图像中检测到异常行为时，便做出响应，如：向管理员发出告警信息。视频识别技术提高了态势感知的能力。一些应用示例包括：

①基于相似外观的告警。视频监控可根据实体外观相似的需求定制告警，如危险物检测、烟火检测、阀门开关位置。在氢站中，可以让摄像头监控若干关键阀门，当检测到阀门的开关位置不对时，将监控站上声光报警；可以让摄像头监控关键设备的位置，当设备位置不对时，将在监控站上报警。

②基于计数的告警。当在给定时间段内在预定位置检测到一定数量的物体（车辆或人）时，可以触发警报。在氢站中，可以让摄像头监控关键手动设备的开合次数，若次数异常，在监控站上报警。

③人脸识别告警。相关部门可以根据从视频图像中提取的信息，以此快速识别可疑人物并实时发出告警。在氢站中，可以对下列行为进行报警识别并报警。

④安全生产类。未带安全帽，打电话，吸烟，未穿工作服，有人跌倒等。

⑤人员管理类。白名单人脸识别，人数限定，外来人员识别，人员越界等。

⑥设备识别。设备位置，设备动作状态，设备动作次数，设备看护等。

5 结语

结合宁海发电公司氢站改造的几个重点得出，控制系统的可靠性和安全性是建立在现场检查设备和执行机构的可靠性上，建议更换流量开关、温度传感器、压力传感器、阀门等现场设备。