船用有机液体供氢装置控制系统设计

2021-10-28王学智黄金花刘继清

船电技术 2021年10期

王学智，黄金花，刘继清

船用有机液体供氢装置控制系统设计

王学智1，黄金花2，刘继清2

（1. 湖北水利水电职业技术学院，武汉 430070；2. 武汉船舶职业技术学院，武汉 430050)

为了使船用有机液体供氢装置工作安全可靠、脱氢效率稳定，设计了一种基于PLC的控制系统。根据供氢装置工艺要求，设计了控制系统的硬件结构，编制出用户程序。通过两路PID回路,控制空气流量及供氢压力稳定在设定值，进而稳定脱氢效率。通过联机测试，设计的控制系统工作稳定，自动化程度高，满足了供氢装置的控制要求。

PLC 脱氢 PID 控制系统

0 引言

船用氢燃料电池系统具有无污染、零排放、制氢效率高、可靠性好、集成度高、补给便捷等优点[1～2]，适用于游船等多种船型。与储能量相同的锂电池方案相比，船用氢燃料电池系统在重量、占地面积与补给时间等方面具有明显的优势[3～5]。而船用有机液体储氢供氢装置是船用氢燃料电池系统的重要组成部分，本文设计的控制系统以西门子S7-200Smart为控制器，配置12路模拟量输入通道，6路模拟量输出通道，实时采集脱氢装置的空气流量、液态氢流量、脱氢温度、供氢压力等现场值，通过PID控制使空气流量和液态氢流量及时跟踪设定值，从而稳定装置的脱氢效率。

1 船用有机液体供氢装置工艺及参数

1.1 工艺流程

针对有机液体储氢体系能效低的难题[6～8]，我国某研究所重点研究了氢气催化供热技术、高效热量耦合技术、自热式脱氢反应器一体化设计技术、反应器封装技术等，实现了装置的自热脱氢，不需要外界提供热源，提高了脱氢装置的能效。完成国内首台套40 kW自热式有机液体供氢装置的研制，将氢气催化供热与储氢有机液体催化脱氢集成于一体，实现供氢装置的模块化设计，具有易于规模化放大，装置能效高、体积小等优点。图1为供氢装置的工艺流程图。

图1 供氢装置工艺流程图

1.2 工艺参数

设图1中流量控制器2的输出流量为Q，流量控制器1的输出流量为Q，空气泵输出流量为Q，液体泵输出流量为Q，除Q的单位为外，另三个流量单位Q、Q、Q均为。定义两个参数“回烧比”和“氢空比”。“回烧比”定义为返回催化反应器的氢气量占净输出氢气量的百分比，以表示，“氢空比”定义为氢气与空气进入催化反应器的比例，以表示。

根据燃料电池发电功率，在上位机设定流量控制器2的输出流量为Q，流量控制器1的输出流量为Q按式（1）确定。

Q=ω*Q（1）

空气泵输出流量为Q的流量由式（2）确定。

Q=(Q/)- Q（2）

液体泵输出流量为Q的流量由式（3）确定，式中ρ为储氢密度，η是脱氢效率。

Q=0.0899(Q+Q)/10000.96（3）

2 船用有机液体供氢装置控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

船用有机液体供氢装置控制系统框图如图2所示。触摸屏作为上位机，监控装置的运行状态，PLC作为主控制器通过自带的数字量输入输出单元接收主令信号、液位报警信号以及变频器运行故障信号，经逻辑运算后控制电磁阀、蜂鸣器及变频器的启动、停止。扩展模拟量输入模块用于采集流量计流量、两台流量控制器流量、反应器温度、储氢罐压力、控制空气泵的变频器频率反馈以及控制液体泵的变频器频率反馈。扩展的模拟量输出模块用于控制两台变频器的运行频率及两台流量控制器的输出流量。模拟量输入输出信号均为4～20 ma电流信号。

图2 系统框图

2.2 控制系统软件设计

控制系统软件设计包括触摸屏界面设计及PLC程序设计。触摸屏共设计六个界面，分别是主画面、设备状态画面、参数设置画面、参数读取画面、报警查询画面及帮助画面，实现动态显示供氢装置工作状态，参数设置、计算、读取，报警查询等功能。

PLC程序设计采用模块化的程序结构，设计了七个子程序，包括初始化子程序、手动子程序、自动子程序、模拟量输入子程序、模拟量输出子程序、定时中断子程序、停机子程序。初始化子程序对系统参数赋初始值并初始化系统变量，手动子程序实现对电磁阀、空气泵、液压泵的手动起停控制，模拟量输入子程序采集现场温度、压力、流量、频率等过称值，模拟量输出子程序控制流量控制器的输出流量，定时中断子程序用于计算流量控制器1的累积输出流量，自动子程序实现供氢装置的自动脱氢过程，图3为自动程子序流程图，停机子程序在按下停机按钮后按要求实现控制系统停机，图4为停机子程序流程图。

主程序按接收的主令信号及供氢装置运行过程中的状态信号调用相应的子程序，同时计算两路PID控制回路，一路PID通过调节变频器频率稳定空气泵输出流量，另一路PID通过调节液压泵运行频率，稳定储氢罐的储氢压力。在自动子程序中一旦改变回烧比，由式（1）至（3）可知空气泵流量Q与液体泵流量Q的设定值也随之改变，此时主程序中的两路PID回路迅速跟踪设定值。图5为空气泵流量PID调节回路，图中AI_MFM101为空气泵流量反馈回来的模拟量输入信号，SV_MFM101为由式（2）确定的空气泵流量设定值，Auto_Mode为自动调节模式开关，此信号为TRUE时实现PID自动调节，此信号为FALSE时PID回路以Ms_MFM101的设定值定值输出，不进行自动调节，AO_HZ_P101为PID控制回路输出，此信号通过模拟量输出模块控制变频器输出频率从而控制空气泵的输出流量。液体泵流量PID调节回路与空气泵流量PID调节回路基本一致，两路PID的比例P、积分I、微分D三个参数通过编程软件STEP 7-MicroWIN SMART中的PID调试面板自动调节。