馬石強

(邯鄲市天海人力資源有限公司，河北 邯鄲 056107)

1 前 言

小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備主要應(yīng)用于氣象高空探測，氫氣的制備方式多種多樣，在我國，氣象探空設(shè)備未配備水電解制氫設(shè)備之前主要采用化學(xué)制氫的方法獲得氫氣，該方法污染嚴(yán)重、勞動強度大、危險系數(shù)高、純度低、成本高，而水電解制氫則具有綠色無污染、自動化程度高、安全可靠、氫氣純度高、成本低等優(yōu)點[1]。由于探空用氫量較小，只需使用1.5 m3/h的小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備即可滿足要求，該設(shè)備無需使用循環(huán)泵，單靠電解液上下密度差形成的重力循環(huán)即可滿足設(shè)備需要的循環(huán)量。小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備工藝流程如圖1所示。

圖1 小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備工藝流程

小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備通過在電解槽內(nèi)電解KOH溶液產(chǎn)生氫氣和氧氣，水在直流電的作用下分解成氫氣和氧氣，反應(yīng)式如下：

2H2O ==2H2↑ + O2↑

由于氫氣屬于易燃易爆危險氣體，氫氣、氧氣不能混合，因此必須對液位進(jìn)行有效控制，并采取保護(hù)措施，確保小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備的安全運行。

2 氫、氧液位的控制原理

小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備采用電磁閥的啟閉來調(diào)節(jié)氫、氧分離器液位平衡，具體控制原理如圖2所示。

圖2 液位控制原理圖

氫、氧側(cè)的差壓變送器分別測得氫分離器液位和氧分離器液位，并將差壓信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號通過安全柵輸送至可編程PLC中進(jìn)行比較。把氫分離器液位作為給定值，氧液位作為參考值，經(jīng)PLC比對兩分離器液位差值大小，輸出1個直流+24 V的控制信號，經(jīng)過中間繼電器后，輸出交流220 V電壓控制電磁閥啟動。

如果氫氣液位高于氧液位設(shè)置值，電磁閥關(guān)閉，氫氣產(chǎn)量是氧氣的兩倍，氫側(cè)分離器上部氣體壓力增大，氫液位下降；如果氫液位低于氧液位設(shè)定值，氫側(cè)電磁閥打開，釋放出多余氫氣，氫液位上升，通過氫電磁閥的啟閉達(dá)到調(diào)節(jié)氫氧液位平衡的目的。

3 小型重力循環(huán)水電解制氫設(shè)備氫氧液位波動大的故障原因

通過氫氧液位控制原理我們不難看出氫氧兩側(cè)液位變送器、PLC、安全柵、中間繼電器、電磁閥以及相關(guān)線路、管路都會影響氫氧液位的調(diào)節(jié)。

3.1 氫氧兩側(cè)變送器故障

氫氧兩側(cè)的變送器采用的是差壓表變送器，由氣路和液路兩路信號通過工程量轉(zhuǎn)化成上位機(jī)顯示的液位值，氫氧兩側(cè)液位變送器本身故障、零點量程偏移、靈敏度下降均會導(dǎo)致液位控制失控。若氫氧兩側(cè)液位變送器零點出現(xiàn)偏差，則制氫設(shè)備氫氧兩側(cè)液位會出現(xiàn)靜差，即兩側(cè)液位同升同降，一直存在恒定差；另外，氫氧液位變送器的氣道不能有水，如果有水則液位顯示值會偏高，并且液道不能有氣泡，如果液道進(jìn)氣，會造成液位顯示偏低，所以變送器液道進(jìn)氣、氣道進(jìn)液都會造成液位出現(xiàn)靜差。若氫氧兩側(cè)液位變送器量程出現(xiàn)偏差，則制氫設(shè)備在運行過程中氫氧兩側(cè)液位差會產(chǎn)生較大波動。

3.2 PLC故障

在液位控制系統(tǒng)中，PLC的作用至關(guān)重要，它是接收、處理數(shù)據(jù)、發(fā)出指令的核心元器件[2]。通常它是由電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。模擬量輸入模塊用來接收氫氧兩側(cè)液位變送器的模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)字量輸出模塊用來給中間繼電器的通斷信號，如對應(yīng)模塊出現(xiàn)故障，均會使液位控制系統(tǒng)無法正常工作，造成液位偏差過大。不過PLC相對故障率較低，通常是由于線路接觸不良造成數(shù)據(jù)和指令無法傳輸，從而產(chǎn)生液位偏差過大。

3.3 安全柵故障

若安全柵損壞，氫氧液位變送器測量的液位信號將不能準(zhǔn)確傳輸給PLC，致使液位控制系統(tǒng)無法正常工作或者失控，從而導(dǎo)致氫氧液位波動偏差大。

3.4 中間繼電器故障

中間繼電器是PLC指令的傳達(dá)者，如果其損壞，指令將不能正常下達(dá)給電磁閥，造成電磁閥無法打開或關(guān)閉，使液位控制系統(tǒng)失控。

3.5 氫側(cè)電磁閥故障

氫側(cè)電磁閥是液位控制系統(tǒng)的最后執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其開啟和關(guān)閉，控制著氫側(cè)液位的上升和下降。如果電磁閥無法打開，氫側(cè)液位會持續(xù)下降；如果電磁閥無法關(guān)閉，氫液位會持續(xù)升高。通常造成電磁閥無法正常運作的原因有：線路接觸不良，電磁閥內(nèi)部堵塞，電磁閥內(nèi)部密封墊和彈簧老化等。

3.6 人為過失引起

如在啟動設(shè)備時沒有將氫氣放空閥關(guān)閉，氧側(cè)分離器液位會很快下降，氫側(cè)分離器液位則會急劇增高，如不能及時關(guān)閉氫氣放空閥，氫側(cè)液位持續(xù)升高，氧側(cè)液位持續(xù)下降，可能出現(xiàn)因氧側(cè)液位過低導(dǎo)致氧氣進(jìn)入氫側(cè)分離器的現(xiàn)象。另外如果氫側(cè)積水罐的排污閥未關(guān)閉，同樣會引起上述故障現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

氫氣是一種無色、無嗅、無味的可燃?xì)怏w，其化學(xué)活性、擴(kuò)散性、滲透性極強，在生產(chǎn)過程中應(yīng)始終堅持“安全第一，預(yù)防為主”的生產(chǎn)方針，樹立“風(fēng)險可控，事故可防”的理念，正確操作，安全可靠地制取氫氣。