基于PKS的制氢装置控制系统设计与实现

孙明革　张杰

摘 要：当前在氢气等相应气体的制备上有着极高的要求。这主要体现在两点上：一是制备工艺的改善；二是生产设备自控系统的高标准。而之所以会这样，和气体纯度、控制成本以及环保等需求有着极为紧密的关联。该文从课题研究的相关背景入手，首先阐述了PKS系统结构和变压吸附方式，接着概括了变压吸附制氢工艺，最后详细分析了基于PKS的制氢装置控制系统设计。

關键词：制氢装置 变压吸附 控制

中图分类号：TQ050 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0075-02

工业革命之后，科技呈现出了极为迅猛的发展。化石燃料等的大规模的耗用在推动社会高速发展及生活水平大幅度增长的同时，也造成了极为恶劣的污染乃至是能源枯竭等难题。而在众多新型清洁能源里面，人们觉得氢能是最具可能得到普遍运用的一种。从世界范畴来看，很多国家都愈发关注氢能对化石燃料的取代，其也确实是在众多领域里面得到了普遍运用。

1 制氢装置控制系统的相关理论概述

1.1 PKS系统概述

Honeywell在过程控制上拥有多年的丰富的经验，其Honeywell PKS系统在控制系统中具有相当高的优越性。其具有很强的诊断能力和决策能力，另外控制系统的独立性也提高了系统的安全性和可靠性。通过对其的运用，工业企业能够获得全方位的知识体系及处理方案。该系统可以用来达成多样化的自控需求，将收集数据以及过程控制等功能综合在同一系统里面去，从而让工业生产在相关性能上达到较高标准。

该系统主要是利用FTE来达成对主干网络的调控。FTE属于Honeywell的专利，它主要用来实现网络调控的相应目标。在FTE随便两节点间构建起4条通信通道，就能够同时达成对单故障点以及多故障点的容错。

1.2 变压吸附（PSA）吸附特点

利用变压吸附的方式能够实现对氢气的提取。这主要是因为吸附剂具备两大显著特性。首先，当组份不一样的时候，吸附能力也不一样。其次，当吸附质气压增高的时候，其吸附容量也会上涨。当吸附温度变高的时候，其吸附容量则会降低。发挥特性一的作用，能够最先把里面的杂质吸附出来，这样就能够让氢气达到较高的纯度标准。发挥特性二的作用，能够于高压条件中实现对吸附剂的吸附。同样地，还能够于低压条件中实现对吸附剂的解吸。这样就能够实现吸附和再生的反复运转，最终满足氢气持续提纯的相应要求。

制氢变压吸附（PSA）工艺步骤由吸附、均压降、顺放、逆放、冲洗、均压升和终充压等组成。具体情况如下。

（1）吸附流程主要是于高压常温环境中把杂质吸附出来，初步获得产品。

（2）减压流程主要是经由相应次数的均衡降压来回收相应氢气。

（3）顺放流程主要是经由顺向降压来实现气源再生。

（4）逆放流程主要是经由逆向降压来实现部分再生。

（5）冲洗流程主要是经由冲洗降压来实现最后再生。

（6）升压流程主要是经由相应次数的均衡乃至是终充压来达成吸附压力标准，奠定好下次吸附的基础。

2 基于PKS的制氢装置控制系统设计与实现

2.1 变压吸附制氢工艺

该装置PSA制氢的工艺流程，即由12台吸附器和一系列程控阀门组成，采用3塔同时吸附6次均压的12塔工艺，由酸脱变换气、深冷富氢气以及乙二醇弛放气组成的原料气进入制氢工序吸附塔中。该系统中始终有3个处于吸附状态的吸附塔，每台吸附塔在一个循环周期内依次经历吸附、6次均压降、3次顺向放压、2次逆向放压、3次冲洗、6次均压升、终充压等步骤。原料气通过吸附塔吸附剂将杂质吸附，最终纯度大于 99.9%的产品氢气会从吸附器塔顶排出。经过产品气罐储存，通过稳压和计量后送到下一个工序。而副产品解吸气通过压缩机送至全厂燃气管网或CO变换单元循环利用。

2.2 工艺流程说明

在该工艺里面，受常温高压环境的影响，吸附剂能够很快吸附出易吸附组分，而剩下的组分就会自床层外流。接着，床层吸附压力会下降。在这个时候，之前吸附的组分就会解附，于另一侧外排。经由这些流程，就能够达成分离以及提纯气体的相应目标。在这个过程里，还能够再生吸附剂。

然而，一般而言，在该工艺里，就算能够把床层吸附压降到常压标准，也根本无法彻底解吸相应杂质。在这个时候，就算选择两类方式来再生吸附剂。一是经由产品气来冲洗床层，让该杂质分压下降到较小标准。这样就能够置换无法解吸的杂质。其只要是处在常压环境中就能够达成目的，却会造成产品气的一些损失。二是经由抽真空方式强制性地解吸杂质。即真空变压吸附。其能够起到极强的再生成效，达到较强的收率，却对真空泵有着很高要求，能耗也会更多。此课题项目中选用的是通过产品气来解吸催化剂吸附的杂质，完成催化剂的再生。

2.3 变压吸附制氢装置控制系统的说明

变压吸附制氢装置选定的PKS系统用到了R410.2版本的设计软件以及C300控制器。该控制能够达到较佳的顺序控制功能，且能实现PSA复杂逻辑调控。通过对PSA工艺的分析，明确在控制系统中，主要控制对象为吸附塔的程控阀、产品气的缓冲罐压力等。

2.3.1 吸附塔程控阀正常运行时序控制

该课题PSA系统有12个塔正常工作时，每个塔有10个阀门工作，按照吸附、均降、顺放、逆放、冲洗、均升和终升七大部分，共60步顺序执行。

2.3.2 吸附塔程控阀切塔运行时序控制

当系统中的吸附塔需要检修或者塔上阀门出现故障时需要停止该塔运行，另外11塔正常运行，这时需要执行切塔操作，剩余11塔的时序由60步切换到55步。每个塔上的程控阀需要按照新的时序执行相应操作，被切除塔在相应的步数退出控制。

2.3.3 吸附塔程控阀加塔运行时序控制

当被切除塔故障排除后，需要将其重新投入正常运行，需要设计DCS控制程序根据各塔的压力状态，自动确定恢复后应进入的最佳运行步序，然后自动等待到该步序的最佳切入时机，切入新程序，让系统波动最小。

2.3.4 压力控制

在产品气的压力控制单元中，当吸附尾气压力降低并低于设定值时，调节阀门自动减小开度；当吸附尾气压力增加并高于设定值时，调节阀门自动增加开度，通过PID控制方式，控制氢气吸附塔吸附压力。

压力控制在PSA的运行过程中起着至关重要的作用，若压力控制不能正常工作，则PSA单元各吸附塔的压力无法得到有效的控制，通过吸附得到的产品就不能达到合格标准。

3 结语

该控制系统具有操作简单、便于维护的特点，能够对制氢装置进行精确的自动化控制。相关制氢企业根据该系统对现有制氢装置进行自动化改造，可以有效提高氢气产量与纯度，降低生产成本、提高利润，实现节能降耗的改造目的。该系统已经在煤化工项目中投入使用，运行稳定、可靠，具有推广应用价值。

参考文献

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[2] 黄国栋，张华阳，孙博，等.变压吸附装置提高氢气收率的优化措施[J].炼油技术与工程，2009（10）：12-18.

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科学技术创新杂志社

2020-07-14