Система автоматизации процесса получения электролитического водорода

Удовенко В.А., Макаренко В.Г.

Южно-Российский Государственный Политехнический Университет имени М.И. Платова

Новочеркасск, Россия

Водород как технический продукт широко используют во многих отраслях экономики. В последнее время водород рассматривают как универсальный теплоноситель и как аккумулятор энергии. При этом следует учитывать и то, что водород является экологически чистым видом топлива. Для экономики высокоразвитых стран данный факт является одним из важнейших.

Одним из недостатков данного энергоносителя является его относительная дороговизна, по сравнению с углеводородным сырьем. Но развитие технологий производства, в том числе и их автоматизация, могут позволить решить эту проблему в ближайшем будущем.

Для получения водорода в основном применяют [2] электролизеры. Электролизер предназначен для электрохимического разложения воды на водород и кислород. Выделяющиеся на электродах газы разделены асбестовой диафрагмой, прикрепленной к диафрагменным рамам.

Для достижения наилучшего качества продукции, обеспечения эффективности и безопасности производства в процессе электролиза следует контролировать следующие основные технологические параметры: напряжение на ячейке электролизера; уровень электролита в электролизере; давление и температура в электролизере; концентрации водорода и кислорода на выходе из системы; плотность электролита.

Схема автоматического контроля и управления установкой электролиза представлена на рисунке 1.

Для поддержания оптимального режима работы электролизера необходимо управлять температурой электролита, так как она является наиболее точным показателем, качества работы установки. По температуре электролита можно судить о количестве образовавшегося водорода на катоде и т.д.

Часто предлагается [1] регулировать температуру электролита по каналу воздействия: питающее напряжение электролизера - температура электролита (давление в электролизере). Однако, в силу большой инерционности данного канала управления это не всегда является эффективным.

Рисунок 1 - Схема автоматического автоматизации установки электролиза

автоматизация электролитический водород

В таком случае можно решить проблему следующим образом - сделать систему непрерывной подачи электролита в электролизер из системы подготовки, который будет заранее нагрет до температуры близкой к рабочей. В процессе электролиза происходит непрерывная рециркуляция раствора электролита между электролизером поз.1 и разделительной колонкой поз.2, при этом часть электролита расходуется. Тем не менее, необходимо поддерживать уровень электролита в электролизере постоянным (1,5м), т.к. в данном случае система работает стабильно, а выход продукта достаточно велик. Тогда по сигналу с уровнемера можно формировать управляющее воздействие, с помощью которого регулируется количество электролита, поступающего в электролизер из системы подготовки. Колебания уровня в процессе будут достаточно малы и допустимы. Тем самым можно не только стабилизировать уровень электролита в электролизере, но также и его температуру.

По мере расхода электролита во время технологического процесса уровень его будет снижаться. Необходимо поддерживать его значение, стабильным. Отклонения от номинального уровня в пределах 10-20 см являются допустимыми.

Структурная схема АСР уровня представлена на рисунке 2.

Рисунок 2- Структурная схема АСР уровня:

где Wд(р) - гидростатический датчик уровня, описывается звеном первого порядка; Wим(р) - исполнительный механизм, представляет последовательное соединение звена первого порядка и интегрирующего звена; Wор(р) - Передаточная функция электролизера по каналу «изменение уровня- подача электролита».

Используем классическую систему управления с обратной связью (регулирование по отклонению). Для обеспечения работы такой системы необходимо измерять регулируемый параметр, сравнить его с заданным значением, определить величину ошибки и ее знак; рассчитать по выбранному алгоритму управления управляющее воздействие; подать управляющее воздействие через исполнительный механизм на объект управления.

В качестве управляющего устройства выбран микропроцессорный регулятор ОВЕН ТРМ148, отличающийся сравнительной дешевизной и универсальностью. Благодаря встроенной программе «Конфигуратор ТРМ148» можно отдельно проводить моделирование системы в специализированных программных средах.

Согласно заданным показателям качества произведен расчет коэффициентов регулятора. Программа рассчитывает параметры регулятора и отображает результаты в окне «Результаты оптимизации».

Переходная характеристика замкнутой, скорректированной АСР полученная в результате моделирования системы представлена на рисунке 4б.

При коэффициентах настройки Kp=20 и Kd=160 время регулирования T=7.20779c, а максимальное значение выходной величины y_max=1.06452, т.е. перерегулирование не превышает 20%.

Сравнивая выдвинутые технологические требования к системе и результаты ее моделирования можно судить, что заданное качество регулирования обеспечивается.

Список литературы

1. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справочник /Д. Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д. Ю. Гамбург, Н. Ф. Дубовкин. - М.: Химия, 1989. - 672 с.

2. Якименко Л. М., Модылевская И. Д., Ткачек З. А. Электролиз воды. - М.: Химия, 1970. - 264 с.