利用三菱PLC实现煤制氢变压吸附的控制

[摘 要]利用三菱PLC实现煤制氢变压吸附的控制。吸附塔是氢气变压吸附的主要设备，本装置变压吸附工艺采用5-1-3PSA工艺。文章的设计主要包括可编程控制器控制系统设计、系统硬件设计、系统软件设计以及最后的可编程控制器系统的调试。

[关键词]变压吸附；吸收塔；可编程控制器（PLC）

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.077

1 概 述

氢气在变压吸附分离过程中，每一个操作过程只有短暂的十几秒左右。就整个操作周期来说，也不过150秒左右，否则，周期太长就会影响装置的流量和纯度。因此控制要求既准确又可靠；另外，还要使这个周期能够安全合理的按照特定的规律运行，一定不能有错误或不符合规范的动作，也不允许存在周期间隔。用PLC程序控制恰能满足这两个要求。

2 变压吸附的工作原理及控制过程

本PSA提纯氢气装置是由五台吸附器（下简称A、B、C、D、E塔）、一台气液分离缓冲罐、一台产品缓冲罐、一台逆放气缓冲罐、一台燃烧气缓冲罐，分离后的气体进入吸附器（A、B、C、D、E）进行吸附，得到的产品氢气经过产品缓冲罐缓冲之后，经计量后到用户去。解析气大部分经逆放气缓冲罐和燃烧气缓冲罐缓冲调压后去导热油炉燃烧，小部分通过放空管放空。

2.1 基本工作步骤

变压吸附基本工作步骤分为吸附和再生两步。而再生又包括以下三步骤。

（1）吸附塔压力降至低压。首先是顺着吸附的方向进行降压（以下简称为顺向放压），接着是逆着吸附的方向进行降压（以下简称逆向放压）。顺向放压时，有一部分吸附剂仍处于吸附状态。逆向放压时，被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，解吸气送至解吸气缓冲罐用作预处理系统的再生气源。

（2）在低压下用产品气冲洗吸附剂，可以清除尚残留于吸附剂中的杂质。

（3）吸附塔升到吸附压力，以准备再次分离原料气。本装置变压吸附工艺采用5-1-3PSA工艺。即装置由5个吸附塔组成，采用3次均压变压吸附过程。其工艺过程主要由吸附（A）、三次均压降压（E1D-E3D）、顺放（PP）、逆放（D）、冲洗（P）、三次均压升压（E3R-E1R）和产品的最终升压（FR）等步骤组成。五个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成一个闭路循环，以保证原料连续输入和产品不断输出。

2.2 工艺流程

2.2.1 吸附（A）

开启KV201a，KV202a；来自气液分离缓冲罐的转化气通过阀KV201a自下而上进入A塔，在工作压力下吸附杂质组份，未被吸附的产品组份，通过阀KV202a流出，其中大部分作为产品从本系统中输出，部分通过阀HV201，KV206b向B塔进行最终升压。吸附完毕，关闭阀KV201a，停止进原料气，同时阀KV202a亦无产品气输出，自动关闭。

2.2.2 一均降压（E1D）

开启KV206a；A塔停止吸附后，与刚结束二均升压步骤的C塔以出口端相连，即通过阀KV206a、KV206c与C塔进行第一级压力平衡，A塔压力降低。均压后A、C塔压力基本相等。关闭KV206a。

2.2.3 二均降压（E2D）

开启KV204a；A塔经一均降压后的气体通过阀KV204a、KV206d与D塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A塔压力再一步降低，直至两塔压力基本相等。关闭阀KV204a，KV206d。

2.2.4 三均降压（E3D）

开启阀KV204a；A塔生剩余的气体通过阀KV204a、KV204e与E塔以出口端相连，进行第三级压力平衡，A塔压力再一步降低，直至两塔压力基本相等。关闭阀KV204e。

2.2.5 顺向放压（PP）

继续开启KV204a；A塔完成三次降压后，塔内剩余气体仍顺着出品方向通过阀KV204a，阀KV207与顺放缓冲罐进行均压。当压力平衡后，停止顺放，进行下一步骤。关闭阀KV204a，阀KV207。

2.2.6 逆向放压（D，简称：逆放）

开启阀KV203a；A塔剩余的气体从塔的入口端经过阀KV203a，进入解析气罐，使吸附剂得到再生。逆放完毕后，A塔压力降为0.02Mpa。

2.2.7 冲洗（P）

继续开启阀KV203a；A塔逆放后，尚残留在塔内的杂质是利用顺放缓冲罐顺放气，通过阀KV207、HV202和KV205a从A塔出口端进入A塔，自上而下地对A塔床层进行冲洗，使塔内杂质进一步脱附，同时打开阀KV208，使冲洗气进入燃烧气缓冲罐。冲洗一段时间后关闭阀KV208，同时打开KV209，通过放空管放空，使杂质脱附彻底。关闭阀KV203a、KV207、KV209、KV205a。

2.2.8 三均升压（E3R）

开启阀KV204a；当A塔冲洗后，与刚结束二均压降的B塔以出口端相连，通过阀KV204b、KV204a与A塔以出口端相连，进行第三级压力平衡，A塔压力升高直至两塔压力基本相等。关闭阀KV204a。

2.2.9 二均升压（E2R）

开启阀KV204a；A塔完成三均升压后，与刚结束一均降压的C塔以出口羰相连，通过阀KV204c、KV204a与A塔以出口端相连，进行第二级压力平衡，A塔压力升高，直至两塔压力基本相等。

2.2.10 一均升压（E1R）

开启阀KV206a；在A塔完成二均升压后，与刚结束吸附的D塔以出口端相连，通过阀KV206d、KV206a与A塔以出口端相连，进行第一级压力平衡，A塔压力进一步升高，直至两塔压力基本相等。

2.2.11 最终升压（FR，简称：终充）

继续开启阀KV206a；A塔的最好终升压是利用产品气进行的，产品气经终充流量控制阀HV201及KV206a，由出口端进入A塔，最终使A塔压力基本接近吸附压力。通过这一步骤后，再生过程全部结束，紧接着便进行下一次循环。

其他四个塔的操作步骤与A塔相同，不过在时间上是相互错开的。这些程控阀及调节阀按规定的程序操作，使变压吸附工艺过程能不断净化原料气，输出产品气。

3 可编程控制器控制系统硬件设计

3.1 PLC外部I/O分配

氢气变压吸附分离过程控制系统PLC外部I/O分配表如下。3.2 PLC的选型

PLC机型的选择，是PLC硬件设计的主要环节，PLC选型时，既要从硬件考虑，同时也要兼顾到软件设计的需要。可编程控制器一般从以下几方面进行选型：

（1）PLC机型的选择。

（2）可编程控制器I/O点数和接口种类的确定。

（3）存储器容量。

（4）PLC型号选择及特殊模块确定。

PLC I/O口分配表（以A塔为例说明）

据上述PLC选型分析可以得出：本设计方案针对于氢气变压吸附控制系统设计，确定整个系统共有48个输入点，45个输出点，因此选用一台FX2N-128MR型号PLC。

三菱FX0N-3A是模拟特殊功能模块：有两个输入通道和一个输出通道。输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数值；输出通道采用数字值并输出等量模拟信号；最大分辨率为8位。该模块具有A/D转换模块和D/A转换模块。通过控制系统中的传感器，将采集的模拟量信号送入模拟量输入模块进行A/D转换，将连续的模拟量（0～10V、4～20mA）信号转换成离散的数字量（0～255），存储到PLC内存里，用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果进行D/A转换为模拟量（0～10V、4～20mA）信号去驱使执行元件。FX0N-3A在PLC扩展母线上占用8个I/O点，8个I/O点可以分配给输入或输出。

所以综上所述，根据在此次的设计中选择FX2N-128MR型号PLC，其基本单元带64点输入/64点继电器输出。

3.3 氢气变压吸附分离过程控制系统PLC外部接线

此外部接线主要是以A塔为例进行设计接线。

4 结 论

该系统具有优良的环境适应能力和可靠性，在变压吸附生产中具有广泛的应用前景。其优点包括：安全可靠，操作简单方便，减少了工作量，提高了工作效率。且氢气的纯度可达到99.9%。

参考文献：

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[4]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京：清华大学出版社，2008.