2024年6月14日发(作者：乐浩博)
第４２．卷 第６期
２０２２ 年６月
煤气与热 力
ＧＡｓ＆ＨＥＡＴ
Ｖｏｌ４２Ｎｏ６
Ｊｕｎ．２０２２
·燃气汽车·船舶·加气站·
制氢加氢一体化站自控系统设计
周忻吾，胡周海，黄一兴
（北京市公用工程设计监理有限公司，北京 １０００２３）
摘 要；针对某制氢加氢一体化站，介绍工艺流程，提出一种由可编程逻辑控制器、安全仪表
系统和等体检测报整系统组成的自控系统设计方案。介绍了制氢装置及加氢装置的主要控制联锁
方案。
关键词∶ 制氢加氢一体化站； 自控系统； 控制联锁
中图分类号∶Ｕ４７３．８ 文献标志码∶ Ｂ
文章编号∶１０００－４４１６（２０２２）０６－０Ｂ１９－０５
１ 概述
随着环保要求的日益提高，各国越来越重视发
展新能源汽车。自＂十二五＂确定七大战略性新兴
产业以来【１，国家密集出台了多项新能源汽车鼓励
天然气重整制氢设备、天然气变压吸附设备、储氢设
备、氢气压缩机及加氢机等。
２．２ 工艺流程【５】
工艺流程见图１。
原料天然气通过转化炉预热到２８０ ℃进入脱硫
槽，脱硫槽内的氧化锰及氧化锌脱硫剂将天然气硫
质量浓度降至０．０２ ｍｇ／ｍ２之下，以满足后续反应要
求。脱硫后的天然气与饱和蒸汽混合，进入转化炉
政策。相较于目前已形成规模的电动汽车产业，氢
燃料电池汽车的发展还处于开始阶段。氢燃料电池
汽车与燃油车相比，有零排放、高效率等优势；与电
动汽车相比，有能量密度大、加注燃料时间短、续航
里程长等优点。截至 ２０２０年１２月底，国内已投入
运营的加氢站约１０１座。作为氢燃料电池汽车的配
套设施，加氢站的设置与运营影响着氢燃料电池汽
预热盘管进一步加热到 ５５０ ℃，在转化炉辐射段发
生转化反应。转化反应为∶
ＣＨ，＋Ｈ，０—→ＣＯ＋Ｈ，
车产业的发展。制氢加氢一体化站相较于单一作用
的加氢站，可减少高压氢气长距离运输成本，也能避
免上游氢源短缺时站内无氢可加的情况出现。
ＣＯ＋Ｈ，０—ＣＯ，＋Ｈ，
（１）
（２）
转化后产品气温度约为８００ ℃，进入废热锅炉
及换热器，给锅炉用脱盐水预热，产品气降温至 ３３０
为满足制氢加氢一体化站连续生产、销售的工
℃后进入中变炉，发生如下变换反应∶
作需求，本文提出了一套自控系统的设计方案【２１。
此外，分析制氢、加氢装置中较为重要的控制、联锁
ＣＯ＋Ｈ，０—→ＣＯ，＋Ｈ，
（３）
变换反应为放热反应，变换后产品气再次进入
方案。
２ 工艺流程
废热锅炉及换热器，与锅炉用脱盐水换热进行降温。
产品气降温至５０ ℃后进入中变气冷却分离器，分离
２．１ 工程概况
某制氢加氢一体化站设置了一套天然气重整制
氢系统３－４】，制氢规模１０００ ｋｇ／ｄ。３５ ＭＰａ加氢设
备两套，并预留 ７０ ＭＰａ加氢能力。站内所需原料天
然气引自本站旁天然气调压站。主要工艺装置包括
出来的冷凝液可接入脱盐水系统或通过地沟排放。
随后产品气进入 ＰＳＡ变压吸附装置。本站采用５－
１－３／Ｐ模式ＰＳＡ变压吸附【６】。经过ＰＳＡ 变压吸附
后的氢气纯度及杂质含量满足燃料电池汽车用燃料
标准。吸附塔再生过程中产生主要组分为甲烷、氢
第一作者简介；周忻吾，男，工程师，硕土，从事电气仪表专业设计工作。
收稿日期∶２０２１－０９－０９；修回日期；２０２１－１２－２１
·Ｂ１９．
第４２卷 第６期
煤 气与热 力
锅炉给水泵
ｗｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ．ｃｎ
原料天然气
天然气，饱和蒸汽混合气
Ｑ
服盐水
完序玉
转化护
加
饱和蒸汽
预热后天然气
氢气（２ ＭＰａ）
换热器
换热器
燃料天然气
Ｃ
空气鼓风机
转化后产品气
中变炉
－ａ
中变气冷却
分离器
冷凝液
排入地沟
】解析气
缓冲罐
变压吸
附装置
ＰＳＡ
变换后产品气 废热锅炉
加氢装置
氢气长管拖车
制氢装置
充装卸气框
叶
低压储氢瓶组
诉是
Ｆｏ
ｏＯ
氢气（２０ ＭＰａ）
Ｏ＋
→原料天然气管道十燃料天然气管道一—脱盐水管道
加氢压缩机
氢气（４５ ＭＰａ）
Ｃ
蒸汽管道
→氯气管道
产品气管道
→冷凝管道
丰解析气管道
→空气管道 高、中、低压储氢瓶组
图１ 工艺流程
二氢业
气、一氧化碳及二氧化碳的解析气，用作转化炉的燃
制功能的实现。压缩机及加氢机 ＰＬＣ 自带 ＲＳ４８５
通信接口，采用ＭＯＤＢＵＳ－ＲＴＵ 协议与本站ＰＬＣ系
统进行通信。当站内发生事故，ＰＬＣ 系统失效时，
ＳＩＳ 自动介入，将紧急切断阀联锁置于故障安全位
置，对压缩机及加氢机进行联锁停车，降低事故发生
的可能性。ＧＤＳ 对全站范围内氢气泄漏情况进行
检测。当站内发生氢气泄漏时，将报警信号传输至
ＰＬＣ系统，站内触发声光警报。如氢气泄漏严重，则
将报警信号传输至 ＳＩＳ，联锁全站设备停车。上述
信号均通过仪表电缆进行传输。
ＰＬＣ系统、ＳＩＳ、ＧＤＳ 及上位机等设备通过屏蔽
双绞线接入站内工业以太网进行信息交流。站内自
控系统预留与燃气总公司监控中心的通信接口，可
通过４Ｇ或５Ｇ 网络将站内信息上传，从而实现装置
料，既可以解决再生尾气排放问题，又能节约燃料天
然气的消耗。
将２．０ ＭＰａ氢气送至加氢装置。首先通过储氢
压缩机将氢气压力升至 ２０ ＭＰａ，并充入低压储氢瓶
组中。再通过加氢压缩机将氢气进一步升压至 ４５
ＭＰａ，并分别充入高、中、低压储氢瓶组。加氢机根
据燃料电池汽车内储气瓶压力情况选择合适压力的
储氢瓶组进行供气。站内设置氢气充装卸气柜一
套。当站内生产氢气大于加氢需求时，可通过氢气
长管拖车将多余氢气运走。当站内氢气不能满足加
氢需求时，可用外来氢气补充。
３ 自控系统设计
３．１ 自控系统组成
该站自控系统主要由 ＰＬＣ（可编程逻辑控制
器）系统、ＳＩＳ（安全仪表系统）、ＧＤＳ（气体检测报警
系统）及上位机组成【７１，自控系统逻辑图见图２。其
中ＰＬＣ系统负责站内正常生产过程中，现场仪表、
控制阀、压缩机 ＰＬＣ、加氢机 ＰＬＣ 等信号的采集、控
的远程监控。
３．２ 主要控制及联锁方案
① 原料天然气及饱和蒸汽定比例调节
原料天然气需与饱和蒸汽混合后进入转化炉发
生转化反应。由于高水碳比可以提高天然气中甲烷
·Ｂ２０
ｗｗｗ． ｇａｓｈｅａｔ． ｃｎ
周忻吾，等∶制氢加氢一体化站自控系统设计
第４２ 卷 第６期
打印机
监控中心
路由器
工业以太网
Ｘ
防火墙
４Ｇ／ＳＧ 网络
交换机
报警信号
ＰＬＣ 系统
ＳＩＳ
ＧＤＳ
信号输人
信号输出
信号通偏职调停车
帽号通帽
联锚榔车
信号输人
信号输出
信号输人
加氢机
变送器 控制阀
变送器 控制阀
压缩机
ＰＬＣ
ＰＬＧ
Ｏ
氢气探测器
：
＝ 仪表电缆
—— 屏蔽双绞线
的转化率，抑制转化时的析碳副反应【【３】，故将饱和
蒸汽与天然气按照水碳比（物质的量比）为３．５∶１
进行混合。为满足设定的水碳比，系统选用双闭环
流量比值控制。在原料天然气管道上设置１台涡街
图２ 自控系统逻辑图
定值控制
比值控制
原料天然气Ｓ
向－
流量计ＦＴ－０１，在饱和蒸汽管道上设置１台孔板流
量计ＦＴ－０２，并在２条管道上分别设置流量调节阀
ＦＶ－０１、ＦＶ－０２。将天然气流量定为主物料流量，
润街流量计
流量调节阀
定值控制
饱和蒸汽流量定为从物料流量。当流量计 ＦＴ－０１
检测到主物料流量或流量计ＦＴ－０２ 检测到从物料
流量有波动时，通过改变流量调节阀 ＦＶ－０１或 ＦＶ
－０２的开度，对流量进行定值控制，使物料流量始
饱和蒸汽
终稳定在设定值附近。当主物料流量设定值发生变
化时，通过ＰＬＣ 系统进行比值控制，使从物料流量
设定值也发生变化，从而使饱和蒸汽与天然气的水
孔板流量计
流量调节阀
仑→原料天然气管道一个饱和蒸汽管道一一信号线
３。
碳比一直保持在３．５左右。流量比控制流程见图
② 转化炉炉膛温度联锁
转化炉温度联锁控制流程见图４。转化炉炉膛
图３ 流量比控制流程
ＨＶ－０２，在解析气管道上设置切断阀ＨＶ－０３。如
炉管积灰结焦或转化炉发生偏烧时，可能导致转化
炉炉膛温度升高。为兼顾系统安全性及可用性，当
３台热电偶中有２台达到高温联锁值１１５０ ℃时，联
锁切断 ＨＶ－０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风
机停机，防止炉管超温损坏。
③ 燃料天然气进转化炉压力联锁
设置３台温度变送器【９，采用Ｂ型铠装热电偶，测
量范围为０￣１ ８００ ℃。在原料天然气管道上设置
切断阀 ＨＶ－０１，在燃料天然气管道上设置切断阀
·Ｂ２１·
第４２卷 第６期
煤气与热 力
ｗｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ．ｅｎ
气相口
＜变换后产品气
转化炉
温度！
变送器Ｖ
我
－原料天然气
变换后产品气—
中变气冷却分离器
切断阀 压力变送器
燃料天然气
切断阀 压力变送器
—－解析气
差压液位变送器
冷凝液
）音叉液位开关
液相口
冷凝液去脱盐水系统
空气鼓风机
一 解析气管道
以手阀
冷凝液去地沟
Ｓ
切断阀 液位调节阀
← 原料天然气管道
◆空气管道
－ 燃料天然气管道
卡产品气管道 冷凝液管道
图５ 中变气冷却分离器液位控制联锁流程
图４ 转化炉温度、压力联锁控制流程
压力联锁控制流程见图４。在燃料天然气（简
称燃料气）进转化炉管道上设置１台压力变送器 ＰＴ
比为４∶３∶２【１】。目前国内氢燃料电池汽车的氢气瓶
工作压力一般为３５ ＭＰａ。当储氢瓶组均为充满时，
给氢燃料电池汽车加氢，首先使用低压瓶组进行充
－０１。当燃料气供应不足导致气体压力下降，ＰＴ－
０１达到低压联锁值 ０．０３ ＭＰａ 时，联锁切断ＨＶ－
０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风机停机，防止
转化炉火焰熄灭，引发回火。
④ 解析气进转化炉压力联锁
压力联锁控制流程见图４。在解析气进转化炉
气。当低压瓶组内压力降为３５ ＭＰａ 时，切换至中压
瓶组进行充气。当中压瓶组内压力也降为３５ ＭＰａ
时，切换至高压瓶组进行充气。通过程序控制瓶组
出口阀门的自动切换，保证加氢时低压瓶组与中压
瓶组、中压瓶组与高压瓶组之间压力差为５～１０
ＭＰａ。当低压瓶组压力约为１６ ＭＰａ、中压瓶组压力
约为２６ ＭＰａ、高压瓶组压力约为３６ ＭＰａ时，再次启
动压缩机将３种瓶组充满氢气。
管道上设置１台压力变送器 ＰＴ－０２。如 ＰＳＡ变压
吸附装置发生故障时，可能导致解析气压力升高。
当ＰＴ－０２达到高压联锁值０．０５ ＭＰａ 时，联锁切断
ＨＶ－０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风机停
⑦ 制氢装置与加氢装置之间联锁关系
当制氢装置停车时，联锁切断从制氢装置至加
氢装置的氢气管道上的紧急切断阀。加氢可使用储
氢瓶组内氢气继续加注。当储氯瓶组内压力不足且
制氢装置仍不满足开车条件时，加氢装置停车。
机，防止引发炉内闪爆。
⑤ 中变气冷却分离器液位控制及联锁
中变气冷却分离器液位控制联锁流程见图５。
中变气冷却分离器设置１台差压液位变送器ＬＴ－
０１及１台音叉液位开关ＬＳ－０２，在中变气冷却分离
器液相口管路设置１台液位调节阀ＬＶ－０１及１台
切断阀 ＨＶ－０４。通过检测中变气冷却分离器液位
来调节ＬＶ－０１开度。当ＬＶ－０１发生故障，调节功
当加氢装置出现故障停车时，根据恢复时间对
制氢装置生产过程进行调整。如加氢装置故障可短
时间修复，可将制氢装置转化炉调为低负荷工作模
式，减少氢气产量，并将产生的氢气充入站内储氢瓶
组。如判断加氢装置短时间无法恢复工作，则启动
转化炉停炉程序，并将除储氢瓶组外工艺管道及设
备内氢气放空，以保障设备及人员安全。
能失灵导致液位下降，ＬＴ－０１ 及ＬＳ－０２都达到低
液位联锁值５０ ｍｍ 时，联锁切断 ＨＶ－０４，防止冷凝
液直排时，混有变换后产品气的液体直接排入地沟，
造成可燃气体泄漏引发火灾。
⑥ 高、中、低压储氢瓶组控制
在保证氢气充装速度的同时，为提升氢气使用
效率，该站设置高、中、低压 ３种储氢瓶组。３种储
氢瓶组充满时的压力均为４５ ＭＰａ，给汽车充装后剩
⑧ 全站紧急停车
当站内发生火灾、氢气泄漏体积分数达到爆炸
下限的 ２５？？即氢气体积分数为１？？或其他重大
安全事故时，触发 ＳＩＳ，紧急停车功能发挥作用。站
内设置的声光报警器发出报警信号，将各系统紧急
切断阀联锁置于故障安全位置，将紧急停车信号分
余瓶内氢气压力不同。高、中、低压储氢瓶组的容积
别传输至加氢机、压缩机等控制器，联锁停机。
·Ｂ２２．
ｗｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ．ｃｎ
周忻吾，等∶制氢加氢一体化站自控系统设计
第４２ 卷 第６期
【９】 王剑星，魏小明，于国庆，等．转化炉高温热电偶保
护管材料的研究与应用【Ｊ】．化工自动化及仪表，
参考文献∶
【１】 国务院．国务院关于加快培育和发展战略性新兴产
２０２０（１）：３７ －４２．
【１０】 张奇．加氢站储氢容器优化配置研究【Ｊ】．化工设计
业的决定【ＥＢ／ＯＬ】．【２０１０－１０－１８】．ｈｐ∶／／ｗｗｗ．
ｇｐｖ．ｃｎ／ｚｗｇｋ／２０１０－１０／１８／ｃｏｎｔｅｎｔ＿１７２４８４８．ｈｔｍ．
【２】 张立芳，张硕．制氢加氢站关键技术及系统的研究
【Ｃ】／／北京久安通氢能科技有限公司．第六届中国
智能交通年会暨第七届国际节能与新能源汽车创新
发展论坛论文集．北京∶科学技术文献出版社，２０１１∶
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ
通讯，２０２１（８）∶１１９－１２１．
［３ ］ ＡＳＨＣＲＯＦＴＡＴ，ＣＨＥＥＴＨＡＭ Ａ Ｋ．Ｐａｒｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ
ｍｅｔｈａｎｅ ｔｏ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｕｓｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ［Ｊ］．Ｎａ－
１９９－２０８．
ｔｕｒｅ，１９９１，３５２：２２５－２２６．
【４】 张云洁，李金英．天然气制氢工艺现状及发展【Ｊ】．
ｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓ－
ｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｓａｆｅｔｙ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｉｓ ｉｎ－
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ
ＺＨＯＵ Ｘｉｎｗｕ，ＨＵ Ｚｈｏｕｈａｉ，
ＨＵＡＮＧ Ｙｉｘｉｎｇ
广州化工，２０１２（１３）∶４１－４２．
【５】 王业勤，杜雯雯，许兴发，等．小型天然气水蒸汽重整
制氢系统的研发【Ｊ】．工厂动力，２００８（３）∶４０－４３．
ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ
ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｕｎｉｔ ｉｓ
【６】 孙震．变压吸附单元程控阀应用探讨【Ｊ】．石油化工
自动化，２０２１（４）；８２－８５．
【７】 毕胜利．加氢站水电解制氢装置控制系统设计（硕
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
士学位论文）【Ｄ】．天津∶天津大学，２００８∶２７－３２．
【８】 周伟民，白尚奎．制氢装置水碳比影响分析【Ｊ】．辽
ｔｅｒｌｏｃｋ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ； ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ－
（本文责任编辑∶林国真）
宁化工，２０２１（９）∶１３８５－１３８７，１３９０．
二
，
。
１
Ｃ为ｏＬｅ
己引为试
易影影跨型
第十五届中庭士。
佑奖获奖工程∶南京牛首山文化旅游区佛顶宫工程
·Ｂ ２３·
2024年6月14日发(作者：乐浩博)
第４２．卷 第６期
２０２２ 年６月
煤气与热 力
ＧＡｓ＆ＨＥＡＴ
Ｖｏｌ４２Ｎｏ６
Ｊｕｎ．２０２２
·燃气汽车·船舶·加气站·
制氢加氢一体化站自控系统设计
周忻吾，胡周海，黄一兴
（北京市公用工程设计监理有限公司，北京 １０００２３）
摘 要；针对某制氢加氢一体化站，介绍工艺流程，提出一种由可编程逻辑控制器、安全仪表
系统和等体检测报整系统组成的自控系统设计方案。介绍了制氢装置及加氢装置的主要控制联锁
方案。
关键词∶ 制氢加氢一体化站； 自控系统； 控制联锁
中图分类号∶Ｕ４７３．８ 文献标志码∶ Ｂ
文章编号∶１０００－４４１６（２０２２）０６－０Ｂ１９－０５
１ 概述
随着环保要求的日益提高，各国越来越重视发
展新能源汽车。自＂十二五＂确定七大战略性新兴
产业以来【１，国家密集出台了多项新能源汽车鼓励
天然气重整制氢设备、天然气变压吸附设备、储氢设
备、氢气压缩机及加氢机等。
２．２ 工艺流程【５】
工艺流程见图１。
原料天然气通过转化炉预热到２８０ ℃进入脱硫
槽，脱硫槽内的氧化锰及氧化锌脱硫剂将天然气硫
质量浓度降至０．０２ ｍｇ／ｍ２之下，以满足后续反应要
求。脱硫后的天然气与饱和蒸汽混合，进入转化炉
政策。相较于目前已形成规模的电动汽车产业，氢
燃料电池汽车的发展还处于开始阶段。氢燃料电池
汽车与燃油车相比，有零排放、高效率等优势；与电
动汽车相比，有能量密度大、加注燃料时间短、续航
里程长等优点。截至 ２０２０年１２月底，国内已投入
运营的加氢站约１０１座。作为氢燃料电池汽车的配
套设施，加氢站的设置与运营影响着氢燃料电池汽
预热盘管进一步加热到 ５５０ ℃，在转化炉辐射段发
生转化反应。转化反应为∶
ＣＨ，＋Ｈ，０—→ＣＯ＋Ｈ，
车产业的发展。制氢加氢一体化站相较于单一作用
的加氢站，可减少高压氢气长距离运输成本，也能避
免上游氢源短缺时站内无氢可加的情况出现。
ＣＯ＋Ｈ，０—ＣＯ，＋Ｈ，
（１）
（２）
转化后产品气温度约为８００ ℃，进入废热锅炉
及换热器，给锅炉用脱盐水预热，产品气降温至 ３３０
为满足制氢加氢一体化站连续生产、销售的工
℃后进入中变炉，发生如下变换反应∶
作需求，本文提出了一套自控系统的设计方案【２１。
此外，分析制氢、加氢装置中较为重要的控制、联锁
ＣＯ＋Ｈ，０—→ＣＯ，＋Ｈ，
（３）
变换反应为放热反应，变换后产品气再次进入
方案。
２ 工艺流程
废热锅炉及换热器，与锅炉用脱盐水换热进行降温。
产品气降温至５０ ℃后进入中变气冷却分离器，分离
２．１ 工程概况
某制氢加氢一体化站设置了一套天然气重整制
氢系统３－４】，制氢规模１０００ ｋｇ／ｄ。３５ ＭＰａ加氢设
备两套，并预留 ７０ ＭＰａ加氢能力。站内所需原料天
然气引自本站旁天然气调压站。主要工艺装置包括
出来的冷凝液可接入脱盐水系统或通过地沟排放。
随后产品气进入 ＰＳＡ变压吸附装置。本站采用５－
１－３／Ｐ模式ＰＳＡ变压吸附【６】。经过ＰＳＡ 变压吸附
后的氢气纯度及杂质含量满足燃料电池汽车用燃料
标准。吸附塔再生过程中产生主要组分为甲烷、氢
第一作者简介；周忻吾，男，工程师，硕土，从事电气仪表专业设计工作。
收稿日期∶２０２１－０９－０９；修回日期；２０２１－１２－２１
·Ｂ１９．
第４２卷 第６期
煤 气与热 力
锅炉给水泵
ｗｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ．ｃｎ
原料天然气
天然气，饱和蒸汽混合气
Ｑ
服盐水
完序玉
转化护
加
饱和蒸汽
预热后天然气
氢气（２ ＭＰａ）
换热器
换热器
燃料天然气
Ｃ
空气鼓风机
转化后产品气
中变炉
－ａ
中变气冷却
分离器
冷凝液
排入地沟
】解析气
缓冲罐
变压吸
附装置
ＰＳＡ
变换后产品气 废热锅炉
加氢装置
氢气长管拖车
制氢装置
充装卸气框
叶
低压储氢瓶组
诉是
Ｆｏ
ｏＯ
氢气（２０ ＭＰａ）
Ｏ＋
→原料天然气管道十燃料天然气管道一—脱盐水管道
加氢压缩机
氢气（４５ ＭＰａ）
Ｃ
蒸汽管道
→氯气管道
产品气管道
→冷凝管道
丰解析气管道
→空气管道 高、中、低压储氢瓶组
图１ 工艺流程
二氢业
气、一氧化碳及二氧化碳的解析气，用作转化炉的燃
制功能的实现。压缩机及加氢机 ＰＬＣ 自带 ＲＳ４８５
通信接口，采用ＭＯＤＢＵＳ－ＲＴＵ 协议与本站ＰＬＣ系
统进行通信。当站内发生事故，ＰＬＣ 系统失效时，
ＳＩＳ 自动介入，将紧急切断阀联锁置于故障安全位
置，对压缩机及加氢机进行联锁停车，降低事故发生
的可能性。ＧＤＳ 对全站范围内氢气泄漏情况进行
检测。当站内发生氢气泄漏时，将报警信号传输至
ＰＬＣ系统，站内触发声光警报。如氢气泄漏严重，则
将报警信号传输至 ＳＩＳ，联锁全站设备停车。上述
信号均通过仪表电缆进行传输。
ＰＬＣ系统、ＳＩＳ、ＧＤＳ 及上位机等设备通过屏蔽
双绞线接入站内工业以太网进行信息交流。站内自
控系统预留与燃气总公司监控中心的通信接口，可
通过４Ｇ或５Ｇ 网络将站内信息上传，从而实现装置
料，既可以解决再生尾气排放问题，又能节约燃料天
然气的消耗。
将２．０ ＭＰａ氢气送至加氢装置。首先通过储氢
压缩机将氢气压力升至 ２０ ＭＰａ，并充入低压储氢瓶
组中。再通过加氢压缩机将氢气进一步升压至 ４５
ＭＰａ，并分别充入高、中、低压储氢瓶组。加氢机根
据燃料电池汽车内储气瓶压力情况选择合适压力的
储氢瓶组进行供气。站内设置氢气充装卸气柜一
套。当站内生产氢气大于加氢需求时，可通过氢气
长管拖车将多余氢气运走。当站内氢气不能满足加
氢需求时，可用外来氢气补充。
３ 自控系统设计
３．１ 自控系统组成
该站自控系统主要由 ＰＬＣ（可编程逻辑控制
器）系统、ＳＩＳ（安全仪表系统）、ＧＤＳ（气体检测报警
系统）及上位机组成【７１，自控系统逻辑图见图２。其
中ＰＬＣ系统负责站内正常生产过程中，现场仪表、
控制阀、压缩机 ＰＬＣ、加氢机 ＰＬＣ 等信号的采集、控
的远程监控。
３．２ 主要控制及联锁方案
① 原料天然气及饱和蒸汽定比例调节
原料天然气需与饱和蒸汽混合后进入转化炉发
生转化反应。由于高水碳比可以提高天然气中甲烷
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周忻吾，等∶制氢加氢一体化站自控系统设计
第４２ 卷 第６期
打印机
监控中心
路由器
工业以太网
Ｘ
防火墙
４Ｇ／ＳＧ 网络
交换机
报警信号
ＰＬＣ 系统
ＳＩＳ
ＧＤＳ
信号输人
信号输出
信号通偏职调停车
帽号通帽
联锚榔车
信号输人
信号输出
信号输人
加氢机
变送器 控制阀
变送器 控制阀
压缩机
ＰＬＣ
ＰＬＧ
Ｏ
氢气探测器
：
＝ 仪表电缆
—— 屏蔽双绞线
的转化率，抑制转化时的析碳副反应【【３】，故将饱和
蒸汽与天然气按照水碳比（物质的量比）为３．５∶１
进行混合。为满足设定的水碳比，系统选用双闭环
流量比值控制。在原料天然气管道上设置１台涡街
图２ 自控系统逻辑图
定值控制
比值控制
原料天然气Ｓ
向－
流量计ＦＴ－０１，在饱和蒸汽管道上设置１台孔板流
量计ＦＴ－０２，并在２条管道上分别设置流量调节阀
ＦＶ－０１、ＦＶ－０２。将天然气流量定为主物料流量，
润街流量计
流量调节阀
定值控制
饱和蒸汽流量定为从物料流量。当流量计 ＦＴ－０１
检测到主物料流量或流量计ＦＴ－０２ 检测到从物料
流量有波动时，通过改变流量调节阀 ＦＶ－０１或 ＦＶ
－０２的开度，对流量进行定值控制，使物料流量始
饱和蒸汽
终稳定在设定值附近。当主物料流量设定值发生变
化时，通过ＰＬＣ 系统进行比值控制，使从物料流量
设定值也发生变化，从而使饱和蒸汽与天然气的水
孔板流量计
流量调节阀
仑→原料天然气管道一个饱和蒸汽管道一一信号线
３。
碳比一直保持在３．５左右。流量比控制流程见图
② 转化炉炉膛温度联锁
转化炉温度联锁控制流程见图４。转化炉炉膛
图３ 流量比控制流程
ＨＶ－０２，在解析气管道上设置切断阀ＨＶ－０３。如
炉管积灰结焦或转化炉发生偏烧时，可能导致转化
炉炉膛温度升高。为兼顾系统安全性及可用性，当
３台热电偶中有２台达到高温联锁值１１５０ ℃时，联
锁切断 ＨＶ－０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风
机停机，防止炉管超温损坏。
③ 燃料天然气进转化炉压力联锁
设置３台温度变送器【９，采用Ｂ型铠装热电偶，测
量范围为０￣１ ８００ ℃。在原料天然气管道上设置
切断阀 ＨＶ－０１，在燃料天然气管道上设置切断阀
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第４２卷 第６期
煤气与热 力
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气相口
＜变换后产品气
转化炉
温度！
变送器Ｖ
我
－原料天然气
变换后产品气—
中变气冷却分离器
切断阀 压力变送器
燃料天然气
切断阀 压力变送器
—－解析气
差压液位变送器
冷凝液
）音叉液位开关
液相口
冷凝液去脱盐水系统
空气鼓风机
一 解析气管道
以手阀
冷凝液去地沟
Ｓ
切断阀 液位调节阀
← 原料天然气管道
◆空气管道
－ 燃料天然气管道
卡产品气管道 冷凝液管道
图５ 中变气冷却分离器液位控制联锁流程
图４ 转化炉温度、压力联锁控制流程
压力联锁控制流程见图４。在燃料天然气（简
称燃料气）进转化炉管道上设置１台压力变送器 ＰＴ
比为４∶３∶２【１】。目前国内氢燃料电池汽车的氢气瓶
工作压力一般为３５ ＭＰａ。当储氢瓶组均为充满时，
给氢燃料电池汽车加氢，首先使用低压瓶组进行充
－０１。当燃料气供应不足导致气体压力下降，ＰＴ－
０１达到低压联锁值 ０．０３ ＭＰａ 时，联锁切断ＨＶ－
０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风机停机，防止
转化炉火焰熄灭，引发回火。
④ 解析气进转化炉压力联锁
压力联锁控制流程见图４。在解析气进转化炉
气。当低压瓶组内压力降为３５ ＭＰａ 时，切换至中压
瓶组进行充气。当中压瓶组内压力也降为３５ ＭＰａ
时，切换至高压瓶组进行充气。通过程序控制瓶组
出口阀门的自动切换，保证加氢时低压瓶组与中压
瓶组、中压瓶组与高压瓶组之间压力差为５～１０
ＭＰａ。当低压瓶组压力约为１６ ＭＰａ、中压瓶组压力
约为２６ ＭＰａ、高压瓶组压力约为３６ ＭＰａ时，再次启
动压缩机将３种瓶组充满氢气。
管道上设置１台压力变送器 ＰＴ－０２。如 ＰＳＡ变压
吸附装置发生故障时，可能导致解析气压力升高。
当ＰＴ－０２达到高压联锁值０．０５ ＭＰａ 时，联锁切断
ＨＶ－０１、ＨＶ－０２、ＨＶ－０３，并联锁空气鼓风机停
⑦ 制氢装置与加氢装置之间联锁关系
当制氢装置停车时，联锁切断从制氢装置至加
氢装置的氢气管道上的紧急切断阀。加氢可使用储
氢瓶组内氢气继续加注。当储氯瓶组内压力不足且
制氢装置仍不满足开车条件时，加氢装置停车。
机，防止引发炉内闪爆。
⑤ 中变气冷却分离器液位控制及联锁
中变气冷却分离器液位控制联锁流程见图５。
中变气冷却分离器设置１台差压液位变送器ＬＴ－
０１及１台音叉液位开关ＬＳ－０２，在中变气冷却分离
器液相口管路设置１台液位调节阀ＬＶ－０１及１台
切断阀 ＨＶ－０４。通过检测中变气冷却分离器液位
来调节ＬＶ－０１开度。当ＬＶ－０１发生故障，调节功
当加氢装置出现故障停车时，根据恢复时间对
制氢装置生产过程进行调整。如加氢装置故障可短
时间修复，可将制氢装置转化炉调为低负荷工作模
式，减少氢气产量，并将产生的氢气充入站内储氢瓶
组。如判断加氢装置短时间无法恢复工作，则启动
转化炉停炉程序，并将除储氢瓶组外工艺管道及设
备内氢气放空，以保障设备及人员安全。
能失灵导致液位下降，ＬＴ－０１ 及ＬＳ－０２都达到低
液位联锁值５０ ｍｍ 时，联锁切断 ＨＶ－０４，防止冷凝
液直排时，混有变换后产品气的液体直接排入地沟，
造成可燃气体泄漏引发火灾。
⑥ 高、中、低压储氢瓶组控制
在保证氢气充装速度的同时，为提升氢气使用
效率，该站设置高、中、低压 ３种储氢瓶组。３种储
氢瓶组充满时的压力均为４５ ＭＰａ，给汽车充装后剩
⑧ 全站紧急停车
当站内发生火灾、氢气泄漏体积分数达到爆炸
下限的 ２５？？即氢气体积分数为１？？或其他重大
安全事故时，触发 ＳＩＳ，紧急停车功能发挥作用。站
内设置的声光报警器发出报警信号，将各系统紧急
切断阀联锁置于故障安全位置，将紧急停车信号分
余瓶内氢气压力不同。高、中、低压储氢瓶组的容积
别传输至加氢机、压缩机等控制器，联锁停机。
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周忻吾，等∶制氢加氢一体化站自控系统设计
第４２ 卷 第６期
【９】 王剑星，魏小明，于国庆，等．转化炉高温热电偶保
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ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ； ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ－
（本文责任编辑∶林国真）
宁化工，２０２１（９）∶１３８５－１３８７，１３９０．
二
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第十五届中庭士。
佑奖获奖工程∶南京牛首山文化旅游区佛顶宫工程
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