山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(總第159期)制氫站優(yōu)化設(shè)計Optimized Design of Hydrogen Generation Station徐秀萍,馬玉奇(山東電力工程咨詢院,山東濟(jì)南250013)摘要:介紹了火力發(fā)電廠制氫的原理和系統(tǒng)組成,以嘉峪關(guān)電廠為例，論述了對典型設(shè)計的制氫站系統(tǒng)、布置的優(yōu)化,為具備相似條件的制氫站設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞:制氫站;典型設(shè)計;優(yōu)化Abstract: This paper briefly introduced the principle and the system components of hydrogen generation for thermal powerplant, and described how to optimize the system and the arrangement of the typical design on the basis of Jiayuguan powerplant. It can be referenced for the similar condition power plant when design the hydrogen generation station.Key words: hydrogen generation station;typical design:optimize.中圖分類號:TM621.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號: 1007- 9904(2008)0 74- 040引言區(qū)內(nèi)設(shè)制氫裝置。目前供氫站的設(shè)置方式基本上是廠內(nèi)設(shè)置制火力發(fā)電廠目前最常用的制氫裝置是采用中氫裝置和外購氫氣供氫方案。外購氫氣供氫分為通壓電解純水制取氫氣,本文就這種供氫方式、以嘉峪過外購瓶裝氫向機組供氫和直接通過管道向電廠關(guān)電廠制氫站與傳統(tǒng)的制氫站典型設(shè)計的比較為例,介紹一下 對制氫站的系統(tǒng)及布置的優(yōu)化設(shè)計。供氫兩種。不管采用哪種供氫方式,均應(yīng)在廠內(nèi)設(shè)置-定1典型設(shè)計的制氫站簡介的氫氣貯量。廠內(nèi)氫氣貯量有如下規(guī)定:(1)廠內(nèi)設(shè)置制氫裝置時,貯氬罐的總有效容1.1 水電解制氫裝置工作原理水電解制氫的原理是由浸沒在電解液中的一積,宜按全部氫冷發(fā)電機在制氫設(shè)備檢修期間所需對電極中間隔以防止氣體滲透的隔膜而構(gòu)成的水貯備的正常消耗量與最大一臺氫冷發(fā)電機的一次電解池,當(dāng)通以-定的直流電時,水就發(fā)生分解,在.啟動充氫量之和考慮。陰極析出氫氣,陽極析出氧氣。其反應(yīng)式如下:(2)當(dāng)采用外購氫氣瓶供氫時,氫氣瓶的總有陰極: 2H20+2e- +H2↑+20H-效容積應(yīng)滿足全部氫冷發(fā)電機7~0天的正常消耗舊極: 20H--2e- -H20+1/202↑量和最大一臺氫冷發(fā)電機-次啟動充氫量之和?？偡磻?yīng): 2H2O→2H2↑ +O2↑(3)當(dāng)由制氫工廠通過管道向發(fā)電廠直接送氫產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入干燥部分,由干燥劑吸附氫氣時,發(fā)電廠內(nèi)貯氫罐的總有效容積,可根據(jù)制氫工攜帶的水分,達(dá)到發(fā)電機組對氫氣濕度的要求。廠的貯氫情況和送氫管道的可靠程度確定,但應(yīng)能1.2水電解制氫 系統(tǒng)工藝流程滿足全部氫冷發(fā)電機4天以上的正常消耗量。1.2.1中國煤化工在許多情況下，受客觀條件限制,外購不到滿YHCNMHG用下分解,在電解足氫氣純度及用量要求的成品氫氣，所以需要在廠小室的陰、陽極表面 分別產(chǎn)生氫氣、氧氣。74山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第I期(總第159期)從電解小室出來的氫氣和堿液-起通過極框及布置上陰極側(cè)的出氣孔流過氣道,進(jìn)入氫氣分離器中,在1 X0Nm2/h典型設(shè)計的制氫裝置包括:電解重力作用下進(jìn)行氣液分離,分離出的氫氣進(jìn)入氫氣槽、框架 I.框架II、加水泵、原料水箱、堿箱、氫氣干洗滌器中洗滌,然后經(jīng)頂部除霧器除去液滴后經(jīng)氫燥裝置七件套”,此外還包括電解輔助單元如除鹽氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入干燥器除濕后進(jìn)入儲存系統(tǒng)備用。水冷卻裝置和氫氣貯罐、壓縮空氣貯罐等。氧氣處理過程與上述過程相似。只不過通常氧其中電解槽、框架1、加水泵、原料水箱及堿箱氣不經(jīng)過洗滌,經(jīng)氧分離器分離后直接放空。為制氫部分;框架II為氫氣分配部分;氫氣貯罐為1.2.2電解液 循環(huán)系統(tǒng)氫氣貯存部分。從電解槽出來夾帶氫氣和氧氣的堿液在氫分分別布置在電解槽間、干燥間、加水配堿室三離器和氧分離器中，在重力作用下分別與氫氣、氧個房間內(nèi),設(shè)備顯得零散,管道交叉,安裝不便。氣分離,經(jīng)蛇管冷卻后,電解液通過氫、氧分離器底2制氫站系統(tǒng)布置優(yōu)化部的連通管經(jīng)過過濾器進(jìn)入循環(huán)泵,然后進(jìn)入電解槽形成了電解液循環(huán)系統(tǒng)。嘉峪關(guān)電廠是我院的EPC總承包工程,于1.2.3補充系統(tǒng)2002年7月進(jìn)行制氫站的系統(tǒng)設(shè)計。為節(jié)約投資,補充原料水。蒸餾水箱中的水通過加水泵被注沒有再繼續(xù)套用典型設(shè)計,而是通過與制氫廠家的入氫洗滌器,先供冷卻洗滌,然后通過溢流管流入氫溝通及配合,對典型設(shè)計的制氫站系統(tǒng)布置進(jìn)行了分離器,經(jīng)循環(huán)泵送入電解槽,不斷地補充電解消以下優(yōu)化。耗的原料水。2.1系統(tǒng)設(shè)計采用 一體化補充堿液。水電解過程中,堿起到增加電導(dǎo)的本工程設(shè)計時采用- -體化布置,即整個制氫部作用,理論上不消耗堿,正常運行中- -般不需補充分只有制氫處理器(框架I)、框架II、加水配堿裝置堿,如確需補充堿時,可通過加水泵直接加入堿液循(框架II) 3件套”，其中制氫處理器包括電解槽、環(huán)系統(tǒng)中。氫分離器、氧分離器、氫洗滌器、堿液過濾器、堿液1.2.4除鹽水冷卻系統(tǒng)循環(huán)泵、氫氣干燥裝置等。另外,按照制氫站設(shè)計規(guī)冷卻水主要用于以下系統(tǒng):程規(guī)定,電解槽出口和干燥裝置上方均應(yīng)設(shè)氫氣檢進(jìn)入整流柜以冷卻可控硅整流元件;漏點,而采用一體化設(shè)計后則只需設(shè)一處檢漏 點即通過冷卻水調(diào)節(jié)閥分別進(jìn)入氫、氧分離器內(nèi)部可蛇管,以冷卻循環(huán)堿液,從而達(dá)到控制系統(tǒng)工作溫度通過.上述優(yōu)化設(shè)計,既增大了制氫站的安全系的目的;數(shù),又減少了廠房的占地面積,而且安裝更為方便,進(jìn)入氣體冷卻器內(nèi)部蛇管,以冷卻氫氣,此冷卻安裝材料省。水為常流水。2.2 加水配堿裝置模塊化1.2.5氮 氣吹掃系統(tǒng)加水配堿系統(tǒng)主要作用是:電解制氫的過程用于系統(tǒng)的氣密試驗與開機前的氮氣吹掃。當(dāng)中,為提高純水的導(dǎo)電性,將蒸餾水箱內(nèi)-定量的使用氮氣時用軟管與氮氣源臨時連接。純水與堿混合后，配成一定濃度的氫氧化鉀溶液，1.2.6排污系統(tǒng)通過加堿泵注入電解槽與分離器之間,形成堿液循制氫系統(tǒng)排污管道共分三處:框架一的排污 、環(huán)系統(tǒng)。借助循環(huán)泵的動力進(jìn)行循環(huán),將電解出的中國煤化工氣水分離器排污、框架三排污。1.31x0Nm/h典型設(shè)計制氫裝置主要組成部分TYHCN M H G將蒸餾水箱、堿液7山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(總第159期)箱、加水泵分散布置,使得管道布置交叉凌亂,不緊自動調(diào)節(jié),實施遠(yuǎn)距離監(jiān)測;電解槽的自動補水;原湊,而且-旦發(fā)生堿管道泄漏容易引發(fā)安全事故。料水箱的自動加水外，主要增加了制氫站的自動本工程設(shè)計時,將上述設(shè)備模塊化,即將蒸餾充、補氫的功能，即將框架二即氫氣分配系統(tǒng)的配水箱、堿液箱、加堿泵聯(lián)合組裝在一一個底座 上,既便置進(jìn)行了優(yōu)化:將典型設(shè)計的手動閥改為氣動閥，于管道連接,布置上又整齊美觀,占地少,投資省。從而為實現(xiàn)制氫設(shè)備自動充罐、自動補氫功能提供2.3氫氣貯存罐的選擇及布置緊湊化了基礎(chǔ)條件，也為制氫站實現(xiàn)無人值守提供了保制氫站規(guī)程規(guī)定:貯氫罐的總有效容積,宜按障。全部氫冷發(fā)電機在制氫設(shè)備檢修期間所需貯備的2.4.1自 動補氫系統(tǒng)正常消耗量與最大一臺氫冷發(fā)電機的一次啟動充要實現(xiàn)向發(fā)電機組自動補氫不外乎有兩種途氫量之和考慮。徑: - 是從發(fā)電機處傳輸?shù)街茪逭? -個 需氫信號,本工程貯氫罐的規(guī)格選擇經(jīng)過了精心計算,具以此控制輸氫管道上的自動閥的啟、閉;二是在制體如下:氫站至發(fā)電機的輸氫管道上加裝- -臺變送器,當(dāng)輸機組正常耗氫量: 12Nm2/d氫管道的壓力低于設(shè)定值時,變送器發(fā)出信號送至發(fā)電機組的充氫容積:85m2plC,PLC給安裝在輸氫管道上的自動閥發(fā)出指令最大一臺機組啟動充氫量:85>s+85>.0=信號,打開閥門,自動向發(fā)電機組補氫,從而實現(xiàn)自680Nm/次動補氫功能。由于制氫站距主廠房通常都有-定的氫設(shè)備檢修期按7天計,則兩臺機組7天內(nèi)的安全距離,信號電纜敷設(shè)不便,所以一般都采用第耗氫量: 12>7=84 Nm3二種控制方式。V=( 680+84)/(30- 5.0)=30.6m22.4.2自 動充罐系統(tǒng).考慮到制氫設(shè)備僅設(shè)一套,不設(shè)備用,所以氫在自動補氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,框架二的總輸氫管貯存罐的容量適當(dāng)考慮一定的余量，選擇中1800路(至氫貯罐)上裝設(shè)變送器:當(dāng)貯氫罐充滿氫氣V=13.9m3 P=3.2MPa的貯氫罐4臺。后，壓力變送器會發(fā)出信號至PLC, PLC接受信號典型設(shè)計中，兩臺貯氫罐的中心布置間距為后,再發(fā)出停止充罐信號,用于充罐的氣動閥自動4.6米,而根據(jù)規(guī)程規(guī)定:立式貯氫罐之間凈距不應(yīng)關(guān)閉,停止充罐;當(dāng)氫罐壓力低于整定值時，則通過小于相鄰較大罐的直徑即可,所以本工程設(shè)計時將PLC發(fā)出信號打開框架二前的輸氫管路閥門,向貯其間距調(diào)整為4.0米。使得整個貯氫罐房由典型設(shè)氫罐送氣。計的24米長壓縮至21米,既滿足規(guī)程規(guī)定的安全3本工程制氫站與典型設(shè)計的經(jīng)濟(jì)比較使用要求,又節(jié)約了投資,減少了占地。2.4系統(tǒng)控制 自動化本工程通過對制氫站典型設(shè)計的優(yōu)化,既滿足隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展以及減人增效的實了安全生產(chǎn)的要求,又為工程節(jié)約了投資,具體的施,電廠的定員越來越少，從而要求各系統(tǒng)的自動經(jīng)濟(jì)比較如表1所示?；潭认鄳?yīng)提高。另外, 制氫站是發(fā)電廠的一個重優(yōu)化后的制氫站比典型設(shè)計投資及運行費用要危險源,越來越高的呼聲要求其實現(xiàn)無人值守。省41萬元左右。在這種大環(huán)境下，本工程在制氫站設(shè)計時，優(yōu)實際上,我院自嘉峪關(guān)電廠后陸續(xù)建設(shè)的氫冷化了典型設(shè)計的部分系統(tǒng)配置,除了典型設(shè)計的制發(fā)電機組.如王曲電廠- -期、國電費縣電廠一期、國氫控制系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能諸如制氫控制系統(tǒng)采用電蓬中國煤化工與嘉峪關(guān)電廠相.微機控制，可以對系統(tǒng)壓力、溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行同,!YHC N M H G配供氫的閥門配76山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(總第159期)置上稍有區(qū)別,其中王曲發(fā)電廠一期、國電蓬萊電4結(jié)語廠-期的制氫站已安全投入運行。針對1x0Nm/h的制氫站，將優(yōu)化后的系統(tǒng)、表1制氫站 典型設(shè)計優(yōu)化經(jīng)濟(jì)比較布置標(biāo)準(zhǔn)化，既節(jié)省投資,又減少設(shè)計人員的工作工程名稱|嘉峪關(guān)電廠|典型設(shè)計(萬|比較項日|(萬元)元備注量,提高工作效率。工藝系統(tǒng)設(shè)按合同價，典收稿日期:2007-9- 7備、管遒及控195.0224.0|型設(shè)計費用.作者簡介:制| 商15%左右徐秀萍(1970-),女.從事發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計工作。土建廠房41.846.2運行人員工4.優(yōu)化后達(dá)到”資無人值守總計236.8278.2她她業(yè)她業(yè)她業(yè)她業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè).處業(yè)業(yè)業(yè)業(yè).業(yè)業(yè)她業(yè)她業(yè)業(yè)業(yè)4業(yè)女(上接66頁)4 結(jié)語熱力系統(tǒng)[M.北京:中國電力出版社, 2006.[2] Tawney R, Khan Z Zachary J. 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