制氫站優(yōu)化設計

山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(總第159期)制氫站優(yōu)化設計Optimized Design of Hydrogen Generation Station徐秀萍,馬玉奇(山東電力工程咨詢(xún)院,山東濟南250013)摘要:介紹了火力發(fā)電廠(chǎng)制氫的原理和系統組成,以嘉峪關(guān)電廠(chǎng)為例，論述了對典型設計的制氫站系統、布置的優(yōu)化,為具備相似條件的制氫站設計提供參考。關(guān)鍵詞:制氫站;典型設計;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(lèi)號:TM621.8文獻標識碼:B文章編號: 1007- 9904(2008)0 74- 040引言區內設制氫裝置。目前供氫站的設置方式基本上是廠(chǎng)內設置制火力發(fā)電廠(chǎng)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(guò)外購瓶裝氫向機組供氫和直接通過(guò)管道向電廠(chǎng)關(guān)電廠(chǎng)制氫站與傳統的制氫站典型設計的比較為例,介紹一下 對制氫站的系統及布置的優(yōu)化設計。供氫兩種。不管采用哪種供氫方式,均應在廠(chǎng)內設置-定1典型設計的制氫站簡(jiǎn)介的氫氣貯量。廠(chǎng)內氫氣貯量有如下規定:(1)廠(chǎng)內設置制氫裝置時(shí),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(méi)在電解液中的一積,宜按全部氫冷發(fā)電機在制氫設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,當通以-定的直流電時(shí),水就發(fā)生分解,在.啟動(dòng)充氫量之和考慮。陰極析出氫氣,陽(yáng)極析出氧氣。其反應式如下:(2)當采用外購氫氣瓶供氫時(shí),氫氣瓶的總有陰極: 2H20+2e- +H2↑+20H-效容積應滿(mǎn)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(dòng)充氫量之和?？偡磻? 2H2O→2H2↑ +O2↑(3)當由制氫工廠(chǎng)通過(guò)管道向發(fā)電廠(chǎng)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(shí),發(fā)電廠(chǎng)內貯氫罐的總有效容積,可根據制氫工攜帶的水分,達到發(fā)電機組對氫氣濕度的要求。廠(chǎng)的貯氫情況和送氫管道的可靠程度確定,但應能1.2水電解制氫 系統工藝流程滿(mǎn)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(guān)條件限制,外購不到滿(mǎn)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(chǎng)小室的陰、陽(yáng)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(lái)的氫氣和堿液-起通過(guò)極框及布置上陰極側的出氣孔流過(guò)氣道,進(jìn)入氫氣分離器中,在1 X0Nm2/h典型設計的制氫裝置包括: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節閥進(jìn)入干燥器除濕后進(jìn)入儲存系統備用。水冷卻裝置和氫氣貯罐、壓縮空氣貯罐等。氧氣處理過(guò)程與上述過(guò)程相似。只不過(guò)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(guò)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)系統氫氣貯存部分。從電解槽出來(lái)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(gè)房間內,設備顯得零散,管道交叉,安裝不便。氣分離,經(jīng)蛇管冷卻后,電解液通過(guò)氫、氧分離器底2制氫站系統布置優(yōu)化部的連通管經(jīng)過(guò)過(guò)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。嘉峪關(guān)電廠(chǎng)是我院的EPC總承包工程,于1.2.3補充系統2002年7月進(jìn)行制氫站的系統設計。為節約投資,補充原料水。蒸餾水箱中的水通過(guò)加水泵被注沒(méi)有再繼續套用典型設計,而是通過(guò)與制氫廠(chǎng)家的入氫洗滌器,先供冷卻洗滌,然后通過(guò)溢流管流入氫溝通及配合,對典型設計的制氫站系統布置進(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系統設計采用 一體化補充堿液。水電解過(guò)程中,堿起到增加電導的本工程設計時(shí)采用- -體化布置,即整個(gè)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(shí),可通過(guò)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)系統中。氫分離器、氧分離器、氫洗滌器、堿液過(guò)濾器、堿液1.2.4除鹽水冷卻系統循環(huán)泵、氫氣干燥裝置等。另外,按照制氫站設計規冷卻水主要用于以下系統:程規定,電解槽出口和干燥裝置上方均應設氫氣檢進(jìn)入整流柜以冷卻可控硅整流元件;漏點(diǎn),而采用一體化設計后則只需設一處檢漏 點(diǎn)即通過(guò)冷卻水調節閥分別進(jìn)入氫、氧分離器內部可蛇管,以冷卻循環(huán)堿液,從而達到控制系統工作溫度通過(guò).上述優(yōu)化設計,既增大了制氫站的安全系的目的;數,又減少了廠(chǎng)房的占地面積,而且安裝更為方便,進(jìn)入氣體冷卻器內部蛇管,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 氣吹掃系統加水配堿系統主要作用是:電解制氫的過(guò)程用于系統的氣密試驗與開(kāi)機前的氮氣吹掃。當中,為提高純水的導電性,將蒸餾水箱內-定量的使用氮氣時(shí)用軟管與氮氣源臨時(shí)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排污系統通過(guò)加堿泵注入電解槽與分離器之間,形成堿液循制氫系統排污管道共分三處:框架一的排污 、環(huán)系統。借助循環(huán)泵的動(dòng)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(dòng)調節,實(shí)施遠距離監測;電解槽的自動(dòng)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(dòng)加水外，主要增加了制氫站的自動(dòng)本工程設計時(shí),將上述設備模塊化,即將蒸餾充、補氫的功能，即將框架二即氫氣分配系統的配水箱、堿液箱、加堿泵聯(lián)合組裝在一一個(gè)底座 上,既便置進(jìn)行了優(yōu)化:將典型設計的手動(dòng)閥改為氣動(dòng)閥，于管道連接,布置上又整齊美觀(guān),占地少,投資省。從而為實(shí)現制氫設備自動(dòng)充罐、自動(dòng)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條件，也為制氫站實(shí)現無(wú)人值守提供了保制氫站規程規定:貯氫罐的總有效容積,宜按障。全部氫冷發(fā)電機在制氫設備檢修期間所需貯備的2.4.1自 動(dòng)補氫系統正常消耗量與最大一臺氫冷發(fā)電機的一次啟動(dòng)充要實(shí)現向發(fā)電機組自動(dòng)補氫不外乎有兩種途氫量之和考慮。徑: - 是從發(fā)電機處傳輸到制氬站- -個(gè) 需氫信號,本工程貯氫罐的規格選擇經(jīng)過(guò)了精心計算,具以此控制輸氫管道上的自動(dòng)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,當輸機組正常耗氫量: 12Nm2/d氫管道的壓力低于設定值時(shí),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(dòng)閥發(fā)出指令最大一臺機組啟動(dòng)充氫量:85>s+85>.0=信號,打開(kāi)閥門(mén),自動(dòng)向發(fā)電機組補氫,從而實(shí)現自680Nm/次動(dòng)補氫功能。由于制氫站距主廠(chǎng)房通常都有-定的氫設備檢修期按7天計,則兩臺機組7天內的安全距離,信號電纜敷設不便,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(dòng)充罐系統.考慮到制氫設備僅設一套,不設備用,所以氫在自動(dòng)補氫系統的基礎上,框架二的總輸氫管貯存罐的容量適當考慮一定的余量，選擇中1800路(至氫貯罐)上裝設變送器:當貯氫罐充滿(mǎn)氫氣V=13.9m3 P=3.2MPa的貯氫罐4臺。后，壓力變送器會(huì )發(fā)出信號至PLC, PLC接受信號典型設計中，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(dòng)閥自動(dòng)4.6米,而根據規程規定:立式貯氫罐之間凈距不應關(guān)閉,停止充罐;當氫罐壓力低于整定值時(shí)，則通過(guò)小于相鄰較大罐的直徑即可,所以本工程設計時(shí)將PLC發(fā)出信號打開(kāi)框架二前的輸氫管路閥門(mén),向貯其間距調整為4.0米。使得整個(gè)貯氫罐房由典型設氫罐送氣。計的24米長(cháng)壓縮至21米,既滿(mǎn)足規程規定的安全3本工程制氫站與典型設計的經(jīng)濟比較使用要求,又節約了投資,減少了占地。2.4系統控制 自動(dòng)化本工程通過(guò)對制氫站典型設計的優(yōu)化,既滿(mǎn)足隨著(zhù)電力系統的高速發(fā)展以及減人增效的實(shí)了安全生產(chǎn)的要求,又為工程節約了投資,具體的施,電廠(chǎng)的定員越來(lái)越少，從而要求各系統的自動(dòng)經(jīng)濟比較如表1所示?；潭认鄳岣?。另外, 制氫站是發(fā)電廠(chǎng)的一個(gè)重優(yōu)化后的制氫站比典型設計投資及運行費用要危險源,越來(lái)越高的呼聲要求其實(shí)現無(wú)人值守。省41萬(wàn)元左右。在這種大環(huán)境下，本工程在制氫站設計時(shí)，優(yōu)實(shí)際上,我院自嘉峪關(guān)電廠(chǎng)后陸續建設的氫冷化了典型設計的部分系統配置,除了典型設計的制發(fā)電機組.如王曲電廠(chǎng)- -期、國電費縣電廠(chǎng)一期、國氫控制系統能實(shí)現的功能諸如制氫控制系統采用電蓬中國煤化工與嘉峪關(guān)電廠(chǎng)相.微機控制，可以對系統壓力、溫度、液位等參數進(jìn)行同,!YHC N M H G配供氫的閥門(mén)配76山東電力技術(shù)SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(總第159期)置上稍有區別,其中王曲發(fā)電廠(chǎng)一期、國電蓬萊電4結語(yǔ)廠(chǎng)-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、表1制氫站 典型設計優(yōu)化經(jīng)濟比較布置標準化，既節省投資,又減少設計人員的工作工程名稱(chēng)|嘉峪關(guān)電廠(chǎng)|典型設計(萬(wàn)|比較項日|(萬(wàn)元)元備注量,提高工作效率。工藝系統設按合同價(jià)，典收稿日期:2007-9- 7備、管遒及控195.0224.0|型設計費用.作者簡(jiǎn)介:制| 商15%左右徐秀萍(1970-),女.從事發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)設計工作。土建廠(chǎng)房41.846.2運行人員工4.優(yōu)化后達到”資無(wú)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(yè))4 結語(yǔ)熱力系統[M.北京:中國電力出版社, 2006.[2] Tawney R, Khan Z Zachary J. Econonic and performance600MW直接空冷機組是我國近年來(lái)引進(jìn)的技evaluation of bheat sink options in combined cycle術(shù),也是我國西北地區今后--段時(shí)期火電發(fā)展的主applications[A]. Proceeding of Turbo Expo[C] ASME/IG11流,究其原因,冬季空冷凝汽器冷卻管束的凍結主Turbo Expo. Alantic. Georgia, USA, 2003.要由兩方面原因所致:一是空冷凝汽器內的蒸汽流[3]乇佩璋,徐明.600MW空冷機組直接空冷散熱器與風(fēng)機量低于其設計值;二是冷卻空氣量過(guò)剩。上述兩方的新進(jìn)展貝]電站輔機, 2003, (1):12~45.面原因出現的前提條件是環(huán)境溫度低于設計的規[4]馬義偉.空冷器設計與應用M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大定溫度,所以對空冷凝汽器的防凍必須從控制蒸學(xué)出版社, 1998.汽流量與冷卻介質(zhì)-空氣流量”來(lái)實(shí)現。收稿日期:2007-7-6參考文獻李軍( 1979-),男，工程師,主要從事自控控制理論及其[1]邱麗霞,郝艷紅,李潤林,靳智平.直接空冷汽輪機及其應用、電力系統自動(dòng)化等方面的研究工作。.中國煤化工MYHCNMHG7