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(jì)Optimized Design of Hydrogen Generation Station徐秀萍,馬玉奇(山東電力工程咨詢(xún)?cè)?山東濟(jì)南250013)摘要:介紹了火力發(fā)電廠(chǎng)制氫的原理和系統(tǒng)組成,以嘉峪關(guān)電廠(chǎng)為例，論述了對(duì)典型設(shè)計(jì)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(jì)提供參考。關(guān)鍵詞:制氫站;典型設(shè)計(jì);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(hào):TM621.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào): 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(chǎng)內(nèi)設(shè)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(gòu)氫氣供氫方案。外購(gòu)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(gòu)瓶裝氫向機(jī)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(tǒng)的制氫站典型設(shè)計(jì)的比較為例,介紹一下 對(duì)制氫站的系統(tǒng)及布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。供氫兩種。不管采用哪種供氫方式,均應(yīng)在廠(chǎng)內(nèi)設(shè)置-定1典型設(shè)計(jì)的制氫站簡(jiǎn)介的氫氣貯量。廠(chǎng)內(nèi)氫氣貯量有如下規(guī)定:(1)廠(chǎng)內(nèi)設(shè)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(jī)在制氫設(shè)備檢修期間所需對(duì)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(tái)氫冷發(fā)電機(jī)的一次電解池,當(dāng)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(yīng)式如下:(2)當(dāng)采用外購(gòu)氫氣瓶供氫時(shí),氫氣瓶的總有陰極: 2H20+2e- +H2↑+20H-效容積應(yīng)滿(mǎn)足全部氫冷發(fā)電機(jī)7~0天的正常消耗舊極: 20H--2e- -H20+1/202↑量和最大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)-次啟動(dòng)充氫量之和。總反應(yīng): 2H2O→2H2↑ +O2↑(3)當(dāng)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(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(jī)組對(duì)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(yīng)能1.2水電解制氫 系統(tǒng)工藝流程滿(mǎn)足全部氫冷發(fā)電機(jī)4天以上的正常消耗量。1.2.1中國(guó)煤化工在許多情況下，受客觀(guān)條件限制,外購(gòu)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(cè)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(shè)計(jì)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(chǔ)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(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(tǒng)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(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(guò)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(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(tǒng)。嘉峪關(guān)電廠(chǎng)是我院的EPC總承包工程,于1.2.3補(bǔ)充系統(tǒng)2002年7月進(jìn)行制氫站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為節(jié)約投資,補(bǔ)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(xù)套用典型設(shè)計(jì),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(duì)典型設(shè)計(jì)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(bǔ)充電解消以下優(yōu)化。耗的原料水。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 一體化補(bǔ)充堿液。水電解過(guò)程中,堿起到增加電導(dǎo)的本工程設(shè)計(jì)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(yùn)行中- -般不需補(bǔ)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(bǔ)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(tǒng)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(tǒng)循環(huán)泵、氫氣干燥裝置等。另外,按照制氫站設(shè)計(jì)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(diǎn),而采用一體化設(shè)計(jì)后則只需設(shè)一處檢漏 點(diǎn)即通過(guò)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(guò).上述優(yōu)化設(shè)計(jì),既增大了制氫站的安全系的目的;數(shù),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(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(guò)程用于系統(tǒng)的氣密試驗(yàn)與開(kāi)機(jī)前的氮?dú)獯祾?。?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?dú)鈺r(shí)用軟管與氮?dú)庠磁R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(tǒng)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(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(dòng)力進(jìn)行循環(huán),將電解出的中國(guó)煤化工氣水分離器排污、框架三排污。1.31x0Nm/h典型設(shè)計(jì)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(diào)節(jié),實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè);電解槽的自動(dòng)補(bǔ)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(shè)計(jì)時(shí),將上述設(shè)備模塊化,即將蒸餾充、補(bǔ)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(gè)底座 上,既便置進(jìn)行了優(yōu)化:將典型設(shè)計(jì)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(xiàn)制氫設(shè)備自動(dòng)充罐、自動(dòng)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(jī)在制氫設(shè)備檢修期間所需貯備的2.4.1自 動(dòng)補(bǔ)氫系統(tǒng)正常消耗量與最大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)的一次啟動(dòng)充要實(shí)現(xiàn)向發(fā)電機(jī)組自動(dòng)補(bǔ)氫不外乎有兩種途氫量之和考慮。徑: - 是從發(fā)電機(jī)處傳輸?shù)街茪逭? -個(gè) 需氫信號(hào),本工程貯氫罐的規(guī)格選擇經(jīng)過(guò)了精心計(jì)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(jī)的輸氫管道上加裝- -臺(tái)變送器,當(dāng)輸機(jī)組正常耗氫量: 12Nm2/d氫管道的壓力低于設(shè)定值時(shí),變送器發(fā)出信號(hào)送至發(fā)電機(jī)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(tái)機(jī)組啟動(dòng)充氫量:85>s+85>.0=信號(hào),打開(kāi)閥門(mén),自動(dòng)向發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氫,從而實(shí)現(xiàn)自680Nm/次動(dòng)補(bǔ)氫功能。由于制氫站距主廠(chǎng)房通常都有-定的氫設(shè)備檢修期按7天計(jì),則兩臺(tái)機(jī)組7天內(nèi)的安全距離,信號(hào)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(dòng)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(dòng)補(bǔ)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(mǎn)氫氣V=13.9m3 P=3.2MPa的貯氫罐4臺(tái)。后，壓力變送器會(huì)發(fā)出信號(hào)至PLC, PLC接受信號(hào)典型設(shè)計(jì)中，兩臺(tái)貯氫罐的中心布置間距為后,再發(fā)出停止充罐信號(hào),用于充罐的氣動(dòng)閥自動(dòng)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(shí)，則通過(guò)小于相鄰較大罐的直徑即可,所以本工程設(shè)計(jì)時(shí)將PLC發(fā)出信號(hào)打開(kāi)框架二前的輸氫管路閥門(mén),向貯其間距調(diào)整為4.0米。使得整個(gè)貯氫罐房由典型設(shè)氫罐送氣。計(jì)的24米長(zhǎng)壓縮至21米,既滿(mǎn)足規(guī)程規(guī)定的安全3本工程制氫站與典型設(shè)計(jì)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(dòng)化本工程通過(guò)對(duì)制氫站典型設(shè)計(jì)的優(yōu)化,既滿(mǎn)足隨著電力系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)的自動(dòng)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(chǎng)的一個(gè)重優(yōu)化后的制氫站比典型設(shè)計(jì)投資及運(yùn)行費(fèi)用要危險(xiǎn)源,越來(lái)越高的呼聲要求其實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)實(shí)際上,我院自嘉峪關(guān)電廠(chǎng)后陸續(xù)建設(shè)的氫冷化了典型設(shè)計(jì)的部分系統(tǒng)配置,除了典型設(shè)計(jì)的制發(fā)電機(jī)組.如王曲電廠(chǎng)- -期、國(guó)電費(fèi)縣電廠(chǎng)一期、國(guó)氫控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能諸如制氫控制系統(tǒng)采用電蓬中國(guó)煤化工與嘉峪關(guān)電廠(chǎng)相.微機(jī)控制，可以對(duì)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(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(qū)別,其中王曲發(fā)電廠(chǎng)一期、國(guó)電蓬萊電4結(jié)語(yǔ)廠(chǎng)-期的制氫站已安全投入運(yùn)行。針對(duì)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(jì)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(jì)人員的工作工程名稱(chēng)|嘉峪關(guān)電廠(chǎng)|典型設(shè)計(jì)(萬(wàn)|比較項(xiàng)日|(萬(wàn)元)元備注量,提高工作效率。工藝系統(tǒng)設(shè)按合同價(jià)，典收稿日期:2007-9- 7備、管遒及控195.0224.0|型設(shè)計(jì)費(fèi)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(shè)計(jì)工作。土建廠(chǎng)房41.846.2運(yùn)行人員工4.優(yōu)化后達(dá)到”資無(wú)人值守總計(jì)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(jié)語(yǔ)熱力系統(tǒng)[M.北京:中國(guó)電力出版社, 2006.[2] Tawney R, Khan Z Zachary J. Econonic and performance600MW直接空冷機(jī)組是我國(guó)近年來(lái)引進(jìn)的技evaluation of bheat sink options in combined cycle術(shù),也是我國(guó)西北地區(qū)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(jié)主Turbo Expo. Alantic. Georgia, USA, 2003.要由兩方面原因所致:一是空冷凝汽器內(nèi)的蒸汽流[3]乇佩璋,徐明.600MW空冷機(jī)組直接空冷散熱器與風(fēng)機(jī)量低于其設(shè)計(jì)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(jī), 2003, (1):12~45.面原因出現(xiàn)的前提條件是環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)的規(guī)[4]馬義偉.空冷器設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大定溫度,所以對(duì)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(xiàn)。收稿日期:2007-7-6參考文獻(xiàn)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(rùn)林,靳智平.直接空冷汽輪機(jī)及其應(yīng)用、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等方面的研究工作。.中國(guó)煤化工MYHCNMHG7