某330 MW機(jī)組制氫系統(tǒng)啟動(dòng)試車問(wèn)題分析及處理

涂孝飛，楊彥科

（華北電力科學(xué)研究院（西安）有限公司，陜西 西安 710065）

某330 MW機(jī)組制氫系統(tǒng)啟動(dòng)試車問(wèn)題分析及處理

涂孝飛，楊彥科

（華北電力科學(xué)研究院（西安）有限公司，陜西 西安 710065）

詳細(xì)分析了某330MW機(jī)組制氫系統(tǒng)啟動(dòng)試車過(guò)程中出現(xiàn)的電解槽溫度高聯(lián)鎖停機(jī)、堿液流量波動(dòng)大、氫氧分離器液位偏差大、堿液傷人事件等問(wèn)題的原因，并采取有針對(duì)性的措施進(jìn)行處理，使得制氫裝置能夠正確、有效、安全投入運(yùn)行，產(chǎn)生合格的氫氣，供該廠汽輪發(fā)電機(jī)組使用，為相同類型設(shè)備在今后的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行過(guò)程中提供借鑒。

制氫；啟動(dòng)；電解槽；氫氧分離器

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的提高，越來(lái)越多的發(fā)電機(jī)都采用氫氣作為冷卻介質(zhì)。其主要形式為：水-氫-氫，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、鐵芯氫冷；水-水-氫，即定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、鐵芯氫冷。用氫氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)，其質(zhì)量為空氣的1/14，導(dǎo)熱性比空氣高6倍，且質(zhì)量最輕，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻力最小，所以大型發(fā)電機(jī)都采用氫氣冷卻方式[1]。用氫氣來(lái)冷卻發(fā)電機(jī)，則通風(fēng)損耗小，冷卻效果好。一般汽輪發(fā)電機(jī)從空冷改為氫冷后，冷卻效率可提高0.7%~1.0%，發(fā)電機(jī)能增加20%~25%的容量[1-2]。

1 制氫系統(tǒng)概況

某電廠一期工程新建2×330 MW亞臨界、直接空冷、循環(huán)流化床、純凝機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)采用水—?dú)洹獨(dú)涞睦鋮s方式，發(fā)電機(jī)運(yùn)行氫壓0.30~ 0.40 MPa，系統(tǒng)補(bǔ)氫量≤8 m3/d。其氫氣來(lái)源由本廠制氫站系統(tǒng)供給。該廠制氫系統(tǒng)采用河北電力設(shè)備廠生產(chǎn)的DQ-10/3.2中壓水電解制氫裝置。其中主要包括電解槽、框架一（主要設(shè)備為分離器、洗滌器、冷卻器、干燥器、堿液循環(huán)泵）、框架二（補(bǔ)氫氣動(dòng)門(mén)、充氫氣動(dòng)門(mén)、減壓閥、匯流排及管路）、框架三（補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵、堿液箱、換熱器、閉冷水箱、閉冷水泵）、整流柜、控制柜、儲(chǔ)氫罐、控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 DQ-10/3.2中壓水電解制氫裝置技術(shù)參數(shù)

2 啟動(dòng)試車過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

在完成制氫站系統(tǒng)熱控測(cè)點(diǎn)、氣動(dòng)閥門(mén)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等單體設(shè)備的傳動(dòng)工作及系統(tǒng)水沖洗、氣密性試驗(yàn)、氮?dú)庵脫Q等前期準(zhǔn)備工作后，配置堿液，進(jìn)行制氫站系統(tǒng)的啟動(dòng)試車工作。該廠制氫站系統(tǒng)系統(tǒng)在啟動(dòng)試車過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)溫度高聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)、運(yùn)行中堿液流量不穩(wěn)定、氫氧側(cè)液位偏差大、堿液傷人事件等問(wèn)題。

3 原因分析及處理

針對(duì)該廠中壓電解水制氫裝置調(diào)試啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的系統(tǒng)溫度高聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)、運(yùn)行中堿液流量不穩(wěn)定、氫氧側(cè)液位偏差大、堿液傷人事件等問(wèn)題的原因進(jìn)行逐一分析，并采取相應(yīng)的有效措施進(jìn)行處理，使得制氫裝置能夠正確、有效、安全投入運(yùn)行，產(chǎn)生合格的氫氣，供該廠汽輪發(fā)電機(jī)組使用。

3.1 溫度高聯(lián)鎖停機(jī)分析及處理

該廠制氫裝置電解槽溫度聯(lián)鎖調(diào)節(jié)和保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)為：在制氫設(shè)備開(kāi)機(jī)初始階段，即電解槽槽壓設(shè)定值為0.8 MPa時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始電解制氫，堿液開(kāi)始循環(huán)電解升溫，產(chǎn)氫對(duì)空排放；待堿液溫度升高至50℃值時(shí)，槽壓開(kāi)始升高至設(shè)定值2.8MPa，待產(chǎn)氫純度、濕度合格后，開(kāi)始儲(chǔ)罐充氫，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行階段；運(yùn)行過(guò)程中電解槽溫度控制在70℃以下，高于85℃值時(shí)，系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)。

制氫裝置首次啟動(dòng)試車過(guò)程中，電解槽溫度不斷升高，最終超過(guò)85℃，系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，啟動(dòng)過(guò)程中電解槽溫度隨壓力、時(shí)間變化如圖1所示。

圖1 電解槽溫度隨壓力和時(shí)間變化圖

如圖1所示，電解槽溫度在啟動(dòng)試車過(guò)程中一直在逐漸升高，在達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定槽壓（2.8 MPa）后，增長(zhǎng)速率明顯加快，槽溫不僅未能調(diào)節(jié)控制在70℃以下，且最終達(dá)到制氫裝置聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值（85℃）。

制氫裝置使用的冷卻水由框架三的閉式冷卻水獨(dú)立系統(tǒng)供給，由閉式冷卻水箱、2臺(tái)閉式冷卻水泵、2臺(tái)板式換熱器組成。制氫裝置運(yùn)行過(guò)程中，閉式冷卻水泵連續(xù)運(yùn)行，對(duì)制氫裝置及整流柜進(jìn)行降溫冷卻，閉式冷卻水的降溫則由廠區(qū)工業(yè)冷卻水經(jīng)板式換熱器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)工業(yè)冷卻水將整個(gè)系統(tǒng)的熱量帶走，以保證系統(tǒng)的制氫裝置及整流柜連續(xù)運(yùn)行。

制氫裝置電解槽溫度持續(xù)升高，且不能得到有效控制，其問(wèn)題可能出自于冷卻水系統(tǒng)。于是待電解槽溫度降低至常溫后，再次啟動(dòng)試車，重點(diǎn)對(duì)閉式冷卻水的進(jìn)、出水溫度，工業(yè)冷卻水的進(jìn)出、水溫度進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解槽溫槽溫度達(dá)到設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)控制值時(shí)，制氫裝置冷卻水閥門(mén)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，閉式冷卻水流量正常；板式換熱器進(jìn)出口閉式冷卻水溫度基本相同，但進(jìn)出口閉式冷卻水溫度持續(xù)同時(shí)升高；板式換熱器進(jìn)出口工業(yè)冷卻水溫度基本相同，溫度均微漲。此現(xiàn)象表明，工業(yè)水管道不通，水流未流動(dòng)，導(dǎo)致閉式冷卻水的熱量不能通過(guò)工業(yè)水經(jīng)板式換熱器進(jìn)行換熱帶走[2]。

檢查板式換熱器未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，隨檢查工業(yè)冷卻水的排水管路，發(fā)現(xiàn)該排水管路連接于開(kāi)式循環(huán)水池自動(dòng)補(bǔ)水閥前，如圖2中修改前管道連接示意圖所示。循環(huán)水池設(shè)計(jì)的補(bǔ)水管道上安裝一浮球自動(dòng)補(bǔ)水閥，根據(jù)循環(huán)水池液位的高低自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。該種設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)當(dāng)開(kāi)式循環(huán)水池液位較高不進(jìn)行補(bǔ)水時(shí)，制氫系統(tǒng)板式換熱器所用的工業(yè)冷卻水排水管路不能導(dǎo)通，導(dǎo)致沒(méi)有介質(zhì)對(duì)氫站閉式冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換熱，進(jìn)一步導(dǎo)致制氫裝置熱量無(wú)法去除，從而就出現(xiàn)首次啟動(dòng)試車時(shí)出現(xiàn)的槽溫高聯(lián)鎖停機(jī)。找到問(wèn)題癥結(jié)所在后，首先聯(lián)系電建單位將氫站工業(yè)冷卻水排水管連接至該自動(dòng)補(bǔ)水閥前，如圖2修改后管道連接示意圖所示，保證工業(yè)冷卻水時(shí)刻暢通，能夠有效保證制氫系統(tǒng)板式換熱器的換熱效果，保證調(diào)試工作的順利進(jìn)行；其次聯(lián)系設(shè)計(jì)單位變更原有設(shè)計(jì)，按照專業(yè)提出的修改意見(jiàn)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。修改后再次啟動(dòng)制氫裝置，問(wèn)題解決，電解槽槽溫得到有效調(diào)整控制，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

圖2 制氫裝置工業(yè)冷卻水排水管道圖

3.2 堿液流量波動(dòng)大分析及處理

成功解決電解槽溫度高聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)問(wèn)題后，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入試運(yùn)行階段。制氫裝置連續(xù)運(yùn)行6 h后，堿液流量開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，最后系統(tǒng)堿液循環(huán)流量逐漸下降，并達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值300 L/h以下，整個(gè)過(guò)程堿液流量變化如圖3所示，制氫裝置再次停機(jī)。

圖3 堿液流量隨運(yùn)行時(shí)間變化圖

如圖3所示，制氫裝置啟動(dòng)初期堿液循環(huán)流量能維持在650~700 L/h，波動(dòng)較小，這主要是因?yàn)槭状螁?dòng)，堿液循環(huán)泵內(nèi)存在少量空氣所致；而運(yùn)行至6 h以后，堿液循環(huán)流量開(kāi)始出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，最大波動(dòng)值達(dá)到100 L/h，最小波動(dòng)值也達(dá)到40 L/h，且堿液循環(huán)流量總體呈下降趨勢(shì)，分析其主要因系統(tǒng)較臟，裝置首次啟動(dòng)，堿液循環(huán)泵濾網(wǎng)被污物污堵所致；運(yùn)行至20 h以后，堿液循環(huán)流量已經(jīng)逐漸低至聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)值300 L/h，為維持系統(tǒng)運(yùn)行，則需通過(guò)不斷調(diào)大堿液循環(huán)泵行程來(lái)維持堿液流量，不調(diào)節(jié)行程，電流則急劇下降，最終低流量聯(lián)鎖停機(jī)。

停機(jī)降溫后，拆下堿液過(guò)濾器，對(duì)其濾網(wǎng)進(jìn)行了仔細(xì)清理和沖洗，去除了濾網(wǎng)表面的臟污、堵塞物質(zhì)。濾網(wǎng)回裝后，再次啟動(dòng)制氫裝置，并對(duì)堿液循環(huán)泵進(jìn)行了排氣處理。系統(tǒng)再次連續(xù)運(yùn)行時(shí)，堿液循環(huán)流量較第一次有了明顯的好轉(zhuǎn)，第二次運(yùn)行至72 h以后，又開(kāi)始出現(xiàn)第一次連續(xù)運(yùn)行的現(xiàn)象，但波動(dòng)幅度較小。于是再次對(duì)過(guò)濾器濾網(wǎng)進(jìn)行清理、并對(duì)堿液進(jìn)行了更換，問(wèn)題得到有效解決，系統(tǒng)之后運(yùn)行一直平穩(wěn)正常。

3.3 氫氧側(cè)液位偏差大分析及處理

該制氫裝置首次啟動(dòng)過(guò)程中還出現(xiàn)了氫氧側(cè)液位偏差大的異?，F(xiàn)象，并且隨著制氫設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷的升高，其偏差值變得尤為明顯，甚至快達(dá)到聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)值。制氫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，氫氧側(cè)液位控制非常重要，液位差壓大超限值則會(huì)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，防止氫氧側(cè)液位互竄造成更為嚴(yán)重的事故[3]。

氫氧側(cè)液位偏差大其主要可能的原因?yàn)檎{(diào)門(mén)缺陷，不能很好地滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制；系統(tǒng)自動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，如氫、氧調(diào)門(mén)的比例系統(tǒng)、積分系數(shù)、微分系數(shù)設(shè)置不當(dāng)；氫、氧分離器液位變送器不能真實(shí)反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際液位等[3-4]。

由于該系統(tǒng)氫、氧側(cè)調(diào)門(mén)均采用進(jìn)口閥門(mén)，閥門(mén)廠家到廠進(jìn)行詳細(xì)檢查，閥門(mén)無(wú)問(wèn)題，滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝使用要求；系統(tǒng)自動(dòng)比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)在同類型設(shè)備系統(tǒng)均運(yùn)行良好，滿足工藝使用要求；于是重點(diǎn)對(duì)氫、氧液位變送器的本體、管道、信號(hào)傳輸進(jìn)行了仔細(xì)的檢查和清理，最后發(fā)現(xiàn)液位變送器一側(cè)被泥沙污堵，導(dǎo)致其不能真實(shí)反應(yīng)氫氧液位差，對(duì)其清理后，液位指示正確，液位偏差大問(wèn)題徹底解決。

3.4 堿液傷人事件分析及處理

設(shè)備運(yùn)行期間，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)堿液流量下降，懷疑堿液過(guò)濾器堵塞，隨將堿液過(guò)濾器旁路閥打開(kāi)，關(guān)閉堿液過(guò)濾器進(jìn)出口閥。后檢修人員辦理工作票對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，運(yùn)行人員制定安全措施時(shí)，打開(kāi)堿液過(guò)濾器底部排污閥排放堿液時(shí)堿液噴至臉上，幸虧眼睛遮擋，眼睛燒傷不太嚴(yán)重。

制氫設(shè)備運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)壓力為2.8 MPa，關(guān)閉堿液過(guò)濾器時(shí)，過(guò)濾器中有同樣高的壓力。而制氫設(shè)備停機(jī)泄壓時(shí)，由于堿液過(guò)濾器進(jìn)出口閥關(guān)閉，堿液過(guò)濾器中的壓力沒(méi)有隨同設(shè)備停機(jī)一同進(jìn)行泄壓，造成運(yùn)行人員打開(kāi)排污閥時(shí)，堿液因壓力突降噴出。

這種問(wèn)題的出現(xiàn)主要是由于運(yùn)行人員對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式掌握程度不夠，加上制氫站的運(yùn)行安全系數(shù)極高，自動(dòng)控制程度高，正常運(yùn)行期間運(yùn)行人員人工控制的機(jī)會(huì)少，造成設(shè)備突發(fā)狀況時(shí)未能做出合理的應(yīng)對(duì)措施[4]；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)人員安全意識(shí)培訓(xùn)，做好事故預(yù)想，避免類似事故的再次出現(xiàn)。

4 結(jié)論和建議

某330 MW機(jī)組制氫系統(tǒng)出現(xiàn)的電解槽溫度高聯(lián)鎖停機(jī)、堿液流量波動(dòng)大、氫氧分離器液位偏差大、堿液傷人事件等問(wèn)題出現(xiàn)的原因主要是由于運(yùn)行人員對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式掌握程度不夠，加上制氫站的運(yùn)行安全系數(shù)極高，自動(dòng)控制程度高，正常運(yùn)行期間運(yùn)行人員人工控制的機(jī)會(huì)少，造成設(shè)備突發(fā)狀況時(shí)未能做出合理的應(yīng)對(duì)措施。采取有針對(duì)性的措施處理后，制氫裝置能夠正確、有效、安全投入運(yùn)行，產(chǎn)生合格的氫氣，供該廠汽輪發(fā)電機(jī)組使用。制氫裝置出現(xiàn)的問(wèn)題涉及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行階段，制氫站運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)類似的一些共性或者個(gè)性問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行理論上的原因分析和制定解決方案。該廠制氫系統(tǒng)出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題及解決方式為相同類型設(shè)備今后的安裝、調(diào)試、運(yùn)行提供重要的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1]邱武斌.火電工程調(diào)試技術(shù)手冊(cè)化學(xué)卷 [M].北京:中國(guó)電力出版社，2004：309-310.

[2]翟鐵.發(fā)電廠制氫系統(tǒng)故障分析與解決辦法 [J].安徽科技，2012（12）：43-45.

[3]劉麗，李賀全.制氫系統(tǒng)氫氧分離器液位差增大原因分析[J].華北電力技術(shù)，2003（12）：57-59.

[4]錢(qián)金川，王波.基于PLC在氫氧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].機(jī)床電器，2012（3）：29-31.

Analysis and Treatment for the Problems Identified in the Start-up and Comm issioning of Hydrogen Product System in a 330MW Unit

TU Xiaofei,YANG Yanke

（North China Electric Power Research Institute（Xi'an）Co.,Ltd.,Xi'an,Shaanxi 710065,China）

During the start-up and commissioning process of the hydrogen product system of a 330 MW unit,problems were identified,including high temperature in electrolyzer,wide fluctuation ofalkaline solution,large deviations between hydrogen and oxygen separator liquid level and the risk of alkaline solution to operators.Then,correspondingmeasures were adopted to ensure the hydrogen product system to run correctly,efficiently and safely so that it can produce qualified hydrogen for steam turbine.This paper provides references for the design,installation,commissioningand operation of theequipmentof the same type.

hydrogen generator；start-up；electrolyzer；hydrogen and oxygen separator

TK264.1

B

1671-0320（2016）06-0062-04

2016-07-04，

2016-09-23

涂孝飛（1987），男，重慶人，2010年畢業(yè)于東北電力大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，工程師，從事電廠化學(xué)環(huán)保研究及基建調(diào)試工作；

楊彥科（1975），男，寧夏銀川人，1999年畢業(yè)于東北電力學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電廠化學(xué)環(huán)保研究及基建調(diào)試工作。