制氫機運行故障分析及處理

劉敏杰

（廣州珠江電廠，廣東廣州 511457）

0 引言

凝汽器是汽輪發(fā)電機組最為重要的輔助設(shè)備，它的性電力生產(chǎn)過程中，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽溟g伴隨著能量損耗，其中一部分轉(zhuǎn)化為熱能，若這部分熱量不及時導出，勢必引起發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子等部件溫度超標問題[1]。常用的冷卻方法有空氣冷卻、水冷卻和氫氣冷卻，由于氫氣具有通風損耗小，熱傳導率大，流通摩擦阻力小，制取方便等特點[2]，被廣泛應用于300 MW 及以上機組發(fā)電機的冷卻。但氫氣作為一種易燃易爆氣體，制氫機從電解水制氫到充氣整過程都具有明顯的危險性，空氣中氫氣含量達到爆炸極限，遇明火極易發(fā)生爆炸[3]。因此，制氫系統(tǒng)運行時，需密切監(jiān)督，確保其安全可靠運行[4]。

1 設(shè)備系統(tǒng)概述

廣州珠江電廠制氫系統(tǒng)現(xiàn)有2 套CNDQ–15/3.2型一體化水電解制氫機，均由中國船舶工業(yè)總公司第七研究院第七一八研究所研制生產(chǎn)，主要用于6臺發(fā)電機組的冷卻氫氣的供應。

CNDQ–15/3.2 型制氫機采用微機控制，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)電解槽壓力、溫度、氫氧液位差等運行參數(shù)，自動控制干燥器的再生時間及再生溫度，采集并集中顯示壓力、溫度、氫液位、氧液位、氫氣純度和氧氣純度等工藝參數(shù)的功能。若系統(tǒng)偏離運行狀態(tài)，即氫閥后壓力、氣源壓力、氫氧液位上下限、氫氧純度等參數(shù)超過報警值時，發(fā)出聲光報警，并自動觸動切斷整流柜輸出直流電流的保護信號，電解槽停止工作，制氫系統(tǒng)停車。系統(tǒng)還具有槽壓二次保護功能，當自動控制系統(tǒng)失靈時，槽壓的超上限信號可直接輸出到整流柜，切斷整流柜供電電源，保證裝置的安全穩(wěn)定運行。制氫機工藝流程如下圖1所示。

圖1 制氫機工藝流程

氫氣干燥器系統(tǒng)有如下四種工作方式，可通過累計時間實現(xiàn)自動切換。

方式1：干燥器A工作（20 h）；

方式2：干燥器B工作、干燥器A再生（4 h）；

方式3：干燥器B工作（20 h）；

方式4：干燥器A工作、干燥器B再生（4 h）。

2 故障描述

1號制氫機投產(chǎn)于2006年，長期運行期間因氫氣露點不合格更換一次分子篩一次，定期更換堿液及清理堿液過濾器，運行狀況良好。但2019 年11 月份以來，1 號制氫機運行中常出現(xiàn)氫氣露點不合格、氧液位上限高保護跳機及堿液循環(huán)流量下限低保護跳機等問題。具體故障情況如下：

1）2019年11 月9日，1號制氫機運行過程中出現(xiàn)氧分離器液位上限大于400 mm，觸動保護而跳機，其他運行參數(shù)未出現(xiàn)異常：電解槽電流820 A、電解電壓84.5 V、槽溫85 ℃、槽壓3.2 MPa；

2）2019 年 11 月 11 日，檢修人員調(diào)整氧側(cè)調(diào)整閥后，重新啟動1號制氫機運行，運行1 h后，控制系統(tǒng)發(fā)出堿液流量下限報警，制氫機跳機停車，其它運行參數(shù)未出現(xiàn)異常：電解槽電流819 A、電解電壓84.7 V、槽溫84 ℃、槽壓3.18 MPa；

3）2019 年 12 月 2 日，檢修人員對堿液過濾器濾網(wǎng)例行清理后，試運1 號制氫機，發(fā)現(xiàn)干燥器A 氫氣露點不合格，還發(fā)現(xiàn)干燥器程序“干燥器A 工作干燥器B再生”運行時長為20 h，遠超設(shè)定值。

3 故障分析與處理

3.1 檢查與分析

1）氫側(cè)調(diào)整門解體檢查并在上位機上手動操作，未出現(xiàn)異常情況，氮氣吹掃干燥器氫氣管道，未發(fā)現(xiàn)堵塞。排除管道堵塞對氧分離器液位的影響。檢查發(fā)現(xiàn)，干燥器前三通閥開關(guān)處于半開位45°，無法達到設(shè)定值全開位90°。將該閥門拆解后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)含雜質(zhì)較多，調(diào)門卡澀現(xiàn)象明顯。氫側(cè)閥門開度低于設(shè)定值時，氫氣、氧氣排空量不一致，氫、氧分離器壓力差異導致氫氧兩側(cè)液位相差較大，當氧分離器液位上限超標報警，甚至超出安全值而造成制氫器跳機。

2）制氫機堿循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)運行時，電解槽各電室產(chǎn)生氧隨電解液被帶出，于堿罐內(nèi)分離，電解液通過罐底部過濾器，再經(jīng)換熱器冷卻后重新進入電解槽[2]。在整個電解制氣循環(huán)中，堿液內(nèi)部雜質(zhì)不斷積累，有不斷聚集沉淀風險。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)堿液中有沉淀物堵塞入口濾網(wǎng)，阻礙了電解液循環(huán)，造成堿液流量偏低報警，直至低于下限值跳機。

3）對干燥器運行程序檢查發(fā)現(xiàn)，干燥器程序切換成“A 再生B 工作”后氫氣露點不合格，而切換成“B 再生A 工作”后氫氣露點合格；干燥器A 運行時，氫氣露點為-27 ℃，不合格；干燥器B 運行時，氫氣露點為-56 ℃，符合標準。由此推測干燥器A 內(nèi)分子篩性能下降是露點不合格原因，需要對干燥器A分子篩進行更換。

3.2 處理措施

針對以上查明的問題，分別采取以下措施：

a）檢查制氫機上所有三通閥，更換存在卡澀或開關(guān)開度未到位三通閥；

b）啟動堿液循環(huán)泵，大流量循環(huán)30 min，沖刷管道內(nèi)部，去除大部分堿液內(nèi)雜質(zhì)，清理入口濾網(wǎng)，更換懸浮物較多的堿液；

c）分子篩失效的主要原因是吸附雜質(zhì)引起灰化[3]。為避免分子篩失效，選擇適合氫氣干燥的分子篩，運行中加強氫氣干燥器的排水排油，動態(tài)調(diào)整加熱再生時間，氫氣系統(tǒng)使用合格的壓縮空氣、CO2，保證分子篩處于良好工作狀態(tài)。

分別對上述處理故障單獨處理后，所對應的故障現(xiàn)象消失，如圖2 所示，各參數(shù)均符合標準，1 號制氫機運行正常。

圖2 處理后制氫機運行界面

可得以下結(jié)論：三通閥開關(guān)不到位易導致氧分離器液位大于上限，堿液中雜質(zhì)聚集沉淀易導致堿液流量下降，干燥器A塔分子篩失效易造成氫氣露點不合格。

4 制氫機故障預控措施

做好制氫機的定期維護保養(yǎng)和試驗，可減少制氫機故障發(fā)生率，對確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，應注意以下幾方面：

1）加強堿液的技術(shù)監(jiān)督，定期分析堿液濃度，若堿濃度低于27%-30%，及時補充至合格。定期檢查堿液中懸浮物含量，若堿液中懸浮物含量超標，應及時更換；

2）定期檢查堿液入口濾網(wǎng)?？烧{(diào)大堿液循環(huán)泵，大流量循環(huán)30 min，拆開濾網(wǎng)進行清理；

3）定期評估干燥器分子篩狀態(tài)，應及時更換性能不合格干燥器分子篩；

4）定期維護保養(yǎng)制氫系統(tǒng)各類運行設(shè)備和介質(zhì)，檢測各報警裝置的工作狀態(tài)，在出現(xiàn)跳機風險前及時響應，排除故障。

5 結(jié)語

制氫系統(tǒng)是火力發(fā)電廠重點安全事故防范區(qū)域，做好制氫機的定期維護保養(yǎng)工作，能有效降低制氫機故障發(fā)生率，為發(fā)電機組及時提供合格的氫氣，保障火電廠發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。