電解水制氫在核電站中的應(yīng)用和運(yùn)行要點(diǎn)

摘 要： 氫氣因其顯著特性在核電站有重要應(yīng)用，制氫站包括氫氣生產(chǎn)、貯存及分配系統(tǒng)裝置。總結(jié)了系統(tǒng)操作要點(diǎn)，需注意通風(fēng)禁火等安全事項(xiàng)、啟機(jī)時(shí)進(jìn)行氮?dú)獯祾叱?、運(yùn)行時(shí)重點(diǎn)關(guān)注氫氣純度、堿液溫度、堿液循環(huán)量和氫氧液位。

關(guān)鍵詞： 制氫站;氫氣;堿液

1. 氫氣在核電應(yīng)用

某核電工程兩臺(tái)百萬千萬機(jī)組共用制氫站，用于發(fā)電機(jī)冷卻和化容系統(tǒng)脫氧。氫氣具有通風(fēng)損耗小、傳熱快、不助燃、制取方便等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)采用氫氣冷卻具有較為廣泛的應(yīng)用。氫氣通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的軸流風(fēng)機(jī)循環(huán)，汽輪機(jī)端的多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)可提供充足的壓力進(jìn)行高效通風(fēng)。熱氫通過軸流風(fēng)機(jī)從汽端抽出后通到氫冷卻器，從冷卻器中冷卻的氫氣回到勵(lì)端，然后冷卻定子鐵芯和轉(zhuǎn)子。在化容系統(tǒng)中，氫氣以一定壓力覆蓋控制箱，用于向一回路冷卻劑加氫以降低溶解氧濃度。

2. 氫氣技術(shù)要求

氫氣質(zhì)量要求如下：純度（H2+D2）大于99.95% （按體積計(jì)），最高供氣溫度45℃，露點(diǎn)溫度小于-65℃，氧含量小于5ppm（按體積計(jì)），氮含量小于100ppm（按體積計(jì)）。單臺(tái)核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的年氫氣消耗量 650 Nm3，單臺(tái)核電機(jī)組按每年兩次啟動(dòng)計(jì)的氫氣用量 140 Nm3，常規(guī)島單臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組的-次充灌用氫量 810 Nm3，常規(guī)島兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的 30 天補(bǔ)氫量 1200Nm3。按一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組一次充灌量和兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行 30 天補(bǔ)氫量考慮，常規(guī)島正常貯存量 2010Nm3。

3. 制氫系統(tǒng)設(shè)備

根據(jù)以上氫氣技術(shù)要求、消耗量和貯存量，核電工程采用兩套制氫設(shè)備、三個(gè)中壓臥式氫氣貯罐和一個(gè)氫氣分配裝置。制氫設(shè)備按10Nm3/h的額定氫氣產(chǎn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，由框架制氫裝置、氣體減壓分配裝置、補(bǔ)水配堿裝置、氮?dú)獯祾哐b置、整流裝置、控制柜、配電裝置、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)及冷水機(jī)組組成。制氫裝置由電解槽、氫、氧分離器、氫洗滌器、循環(huán)泵、堿液過濾器、干燥器、冷卻器、氣水分離器、氫氣過濾器等組成。以集氣管的形式對(duì)氫氣進(jìn)行匯流與分配，其中一個(gè)集氣管匯流外購氫氣，然后送至中壓貯氫罐儲(chǔ)存以備使用;另一個(gè)集氣管對(duì)貯氫罐送來的氫氣經(jīng)減壓后進(jìn)行分配。

4. 制氫系統(tǒng)運(yùn)行要點(diǎn)

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，操作人員需經(jīng)常觀察運(yùn)行情況，正確操作，及時(shí)記錄各參數(shù)及異常情況，一般每小時(shí)記錄一次，遇到異常情況應(yīng)及時(shí)停機(jī)處理。

4.1 安全事項(xiàng)

制氫間應(yīng)通風(fēng)良好，并采取相應(yīng)的防爆措施。如防爆燈和安裝報(bào)警器等。運(yùn)行時(shí)不得進(jìn)行任何修理工作，如若進(jìn)行修理應(yīng)先停車，分析制氫間的氫氣濃度是否低于爆炸極限，同時(shí)必須通氮?dú)馀懦b置和管道中的氫氣和氧氣，分析合格方能作業(yè)。制氫間嚴(yán)禁明火、吸煙、穿釘子鞋，操作人員不宜穿合成纖維、毛料工作服。嚴(yán)禁金屬鐵器等物相撞擊，以免產(chǎn)生火花。

嚴(yán)禁氫氣、氧氣由壓力設(shè)備及管道內(nèi)急劇放出，以免造成爆炸或火災(zāi)。氫氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不準(zhǔn)敲擊，不準(zhǔn)帶壓修理，嚴(yán)禁負(fù)壓。保持電解槽表面清潔。嚴(yán)防任何金屬導(dǎo)體或其它雜物掉到電解槽上，以免造成短路。嚴(yán)禁堿液掉到極板間或極板與拉緊螺栓之間。

4.2 氮?dú)獯祾?/p>

啟機(jī)時(shí)，需進(jìn)行氮?dú)獯祾?。氮?dú)獯祾叩哪康氖菫榱饲宄O(shè)備內(nèi)的氧氣。將純化部分與外部連接的所有閥門關(guān)閉，內(nèi)部閥門全部打開，向裝置內(nèi)充入氮?dú)庵?.5MPa。通過排氣閥將裝置內(nèi)氮?dú)鉁p壓至0.1MPa至0.2MPa。另需對(duì)氫氣減壓分配裝置和4氫氣儲(chǔ)罐進(jìn)行氮?dú)獯祾摺Ｒ陨暇柚貜?fù)操作4次以清除氧氣。

4.3 氫氣純度

氫氣的含氧量不得高于0.2%，含氧量高于0.2%的氫氣不得進(jìn)入純化部分。氫氣經(jīng)氣水分離器濾除游離水后進(jìn)入脫氧器，脫氧器內(nèi)裝填有可催化氫氧反應(yīng)進(jìn)行的鈀觸媒高效催化劑，脫氧器內(nèi)裝有電加熱元件，經(jīng)加溫后，氫氧反應(yīng)生成的水以氣態(tài)被氫氣帶出脫氧器，進(jìn)入冷卻器。原料氫氣的干燥在干燥器內(nèi)完成，采用三臺(tái)干燥器，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，每臺(tái)干燥器都依次經(jīng)歷工作、吸附、再生狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整套裝置工作的連續(xù)性。經(jīng)純化后氫氣中氧含量小于5 ppm，方可進(jìn)入儲(chǔ)罐，否則排空處理。

4.4 堿液溫度

電解槽正常運(yùn)行溫度范圍為80℃至90℃。溫度過高會(huì)造成電解槽損壞，超過92℃時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)氫、氧分離器中堿液溫度差大于10 ℃位，或槽溫與分離器溫度差30 ℃以 上時(shí)，應(yīng)清洗堿液過濾器。清洗堿液過濾器應(yīng)在停機(jī)時(shí)進(jìn)行，首先關(guān)閉過濾器進(jìn)蓋，取出濾芯用自來水沖洗干凈，再用原料水清洗一遍。如電解槽溫度過高，可能是冷卻水流量不足或冷卻水溫度過高，需調(diào)節(jié)冷卻水量，降低冷水機(jī)組的冷卻水溫度。

4.5堿液循環(huán)量

電解制氫裝置所采用的電解液為KOH溶液，溶液中的KOH起催化劑的作用，并不參與電解反應(yīng)，故理論上并不消耗[1]，僅需進(jìn)行補(bǔ)水。注意堿液循環(huán)量不能過大或過小，需保持0.45m3 /h至0.65m3 /h。堿液循環(huán)量過大，則氫氣分離器和氧氣分離器中氣體和堿液不充分分離即進(jìn)行再循環(huán)，混合后重新進(jìn)入電解槽。過小會(huì)使電解槽溫度過高而降低隔膜的使用壽命，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)循環(huán)量。

4.6 氫氧液位

氫氧分離器正常液位范圍270mm至370mm。因氫氣分離器和氧氣分離器直接與電解槽連通，如二者液位差較大，使得高壓側(cè)液體滲透隔膜與低壓側(cè)液體混合，進(jìn)而使得飽和氫氣堿液和飽和氧氣堿液在電解槽或氫氧分離器中混合[2]，可能會(huì)存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

5結(jié)語

本文介紹了某核電站機(jī)組電解水制氫的用途和設(shè)備，能滿足核島一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)和常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組氫氣冷卻系統(tǒng)對(duì)氫氣的需求，為機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障。結(jié)合在長期制氫工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了系統(tǒng)操作運(yùn)行要點(diǎn)，可為同類電解水制氫設(shè)備運(yùn)行人員參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳士英. 水電解制氫設(shè)備工藝流程及常見故障排除 [J] .內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011（4）：93-94.

[2] 韋振華. QDQ2-1型水電解制氫設(shè)備常見故障分析及其維護(hù) [J]. 氣象研究與應(yīng)用，2012（33）：215-216.

【作者簡介】魏雷（1986.11～），工程師，研究方向?yàn)楹穗婍?xiàng)目管理