發(fā)電機(jī)氫氣提純技術(shù)在燃?xì)鈾C(jī)組的應(yīng)用

高國梁

(廣州珠江天然氣發(fā)電有限公司，廣州 511458)

0 引 言

氫氣具有密度低、熱傳導(dǎo)能力良好及散熱能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)。另外， 氫氣比熱容較高，換熱效率較高， 因此發(fā)電機(jī)組的冷卻器體積較小，節(jié)省材料與成本。但是，氫氣為易燃易爆氣體，與空氣混合濃度在4%～76%時(shí)易發(fā)生爆炸事故，因此發(fā)電機(jī)組需配備密封油系統(tǒng)及氫氣泄露監(jiān)測裝置，以防氫氣泄露[1]。

在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，存在氫氣純度降低的問題，其可能原因：在發(fā)電機(jī)啟機(jī)置換過程中，置換不徹底引起的氫氣濃度下降；氫氣本身濕度過大，雜質(zhì)氣體較多；密封瓦間隙超標(biāo)引起氫、空側(cè)密封油竄流等[2-4]。氫氣純度降低時(shí)，混合氣體的密度和黏度均會增大，發(fā)電機(jī)組風(fēng)力摩擦損耗將會增加，從而造成機(jī)組構(gòu)件局部過熱，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。另外，發(fā)電機(jī)組風(fēng)力摩擦損耗增加會降低發(fā)電機(jī)效率，造成機(jī)組功率的損失。

針對發(fā)電機(jī)組氫氣純度降低的問題，目前絕大多數(shù)電廠通過調(diào)整密封油系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、采用排補(bǔ)氫氣等方法。但調(diào)整參數(shù)只能抑制氫氣純度降低的速度，不能從根本上解決問題；而采用排補(bǔ)氫氣的方法，不僅會大量耗用氫氣，造成經(jīng)濟(jì)損失，而且存在著火和爆炸的危險(xiǎn)，影響機(jī)組安全運(yùn)行。因此該文提出將氫氣提純技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組，并采用在線監(jiān)測自主運(yùn)行的策略，從而更加安全經(jīng)濟(jì)地解決發(fā)電機(jī)組氫氣純度降低這一問題。

1 氫氣提純技術(shù)

目前國內(nèi)現(xiàn)存的氫氣提純技術(shù)主要包括：變壓吸附技術(shù)[5]、膜分離技術(shù)[6]及深冷分離技術(shù)[7]。

1.1 變壓吸附技術(shù)

變壓吸附技術(shù)原理,即在不同壓力下，吸附劑對吸附質(zhì)具有不同的吸附能力(壓力越高吸附能力越強(qiáng))；在相同壓力下，吸附劑對不同吸附質(zhì)組分具有選擇吸附能力。變壓吸附技術(shù)工藝流程主要包括高壓吸附和低壓解吸。首先，在較高壓力下，吸附能力較強(qiáng)的組分被選擇吸附于吸附劑中，而吸附能力較弱的組分則富集于解吸氣中；在較低壓力下，吸附于吸附劑中的組分解吸，富集于解吸氣中，且吸附劑得以再生循環(huán)使用。這樣就可以實(shí)現(xiàn)吸附能力不同的組分分離。吸附劑一般是具有吸附能力的固體，吸附質(zhì)為被吸附的物質(zhì)(氣體)。工業(yè)上常用的吸附劑包括分子篩活性炭、活性氧化鋁、硅膠等，這些吸附劑對于氫氣的吸附率比較低。變壓吸附技術(shù)具有能耗低、純度高、工藝流程簡單、自動化程度高、投資小、吸附劑使用周期長及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可考慮應(yīng)用于氫氣提純技術(shù)中。

吸附技術(shù)提純氫氣流程：在高壓下，吸附劑將氫氣中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附，使氫氣得以提純；然后在低壓下，雜質(zhì)脫附，吸附劑即可循環(huán)使用。該方法獲得的氫氣純度很高，一般可達(dá)99%以上。當(dāng)吸附壓力增大時(shí)，雜質(zhì)的吸附量會增加，氫氣純度也會提高，但壓力太大氫氣的回收率會隨之降低，因此需選擇合適的工作壓力，才能保證其回收氫氣純度和回收率達(dá)到預(yù)期范圍。

1.2 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是利用混合氣體通過分離膜的選擇性滲透來進(jìn)行氣體提純的，膜分離技術(shù)提純氣體的推動力是膜兩側(cè)的壓差，主要包括微孔擴(kuò)散技術(shù)和溶解-擴(kuò)散技術(shù)，其原理示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 氣體分離膜微孔擴(kuò)散原理示意圖

圖2 氣體分離膜溶解-擴(kuò)散原理示意圖

微孔擴(kuò)散技術(shù)的分離膜為多孔介質(zhì)材料，其孔徑范圍為0.02～20 μm，由于混合氣體的平均自由程小于孔徑，因此有利于分離過程的進(jìn)行。如圖1所示，在壓差的作用下，混合氣體中滲透率較高的組分易于透過分離膜，富集于透過側(cè)(膜的右側(cè))；而滲透性較低的組分不易于透過分離膜，富集于未透過側(cè)(膜的左側(cè))，從而實(shí)現(xiàn)氣體的提純。另外，溫度和壓力也會影響氣體在分離膜的滲透率，尤其是壓力。分離膜兩側(cè)的壓差越大，氣體的透過率越高。

采用溶解-擴(kuò)散技術(shù)進(jìn)行氣體分離，過程可以簡單概述為：吸附—溶解—擴(kuò)散—分離。如圖2所示，首先氣體被吸附在膜的一側(cè)并且溶解，然后在濃度梯度(壓力梯度)的作用下擴(kuò)散到膜的另一側(cè)，并在此發(fā)生解吸，達(dá)到分離提純的效果。由于氣體的吸附-溶解過程及分離過程較快，而氣體在膜內(nèi)部的擴(kuò)散過程較為緩慢，因此提高該技術(shù)的分離速度在于提高氣體在膜中的分離速度。

膜分離技術(shù)幾乎無相變過程，因此能耗較低；膜分離組件簡單，操作靈活，成本較低；另外，膜分離技術(shù)具有無污染、綠色環(huán)保的優(yōu)越性能。目前大部分氣體分離膜采用微孔擴(kuò)散原理來實(shí)現(xiàn)氫氣的提純，其具有投資少、能耗低、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組的氫氣提純工作。

1.3 深冷分離技術(shù)

深冷分離技術(shù)又被稱作低溫精餾技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將混合氣體壓縮、冷卻后，利用不同組分的沸點(diǎn)差異進(jìn)行精餾，從而實(shí)現(xiàn)組分的分離。該技術(shù)中壓縮、冷卻過程的能耗很大，且系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備成本較高，較適用于大規(guī)模氣體分離過程，因此不大適用于發(fā)電機(jī)組氫氣提純工作。深冷分離技術(shù)由于其設(shè)備成本高、能耗高等缺點(diǎn)，一直未被廣泛應(yīng)用。

1.4 氫氣提純技術(shù)的確定

當(dāng)原料氣體積流量為4 000 m3/h時(shí)，分別就變壓吸附技術(shù)、深冷分離技術(shù)、膜分離技術(shù)3種提純技術(shù)的氫氣純度、產(chǎn)氣成本、投入成本、安裝面積等方面進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。由表1可知，在單位產(chǎn)氣成本方面，變壓吸附技術(shù)最高，為1.302元/m3，膜分離技術(shù)最低，為1.023 元/m3；在投入成本和安裝面積方面，深冷分離技術(shù)最高，膜分離技術(shù)最低；在氫氣回收率和回收氫氣純度方面，膜分離技術(shù)均居中，綜上，膜分離技術(shù)較為適合電廠發(fā)電機(jī)的氫氣提純工作。

表1 3種氫氣提純技術(shù)參數(shù)對比

2 氫氣提純系統(tǒng)

2.1 氫氣提純系統(tǒng)組成

該文采用基于膜分離技術(shù)的氫氣提純系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組氫氣提純工作，其系統(tǒng)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括氣體分離模塊、氫氣干燥裝置、壓氣機(jī)、換熱器、過濾器、流量計(jì)及氣閥等。氣體分離模塊為系統(tǒng)的核心部分，采用的氫氣凈化膜為有機(jī)膜，該模塊設(shè)計(jì)工作壓力為0.6 MPa，工作溫度為30 ℃。氫氣干燥裝置對原料氣進(jìn)行預(yù)處理，主要去除原料氣中的水蒸氣。壓氣機(jī)用于提供原料氣的流通動力，提高原料氣的壓力。換熱器采用翅片式結(jié)構(gòu)，不銹鋼材質(zhì)，利用內(nèi)冷水冷卻壓縮后的原料氣，使其溫度保持在30 ℃左右。過濾器包括油過濾器和精密過濾器，主要去除原料氣中的微量油蒸汽、粉塵等雜質(zhì)。

圖3 氫氣提純系統(tǒng)示意圖

氫氣提純系統(tǒng)的工作流程：1)原料氣從發(fā)電機(jī)中流出，經(jīng)氫氣干燥裝置進(jìn)行預(yù)處理，然后經(jīng)進(jìn)氣閥、流量計(jì)流入壓氣機(jī)，增壓至0.6 MPa；2)增壓后的原料氣經(jīng)過換熱器冷卻至30 ℃，進(jìn)入過濾器進(jìn)一步去除原料氣中的油蒸汽及粉塵，再進(jìn)入氣體分離模塊，此時(shí)氣體壓力為0.6 MPa，溫度為30 ℃；3)混合氣體經(jīng)氣體分離模塊中的氣體膜完成分離后，從滲透側(cè)得到富集的氫氣，該部分氣體經(jīng)流量計(jì)、產(chǎn)品氣閥返回發(fā)電機(jī)組，從氣體膜非滲透側(cè)得到富集的空氣，通過廢氣排放管道排出。

2.2 氫氣提純系統(tǒng)應(yīng)用

將該氫氣提純系統(tǒng)應(yīng)用于某電廠，并在線監(jiān)測其運(yùn)行期間發(fā)電機(jī)組的氫氣濃度及壓力，其結(jié)果如圖4所示。當(dāng)氫氣提純系統(tǒng)運(yùn)行150 h后，發(fā)電機(jī)組的氫氣濃度從97.25%逐漸升高至99.33%。氫氣壓力近似呈現(xiàn)周期變化規(guī)律，運(yùn)行期間氫氣壓力最大值為302.90 kPa，最小值為267.54 kPa，平均值為287.41 kPa。由此可知，氫氣凈化裝置的提純效果明顯，避免了通過排補(bǔ)氫氣的方式提高純度造成的氫氣浪費(fèi)，且減少了發(fā)電機(jī)損耗，提高了發(fā)電機(jī)組的效率。另外，通過設(shè)備運(yùn)行，可以使得發(fā)電機(jī)氫氣純度達(dá)到99%以上，并長期保持，解決了發(fā)電機(jī)氫氣純度過低的問題，保障了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

圖4 發(fā)電機(jī)組氫氣濃度及壓力隨運(yùn)行時(shí)間的變化

如圖5所示，以400 MW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為例，氫氣濃度每增加1%，發(fā)電機(jī)風(fēng)力摩擦損耗將降低160.4 kW，即發(fā)電機(jī)的輸出功率將增加160.4 kW。當(dāng)氫氣濃度從96%增加到99%時(shí)，若發(fā)電機(jī)組年平均小時(shí)數(shù)按照4 000 h計(jì)算，則安裝氫氣提純系統(tǒng)后，該機(jī)組的年發(fā)電量約增加1.9×106kW·h。另外，安裝氫氣凈化裝置后，電廠節(jié)約了大量因純度不合格所需的排補(bǔ)用氫量。假設(shè)每天的排補(bǔ)用氫量為4.8 m3，該機(jī)組年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4 000 h，合計(jì)167天，則每年節(jié)約的排補(bǔ)用氫量為801.6 m3。

圖5 氫氣濃度對發(fā)電機(jī)組風(fēng)力摩擦損耗影響

3 結(jié) 語

將基于膜分離技術(shù)的氫氣提純系統(tǒng)應(yīng)用于某燃?xì)鈾C(jī)組，采用在線監(jiān)測運(yùn)行的策略， 應(yīng)對氫氣純度下降的問題。運(yùn)行150 h后，發(fā)電機(jī)組的氫氣濃度從97.25%逐漸升高至99.33%。氫氣提純系統(tǒng)運(yùn)行后發(fā)電機(jī)氫氣純度可長期達(dá)到99%以上，解決了發(fā)電機(jī)氫氣純度過低的問題，保證了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。氫氣提純系統(tǒng)在提高氫氣純度的同時(shí)，減少了發(fā)電機(jī)風(fēng)力摩擦損耗，提高了電廠經(jīng)濟(jì)效益。