王晨晨,莊亞平,葉 成,王 岳,顧先青,姜旭東,曹衛(wèi)榮
核電廠制氫站氫氣制備及儲(chǔ)運(yùn)方案設(shè)計(jì)
王晨晨1,莊亞平2,葉成1,王岳1,顧先青1,姜旭東1,曹衛(wèi)榮1
(1. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,上海 200233;2. 山東核電有限公司,山東 海陽(yáng) 265116)
核電廠機(jī)組生產(chǎn)的富余電量可用來(lái)電解水制氫,氫氣的收益可以提高經(jīng)濟(jì)性。核電制氫也是大規(guī)模、低成本、高效零碳制備綠氫的最佳選擇。通過(guò)參數(shù)計(jì)算和流程設(shè)計(jì),為核電廠制氫站配置合理的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)研究論證,按照20 MW用電量規(guī)劃,配備4臺(tái)規(guī)格為1 000 Nm3/h的堿性制氫設(shè)備,氫氣運(yùn)送至壓縮站壓縮成20 MPa的高壓氫氣,運(yùn)往儲(chǔ)氫區(qū)或運(yùn)氫區(qū)。運(yùn)氫區(qū)設(shè)有8臺(tái)氫氣充裝柱,可將高壓氫氣充入長(zhǎng)管拖車(chē),送至用戶處。同時(shí),對(duì)輔助設(shè)施系統(tǒng)也給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)方案具有工程可實(shí)施性,為核電廠制氫提供了設(shè)計(jì)參考和借鑒。
核電廠;制氫及儲(chǔ)運(yùn);方案研究;流程設(shè)計(jì)
對(duì)于核電機(jī)組,推行冷熱電氫氣淡水聯(lián)供的全新極高效核能綜合利用。制氫,是核能綜合利用中重要的一環(huán)。核電廠機(jī)組生產(chǎn)的富余電量可用來(lái)制氫,制取氫氣的收益可以提高核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。氫能作為可存儲(chǔ)的二次能源和清潔能源,正加快成為全球能源替代的重要發(fā)展方向。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是我國(guó)能源高質(zhì)量發(fā)展的必由之路,可再生能源制得的氫氣為綠氫,相較于化石燃料制氫,可有效減少碳排放??稍偕茉粗饕酗L(fēng)能、光伏、生物質(zhì)、核能等,長(zhǎng)期看,風(fēng)光具有不穩(wěn)定性,生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模較小,使用核電電解水制氫將是大規(guī)模、低成本、高效零碳制備綠氫的最佳選擇。相對(duì)于工業(yè)電或火電制氫,核電有更低的制氫成本;核電布局與沿海重點(diǎn)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)高度重疊,可降低儲(chǔ)運(yùn)成本;相對(duì)于風(fēng)光制氫,核電制氫可提供大容量、穩(wěn)定的能源供給,滿足用戶規(guī)模化應(yīng)用。
目前,國(guó)內(nèi)核電廠大規(guī)模制外銷(xiāo)氫仍處于起步階段,缺乏相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本文提供的設(shè)計(jì)方案,具有工程可實(shí)施性,為核電廠大規(guī)模制氫提供了設(shè)計(jì)參考和借鑒。
經(jīng)研究,由于核電廠可以提供大量的電,因此制氫最合適的方法為電解水制氫?,F(xiàn)階段,電解制氫主要有三種方法:堿式電解制氫(AEL)、質(zhì)子膜電解制氫(PEM)和固體氧化物電解水蒸氣制氫(SOEC)。考慮核電廠制氫項(xiàng)目規(guī)模較大,選用傳統(tǒng)成熟,單機(jī)制氫規(guī)模大且商業(yè)應(yīng)用廣的堿性電解水制氫技術(shù)路線較為合適。
目前市場(chǎng)上常用的堿性電解槽制氫設(shè)備規(guī)格可達(dá)1 000 Nm3/h·臺(tái),制備的產(chǎn)品氫氣壓力為1.6~2.0 MPa,工作溫度為(95±5)℃,額定電壓為10 kV,可配套加純化設(shè)備,制氫的純度可高達(dá)到99.99%,電耗共計(jì)約為5 kWh/Nm3。核電廠制氫規(guī)模較大,可分期進(jìn)行建設(shè),經(jīng)論證,每期制氫方案中機(jī)組提供功率為20 MW 較為適宜,得出這一結(jié)論主要有以下兩個(gè)依據(jù)。
(1)目前國(guó)內(nèi)最大電解制氫項(xiàng)目,其規(guī)模即為供電功率20 MW;
(2)20 MW用電量每天可制備氫氣量約為8 t,計(jì)算方法:根據(jù)設(shè)備資料,1 000 Nm3/h的電解制氫裝置(配套純化設(shè)備)的功率約為5 MW,20 MW的功率可相應(yīng)配置4臺(tái)1 000 Nm3/h電解制氫裝置。根據(jù)下式可得出24 h滿功率運(yùn)行的氫氣產(chǎn)量。
本文中的核電機(jī)組其主要應(yīng)用為民用供暖和工業(yè)供熱,主要布局在北方。夏季無(wú)需供暖,此時(shí)機(jī)組產(chǎn)生的富余電量可以用來(lái)制氫,氫氣的收益可以提高核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。正常工況下,電解制氫可24 h滿功率運(yùn)行,機(jī)組每年在夏季運(yùn)行約3 000 h,這段時(shí)間的多余電量可用來(lái)制氫,其余時(shí)段制氫站不制氫。
制得的氫氣將不斷輸送至用戶處,不在制氫站內(nèi)大量存放氫氣產(chǎn)品??蓳?jù)氫氣站內(nèi)存放的氫氣量情況對(duì)制氫設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié),使氫氣存儲(chǔ)量符合GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》3.0.2節(jié)中一級(jí)制氫站儲(chǔ)氫量小于8 t的要求。
制氫及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的系統(tǒng)流程為:水電解制氫裝置(含純化裝置)—?dú)錃鈮嚎s機(jī)—運(yùn)氫區(qū)(或儲(chǔ)氫區(qū))—送至廠外各用戶。
制氫站的主要功能為制備1.6~2.0 MPa的中壓氫氣,通過(guò)電解氫氧化鉀溶液,產(chǎn)生氫氣和氧氣,將氧氣安全排放至大氣或收集,而氫氣則經(jīng)過(guò)冷卻、干燥、純化后,通過(guò)氫氣管道將氫氣運(yùn)送至氫氣壓縮站壓縮成高壓氫氣。制氫系統(tǒng)設(shè)有4列1 000 Nm3/h的水電解制氫裝置,每套水電解制氫裝置配備電解槽、變壓器、整流器、氣液處理器、氫氣純化裝置、水箱、堿箱、加水泵、配堿泵、純氫控制柜、純化控制柜、配電柜各一臺(tái)。除控制柜布置在單獨(dú)的中央控制室外,這些設(shè)備都布置在單獨(dú)的制氫站內(nèi)。制氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
表1 制氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)
制氫站制備的氫氣主供外銷(xiāo),每期制氫站按照4臺(tái)水電解制氫裝置進(jìn)行規(guī)劃布置,每套水電解制氫裝置配備一套氫氣純化裝置,裝置的氫氣處理量也為1 000 Nm3/h/臺(tái),氫氣純化裝置和電解槽可由設(shè)備廠家成套供貨。純化前的氫氣中會(huì)夾雜有氧氣、堿液等雜質(zhì)。經(jīng)站內(nèi)氫氣管道運(yùn)送至氫氣壓縮站壓縮至20 MPa的高壓氫氣。
氫氣壓縮站設(shè)有10臺(tái)500 Nm3/h的膜式氫氣壓縮機(jī),8用2備。每臺(tái)水電解制氫裝置配備兩臺(tái)氫氣壓縮機(jī)。每?jī)膳_(tái)氫氣壓縮機(jī)前設(shè)置一臺(tái)氫氣緩沖罐,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備容量計(jì)算,氫氣緩沖罐的壓力約為1.6 MPa,單臺(tái)水容積為5 m3,外形尺寸為1.8 m×2.0 m。當(dāng)氫氣注滿后,氫氣的質(zhì)量約為7.12 kg,氫氣緩沖罐及氫氣的質(zhì)量總重約1 750 kg。緩沖罐露天布置,北方廠址采取防凍措施。20 MPa的高壓氫氣通過(guò)氫氣管道去往儲(chǔ)氫罐區(qū)(按需)或運(yùn)氫區(qū)。
根據(jù)氫氣的日產(chǎn)量,儲(chǔ)氫罐區(qū)設(shè)有3套儲(chǔ)氫罐,可儲(chǔ)存高壓氫氣。儲(chǔ)氫罐選用市面成熟產(chǎn)品,設(shè)計(jì)壓力為22 MPa,設(shè)計(jì)溫度-40~60 ℃,單套水容積為169.9 m3。3套儲(chǔ)氫罐共計(jì)可存儲(chǔ)氫氣約 8 t,可滿足GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》中對(duì)氫氣站內(nèi)氫氣存儲(chǔ)不超過(guò)8 t的限制要求。
正常運(yùn)行工況下,制氫站內(nèi)制備的氫氣需源源不斷的輸送運(yùn)氫區(qū),運(yùn)至用戶處,不經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氫區(qū),氫氣不大量存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫罐中。當(dāng)發(fā)生特殊情況時(shí),氫氣制備系統(tǒng)可根據(jù)情況連續(xù)運(yùn)行或間斷運(yùn)行,未及時(shí)運(yùn)出廠外的氫氣可暫存在儲(chǔ)氫罐中,當(dāng)運(yùn)輸條件滿足時(shí),儲(chǔ)氫區(qū)設(shè)有高壓氫氣管道直接連接至運(yùn)氫區(qū),通過(guò)開(kāi)啟閥門(mén)等安全附件,將儲(chǔ)氫罐的氫氣輸送至運(yùn)氫區(qū)。極端情況下,若儲(chǔ)氫區(qū)氫氣存儲(chǔ)量接近滿瓶,運(yùn)輸區(qū)無(wú)法正常運(yùn)行,制氫系統(tǒng)需停止運(yùn)行。
8臺(tái)氫氣壓縮機(jī)壓縮后的高壓氫氣通過(guò)8條主管道輸送至運(yùn)氫區(qū)的氫氣充裝柱,運(yùn)氫區(qū)設(shè)有8臺(tái)氫氣充裝柱,設(shè)計(jì)壓力為20 MPa,內(nèi)部不存儲(chǔ)氫氣,可將高壓氫氣直接充裝注入20 MPa的長(zhǎng)管拖車(chē)。當(dāng)發(fā)生一些異常工況時(shí),可以邊制氫邊儲(chǔ)存至3套儲(chǔ)氫罐內(nèi),同時(shí)從儲(chǔ)氫罐直接充裝長(zhǎng)管拖車(chē)將氫氣運(yùn)輸出去,這樣可以降低對(duì)長(zhǎng)管拖車(chē)的在線充氫要求,解決因?yàn)殚L(zhǎng)管拖車(chē)充氫不及時(shí),而導(dǎo)致電解制氫機(jī)組被迫停機(jī)的情況。
根據(jù)拖車(chē)設(shè)備資料,單臺(tái)長(zhǎng)管拖車(chē)滿載運(yùn)氫量實(shí)際為0.281 t,制氫站每日氫氣產(chǎn)量約為8.57 t,日產(chǎn)量需裝滿30輛氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)來(lái)運(yùn)輸。運(yùn)氫站旁邊設(shè)計(jì)有長(zhǎng)管拖車(chē)停車(chē)場(chǎng),除正在充裝的8臺(tái)長(zhǎng)管拖車(chē)外,其余備用車(chē)輛可在此停車(chē)場(chǎng)??康却b運(yùn)。如果距用戶距離較近,長(zhǎng)管拖車(chē)可往返多次運(yùn)輸。長(zhǎng)管拖車(chē)的數(shù)量和每天往返用戶的頻次,根據(jù)制氫站業(yè)主實(shí)際需求和用戶具體距離而定。長(zhǎng)管拖車(chē)在注滿后將沿指定路線駛出廠區(qū),送至用戶處。
制氫站的用戶如大型的鋼鐵廠、化工廠等,一般需要當(dāng)?shù)卣w配套進(jìn)行規(guī)劃,按照目前氫氣輸運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性考慮,一般與制氫站距離不超過(guò) 50 km。距離越近、用戶越集中運(yùn)輸成本越低。
氫氣制儲(chǔ)運(yùn)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。
圖1 氫氣制儲(chǔ)運(yùn)工藝流程簡(jiǎn)圖
輔助系統(tǒng)主要設(shè)備和管道位于獨(dú)立的輔助設(shè)施廠房?jī)?nèi),并有獨(dú)立的設(shè)備間。冷卻水系統(tǒng),為水電解制氫裝置,氫氣壓縮機(jī)提供冷卻水;儀表用壓縮空氣系統(tǒng),為用戶動(dòng)力柜提供氣源;除鹽水儲(chǔ)存和分配系統(tǒng),為冷卻水提供水源和制氫裝置補(bǔ)充原料水源;吹掃用氮?dú)饪捎玫獨(dú)饧b格或臨時(shí)液氮車(chē)供應(yīng)。
冷卻水系統(tǒng)是獨(dú)立的封閉回路冷卻系統(tǒng),轉(zhuǎn)移設(shè)備的熱量至冷卻塔,維持制氫系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備在安全的溫度范圍內(nèi)。
根據(jù)表2的系統(tǒng)容量及管徑計(jì)算,冷卻水母管流量約為730 m3/h,管徑為DN250??偭髁颗c冷卻水用戶需求量匹配。
根據(jù)設(shè)備容量計(jì)算,波動(dòng)箱容積為5 m3,足以容納熱脹冷縮導(dǎo)致的體積變化和可能存在的向系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)向外的泄漏(11.4 m3/h)至少30 min。冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖 2所示。
表2 冷卻水母管流量及管徑的參數(shù)計(jì)算
儀表用壓縮空氣系統(tǒng)為制氫站單獨(dú)配置,儀表空氣為整個(gè)制氫站的氣動(dòng)閥提供壓縮空氣以支持制氫站的正常運(yùn)行,提供經(jīng)過(guò)過(guò)濾的、干燥的、無(wú)油的儀表壓縮空氣。
圖2 冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖
根據(jù)制氫站用戶需求,用氣采用儀用壓空標(biāo)準(zhǔn),壓縮機(jī)排氣壓力0.85 MPa,排氣量2 Nm3/min。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)獨(dú)立的空氣壓縮機(jī)系列,每個(gè)系列包括一臺(tái)風(fēng)冷噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)、無(wú)熱再生吸附式干燥器、相關(guān)閥門(mén)和管道。在制氫站正常運(yùn)行模式下,每臺(tái)儀表空氣壓縮機(jī)能連續(xù)提供100%容量的儀表空氣用氣。每個(gè)儀表空氣壓縮機(jī)系列都能滿足預(yù)期儀表空氣需求,根據(jù)用戶的需求量計(jì)算,壓縮空氣總需求量約為1.6 Nm3/min,設(shè)計(jì)量為2 Nm3/min,是需求量的1.25倍,有一定裕量以適應(yīng)最高用氣和負(fù)荷增長(zhǎng)的要求。
儀表空氣壓縮機(jī)系列能夠連續(xù)供應(yīng)最小供氣壓力為 0.8 MPa,最大供氣壓力為1.0 MPa的儀表空氣。儀表空氣子系統(tǒng)各供氣系列中的主要能動(dòng)設(shè)備(壓縮機(jī)和干燥裝置)有100%的冗余度。供氣總管將儀表空氣分配至制氫站、氫氣壓縮站、儲(chǔ)氫罐區(qū)、輔助設(shè)施廠房等。壓縮空氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。
圖3 壓縮空氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖
除鹽水儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)有輸送除鹽水的能力,足以為相關(guān)系統(tǒng)用戶提供適量的除鹽水。除鹽水由除鹽水處理系統(tǒng)供給除鹽水貯箱。除鹽水處理系統(tǒng)與核電站共用,從核電站的除鹽水處理系統(tǒng)引入一路管道提供給制氫廠區(qū)的除鹽水儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)。在所有的運(yùn)行模式下,除鹽水從除鹽水貯箱輸送到除鹽水分配管網(wǎng)。供水需求如表3所示。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。
表3 除鹽水供水需求
圖4 除鹽水系統(tǒng)流程圖
制氫站廠區(qū)內(nèi)滿足工藝流程、功能分區(qū)要求,滿足近、遠(yuǎn)期結(jié)合,方便施工,有利于擴(kuò)建的要求;廠區(qū)周?chē)O(shè)置高度為2.5 m的實(shí)體圍墻,廠區(qū)有三個(gè)出入口,滿足外來(lái)車(chē)輛運(yùn)輸區(qū)與內(nèi)部生產(chǎn)區(qū)域分區(qū)管控的需求。生產(chǎn)辦公區(qū)域與長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸區(qū)之間由道路連接,設(shè)置大門(mén)管控,不允許隨意通行,滿足生產(chǎn)及運(yùn)輸安全要求。
制氫站內(nèi)的氫氣制備儲(chǔ)存及輸運(yùn)區(qū)域的生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)類(lèi)別為甲類(lèi),耐火等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)使用年限60年,抗震設(shè)防烈度6度。整體各設(shè)置一個(gè)防火分區(qū),防火分區(qū)及疏散距離等滿足相關(guān)規(guī)范要求。
電解水設(shè)備間設(shè)置有5個(gè)安全出口,水堿箱間設(shè)兩個(gè)安全出口,低壓配電間長(zhǎng)度大于7 m設(shè)兩個(gè)安全出口,其他房間均設(shè)一個(gè)安全出口直通室外。電解間與其他房間之間,設(shè)耐火極限不低于3.0 h的不燃燒體防爆防護(hù)墻;電解間上部空間設(shè)高窗及天窗進(jìn)行通風(fēng),頂棚內(nèi)表面平整避免死角。電解間外設(shè)置除靜電裝置。
房間內(nèi)設(shè)氫氣檢漏報(bào)警裝置,并與相應(yīng)的事故排風(fēng)機(jī)連鎖。當(dāng)空氣中氫氣濃度達(dá)到0.4%以上時(shí),設(shè)置報(bào)警并自動(dòng)開(kāi)啟事故排風(fēng)機(jī),以便及時(shí)檢查處理。建筑物頂部設(shè)置風(fēng)帽,排氣孔朝向安全地帶,室內(nèi)自然通風(fēng)換氣次數(shù)每小時(shí)不得小于3次,事故排風(fēng)裝置換氣次數(shù)每小時(shí)不少于12次。避免氫氣聚集發(fā)生爆炸。
本方案設(shè)計(jì)中,核電廠內(nèi)制氫站的設(shè)計(jì)均滿足GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求。
在核電站與制氫站的總體布置上,考慮取水、消防等設(shè)施的共用,兩者距離不能太遠(yuǎn);考慮兩者安全性影響,距離也不宜過(guò)近。不同廠址情況不同,考慮周?chē)r(nóng)田與林地,以及工廠常年最小頻率風(fēng)向等不確定性,論文暫對(duì)制氫站在核電站的具體位置不做限定,后續(xù)根據(jù)廠址周?chē)敿?xì)情況再做選址和安全性評(píng)估。
根據(jù)已有的同類(lèi)項(xiàng)目投資金額,按照規(guī)模進(jìn)行測(cè)算,項(xiàng)目總投資約為3.8億元。包含范圍:工程費(fèi)用(電解水制氫主設(shè)備、氫氣純化設(shè)備、輔助設(shè)備、純水裝置、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶組、消防設(shè)備、站控系統(tǒng)等、廠房及室外工程、運(yùn)輸車(chē)輛等)、工程其他費(fèi)(項(xiàng)目場(chǎng)地征用費(fèi)、建管費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)、技術(shù)服務(wù)費(fèi)等)。
氫氣售價(jià)與制氫用電成本相關(guān),電解水制氫的成本中用電成本占70%左右,大規(guī)模核電可降低用電成本,經(jīng)濟(jì)性好。氫氣售價(jià)也與氫氣用戶距離相關(guān),若距離遠(yuǎn),則氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本高。
本文對(duì)核電廠內(nèi)利用富余發(fā)電量電解水制氫,建造大規(guī)模外銷(xiāo)用氫氣站的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究,提出了氫氣制儲(chǔ)運(yùn)及配套輔助設(shè)施的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)方案和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),估算了項(xiàng)目投資的總金額。方案具有工程可行性,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工程要求,安全性高,經(jīng)濟(jì)性好。本研究方案可對(duì)后續(xù)核電廠內(nèi)制氫及配套輔助設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工程建設(shè)提供設(shè)計(jì)參考和借鑒。
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Design of Hydrogen Preparation, Storage and Transportation Scheme for Hydrogen Production Station of Nuclear Power Plant
WANG Chenchen1,ZHUANG Yaping2,YE Cheng1,WANG Yue1,GU Xianqing1,JIANG Xudong1,CAO Weirong1
(1. Shanghai nuclear engineering research & design institute CO. LTD,Shanghai 200233,China 2. Shandong Nuclear Power Company LTD,Haiyang of Shandong Prov. 265116,China)
The surplus electricity produced by nuclear power plant can be used to electrolyze water to produce hydrogen, and the income of hydrogen can improve the economy of nuclear power plant. And it is also the best choice for large-scale, low-cost, efficient and zero carbon production of green hydrogen. Through parameter calculation and process design, a reasonable design scheme is configured for the hydrogen production station of nuclear power plant. According to the 20 MW power consumption planning, the traditional alkaline electrolytic hydrogen production method can be adopted, and four equipment with the specification of 1000 Nm3/h are equipped. The hydrogen is transported to the compression station and compressed into 20 MPa high-pressure hydrogen.The hydrogen is sent to the storage tank area or the transportation area. There are 8 hydrogen filling columns in the area. The long tube trailer will send hydrogen to the users. Detailed designs scheme for the auxiliary facility system are also given. This design scheme has the feasibility of engineering implementation and provides design reference for hydrogen production in nuclear power plant.
Nuclear power plant; Hydrogen production; Storage and transportation; Scheme research; Process design
TL490
A
0258-0918(2023)05-1189-07
2022-08-26
王晨晨(1987—),女,甘肅山丹人,高級(jí)工程師,碩士,現(xiàn)主要從事核能綜合利用氫能方面研究