火电厂供氢系统比较研究

【摘 要】本文介绍了氢冷机组发电机的新型供氢系统及常规的供氢系统，并通过计算和比较，分析了各自的优缺点，为电厂供氢方案的选择提供参考。

【关键词】氢冷发电机；供氢系统；方案比较

引言

发电机常用的冷却方式有空气冷却、水冷却、氢气冷却。目前大型机组主要采用氢气冷却。氢气对热的传导率是空气的6倍以上，加上它是最轻的一种气体，对发电机转子的阻力最小。一般，汽轮发电机的冷却方式从空气冷却改为氢气冷却后，冷却效率提高了0.2%～1.0%，发电机出力提高了20%～35%。

1 火电厂中的供氢系统

目前电厂内的供氢系统主要有三种：一是厂内设置水电解制氢装置向机组供氢；二是通过外购氢瓶向机组供氢；三是直接通过管道向机组供氢。

2 水电解制氢系统

水电解制氢的原理[1]：将浸没在电解液中的一对电极，中间隔以防止氢气渗透的隔膜而构成了电解小室，接通直流电后，水就发生分解，从阴极附近析出氢气，从阳极附近析出氧气。

阴极： 2H2O+2eH2+2OH-

阳极： 4OH--4eO2+2 H2O

总反应：2 H2O2H2+ O2

水电解制氢技术相对于其它工业制氢技术，具有设备简单、运行可靠、管理方便，不产生污染，制得的氢气纯度较高、杂质含量少的优点。其缺点是电能消耗较大，而发电厂可以直接为水电解制氢设备提供电能。目前，我国制造生产的水电解制氢设备主要是低压制氢装置和中压制氢装置。

2.1 低压制氢工艺

低压制氢装置的工作压力一般在0.5～1.0MPa，无法向发电机直接送氢，需设置氢气压缩机进行加压。一般加压至13～17MPa，然后充入高压氢气贮罐。使用氢气时，需要进行减压，再送至用户点。

低压制氢的一般工艺流程：制氢机干燥纯化缓冲罐氢气压缩机高压氢气贮存罐减压发电机。

2.2 中压制氢工艺

中压制氢装置的工作压力一般在3.2MPa左右，可减压后直接送至发电机，也可直接以3.0MPa的压力充入氢气贮罐进行贮存。

中压制氢的一般工艺流程：制氢机干燥纯化氢气贮存罐减压发电机。

2.3 低压和中压制氢工艺的比较[2]

低压制氢工艺和中压制氢工艺的较大差别在于低压制氢工艺生产的氢气需要通过氢气压缩机加压使用或贮存。

在安全性方面，低压制氢工艺中氢气压缩机和高压贮氢瓶之间是高压管道，有着相对严格的要求。而中压制氢工艺采用中压直接贮存，氢气贮罐的压力为3.0MPa，相对安全。

在维护性方面，低压制氢工艺多了氢气压缩机，直接增加了日常维护量，而且氢气压缩机有着较高的故障率，需要经常检修。

在投资方面，低压制氢工艺和中压制氢工艺的设备投资差距主要体现在氢气压缩机上。一是氢气压缩机的设备费用，二是氢气压缩机的电费。

在火力发电厂中，普遍采用中压制氢工艺，因为其投资较少，节约能源。而在生产商品氢气时，低压制氢具有较大优势，且其占地面积较小，当氢气站体积受限时，可以优先采用低压制氢。

3 外购氢瓶供氢系统

外购氢瓶供氢系统的占地面积相对较小，设备土建造价也相对较少，系统工艺较简单，运行维护也较方便。当电厂附近有稳定的氢源供应，氢气站可以采用氢瓶供氢系统。近年来火电厂的氢气站逐渐从制氢站向供氢站转变。

外购氢瓶供氢系统的工艺流程：高压氢瓶一次减压汇流排二次减压发电机。外购氢瓶供氢系统一般采用V=40L，p=15MPa的高压氢瓶，20瓶为一组。

4 氢瓶供氢及在线制氢系统

由于氢瓶供氢系统气源、气价受到供气单位的制约，如果遇到意外事件，电厂无法自行调节。且由于外购氢瓶内的氢气是高压系统，运行时氢气压力不断降低，导致提供至发电机的氢气压力和流量不稳定。经调研，采用瓶装供氢系统的电厂，其发电机均采用间歇式补氢方式，此方式不能保证发电机内氢气的压力、纯度及露点恒定，会增加发电机的损耗，不利于发电机经济性提高。

按照美国对多家发电厂使用连续补氢系统前后的数据采集对比，得出连续补氢系统至少可以提高1.5‰的发电机效率，从而减少了电厂的能量消耗。目前，供氢和制氢相结合的供氢模式已经开始在国内电厂使用。该模式通过瓶装氢气对发电机进行启动充氢，通过在线制氢机对发电机进行连续补氢。

4.1 SPE水电解制氢技术

目前，掌握固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢技术的只有少数国家，比如美国、英国、日本。国内使用的SPE水电解设备大都是从美国进口的。

SPE电解水技术与传统碱性电解水制氢相比的主要优点[3]：

（1）在给定电流密度下效率较高，因而能耗小、成本低。

（2）具有高的电流密度。因而在相同产气量下，体积小、重量轻。

（3）由于电解质是链式聚合物，性能稳定，无腐蚀性液体存在，因而安全可靠、维修量小、使用寿命长。

（4）电解质为非透气性隔膜，能承受较大的压差，从而简化了压差控制，启动和停机迅速。

（5）除盐水既是反应剂又是冷却剂，省去了冷却系统，减少了装置的体积和重量。

（6）由于没有游离碱液体存在，减少了对设备的腐蚀，产气纯度高，不含碱雾，经过简单分离后，可直接应用。

5 三种供氢方案品质比较

从上表可知在线制氢机的氢气品质最好，然后是中压制氢，最后是氢瓶供氢。包含制氢的2个方案的氢气品质都是相对稳定，而外购氢瓶的氢气品质受到供氢厂家的制约，可能会产生波动。

氢气纯度高可提高发电机的效率，减少发电机内风阻损失，提高氢气热传导率和散热能力。

在线制氢机的产氢压力低、品质稳定，省略了中间贮存过程，可直接向发电机补充连续稳定的氢气，这样可以维持发电机内的氢压，避免发电机在运转过程中，其他气体渗透到氢气系统影响氢气的纯度，压力稳定还可以提高发电机容量，改善铜绕组散热能力。同时连续补充新鲜的氢气，还能提高发电机内氢气的品质，从而提高了发电机的运行稳定性和使用寿命。所以氢气的品质也是供氢方案的选择参考条件之一。

6 总结

我国火力发电厂的氢气站最早是采用水电解制氢系统，随着工业制氢技术的蓬勃发展，商品氢气的购买较以前方便，电厂逐渐开始采用外购氢瓶供氢系统，到现在随着在线制氢机的出现，制氢和供氢结合的系统也应用而生。从表面上的经济效益而言，外购氢瓶供氢方案是最经济的，但它受制于气源，存在着不稳定因素。在附近无气源的条件下，无法采用供氢方案，只能采用制氢方案。而传统的碱性电解水制氢技术存在着较多的安全隐患，更安全的在线制氢技术正在逐步的发展，但目前仍受至于设备出力及设备投资。三种供氢方案都具有各自的优缺点，工作人员在实际设计过程中需要通过对实际条件的分析与比较，选择合理的方案。

参考文献：

[1]李琼玖，王建华，李德宽.等.水电解制氢技术的进展及其在煤制甲醇中的应用[J].中外能源，2008（3）.

[2]王君海.低压和中压水电解制氢装置在火力发电厂中的比较应用[J].河北电力技术，1998（17）.

[3]李军，蒋亚雄.浅谈SPE电解水制氢（氧）技术[J].工厂动力，2003（1）.

作者简介：

陈捷（1986-），男，浙江平阳人，大学本科，助理工程师，从事电厂化学设计工作。