摘要：通过研究常规的中压制氢系统工艺，得出制取高压高纯氢气的重点是氢气的纯化、干燥及压缩。提出高压高纯氢气制取的系统工艺，并分别对高压高纯氢气制取的各步序进行了描述。
关键词：氢气，电解，纯化，干燥，压缩
1、前言
氢气作为火力发电厂发电机的冷却介质，氢气纯度直接影响发电机的安全和效率。氢气纯度下降，则气体密度增加，引起通风损耗增加，从而影响发电机效率。氢气湿度超标将引起发电机定子线圈端部短路事故。氢气湿度越高，水分越大，造成定子绕组受潮，降低绝缘电阻，容易发生闪络和绝缘击穿，造成短路事故。因此需要控制氢气的纯度和湿度。通常采用中压水电解制氢，制得氢气通过分离干燥后存储在中压储氢罐内。国外某电厂建设要求制取高压高纯氢气，并采用高压贮存，氢气纯度要求为99.998%，露点为-70℃，氢气湿含量小于0.05g/m3，高于国内常规标准。制取高压高纯氢气需要打破常规水电解制氢工艺设计套路，在常规工艺基础上进行拓展与组合，增加特殊功能的工艺设备，改进设计流程。
2、高纯高压制氢气系统与常规中压制氢气系统的比较
常规中压制氢气系统工艺如下：
水（含电解质）→中压制氢电解槽（3.2MPa）→分离→干燥（一级）→中压贮氢罐→一级减压汇流排→用0.8~1.0MPa压力的输氢管道送至主厂房。
通过研究常规的中压制氢系统工艺，制取高压高纯氢气系统的技术重点是纯化、干燥、压缩，初步确定高纯高压制氢系统工艺如下。
水（含电解质）→低压制氢电解槽（1.5MPa）→分离→脱氧→干燥（第一级）→干燥（第二级）→干燥（第三级）→氢罐缓冲罐→隔膜压缩机→灌制高压氢瓶（14MPa）→运至主厂房。
3、水电解制氢的工作原理
电解槽是水电解制氢的关键设备，在电解槽中，水在直流电的作用下电解产生氢气和氧气，反应式： 2H2O=2H2↑+O2↑。
电解槽的每个电解小室又分为阳极小室和阴极小室。在电解槽中充满30%KOH水溶液（称为电解液）。在阴极小室产生氢气，反应式为：4H2O+4e=2H2↑+4OH- 。阴极小室产生的氢气和电解液在氢碱液循环泵及气体升力的作用下进入氢分离器，在重力的作用下进行气液分离。
阳极小室产生氧气，反应式为：4OH-=O2↑+2 H2O +4e。阳极小室产生的氧气和电解液在氧碱液循环泵及气体升力的作用下进入氧分离器，在重力的作用下进行气液分离。
4、氢气纯化、干燥系统
为了获得高纯度氢气，纯化装置采用脱氧、干燥工艺流程。纯化装置包括一个脱氧塔，三个吸附干燥塔。
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脱氧：氢气首先经过脱氧塔，在催化剂的作用下，氢气中的氧气与氢气反应生成水。氢气再经过氢气冷凝器（将气体冷却使气体中的水蒸汽冷凝生成水，冷凝水经集液器自动排放到系统外）达到除氧的目的后进入干燥吸附塔。设备正常运行时，氧气含量≤5ppm。
干燥：经过脱氧的氢气进入干燥塔，共有三个吸附干燥塔，一个工作，一个再生，一个待机。每8小时为一个切换周期。氢气的干燥采用变温吸附的工艺使氢气进行深度脱水，使其露点达到-70℃；吸附剂采用分子筛，分子筛吸附为物理吸附，吸附平衡后进行再生处理。在干燥塔中，氢气中的水分被分子筛吸附，氢气进入氢气缓冲罐。
5、氢气压缩储存系统
纯化干燥后的氢气进入气体分配装置，进入充氢系统将氢气贮存。氢气储罐的最大储氢压力为1.5MPa，容积13.9m3。
通过隔膜式氢气压缩机将氢气压缩存储至15MPa40L的钢瓶中。氢瓶与压缩机之间设汇流排，氢瓶按20只一组设集装格。
6、系统运行和性能
制氢纯化设备系统采用可编程序控制器对整个系统进行控制和监控。并通过上位完成对现场完成对现场信息的采集、处理与记录，对异常工况进行报警和自动打印功能。控制系统具有完善的联锁报警功能。与系统安全运行有关的参数均设置报警联锁功能，其上下限值可根据用户需要进行在线调整。如果系统发生超限联锁时，系统能自动切断整流柜电源，并分阶段对系统进行安全降压，当中途故障消除时，系统则自动投入正常运行。
水电解制氢制取的氢气杂质含量少，且主要杂质为氧气，因此分析氢气中的氧杂质就可监测氢气的纯度。水电解制氢系统正常运行时氢气的纯度：99.9%(V/V)。氢中氧分析仪测得氢气中的氧含量＞5ppm，装置报警。本系统的调节阀及自动阀均采用气动控制，因此气源压力是保证系统正常运行的一个必不可少的运行条件。水电解制氢系统正常运行时气源压力应保证在0.4～0.8MPa;并设置了气源压力下限报警和连锁保护。水电解制氢装置正常运行时，不断的消耗原料水，为防止不符合要求的原料水进入电解系统而导致纯度下降、电压升高、电解槽气液孔道堵塞等，需要进行在线监测。系统正常运行时，除盐水的电导率＜5µs/cm；
7、结论
目前国内电站的氢气系统设计主要为中压水电解制氢系统或外购氢瓶贮存供应两种方式。氢气指标如纯度、露点、氢气湿含量要求能满足发电机氢冷系统要求。本工程建设要求制取高压高纯氢气，氢气纯度要求为99.998%，露点为-70℃，氢气湿含量小于0.05g/m3，高于国内常规标准。为此，打破常了常规工艺设计套路，改进设计流程，增加一级脱氧，由一级干燥改为三级干燥，增加氢气压缩、灌瓶工艺，达到工程要求的高品质氢气。
参考文献：
[1] 王庆斌 工业水电解制氢技术的发展与应用（D）.中国船舶718研究所，2011。
[2] 刘勇 氢气品质对氢冷发电机运行的影响，江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司；
[3] 陈如意，简建明 大型氢气隔膜压缩机的开发及应用，北京天高隔膜压缩机有限公司；
[4]《氢气站设计规范》GB50177-2005；
[5]《隔膜压缩机》JB/T6905-2004；
论文作者:黄冬梅,李小华,赵丹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/13
标签：氢气论文; 系统论文; 小室论文; 干燥论文; 电解槽论文; 制氢论文; 纯度论文; 《电力设备》2018年第25期论文;