制氢站优化设计

山东电力技术SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(总第159期)制氢站优化设计Optimized Design of Hydrogen Generation Station徐秀萍,马玉奇(山东电力工程咨询院,山东济南250013)摘要:介绍了火力发电厂制氢的原理和系统组成,以嘉峪关电厂为例，论述了对典型设计的制氢站系统、布置的优化,为具备相似条件的制氢站设计提供参考。关键词:制氢站;典型设计;优化Abstract: This paper briefly introduced the principle and the system components of hydrogen generation for thermal powerplant, and described how to optimize the system and the arrangement of the typical design on the basis of Jiayuguan powerplant. It can be referenced for the similar condition power plant when design the hydrogen generation station.Key words: hydrogen generation station;typical design:optimize.中图分类号:TM621.8文献标识码:B文章编号: 1007- 9904(2008)0 74- 040引言区内设制氢装置。目前供氢站的设置方式基本上是厂内设置制火力发电厂目前最常用的制氢装置是采用中氢装置和外购氢气供氢方案。外购氢气供氢分为通压电解纯水制取氢气,本文就这种供氢方式、以嘉峪过外购瓶装氢向机组供氢和直接通过管道向电厂关电厂制氢站与传统的制氢站典型设计的比较为例,介绍一下 对制氢站的系统及布置的优化设计。供氢两种。不管采用哪种供氢方式,均应在厂内设置-定1典型设计的制氢站简介的氢气贮量。厂内氢气贮量有如下规定:(1)厂内设置制氢装置时,贮氬罐的总有效容1.1 水电解制氢装置工作原理水电解制氢的原理是由浸没在电解液中的一积,宜按全部氢冷发电机在制氢设备检修期间所需对电极中间隔以防止气体滲透的隔膜而构成的水贮备的正常消耗量与最大一台氢冷发电机的一次电解池,当通以-定的直流电时,水就发生分解,在.启动充氢量之和考虑。阴极析出氢气,阳极析出氧气。其反应式如下:(2)当采用外购氢气瓶供氢时,氢气瓶的总有阴极: 2H20+2e- +H2↑+20H-效容积应满足全部氢冷发电机7~0天的正常消耗旧极: 20H--2e- -H20+1/202↑量和最大一台氢冷发电机-次启动充氢量之和。总反应: 2H2O→2H2↑ +O2↑(3)当由制氢工厂通过管道向发电厂直接送氢产生的氢气进入干燥部分,由干燥剂吸附氢气时,发电厂内贮氢罐的总有效容积,可根据制氢工携带的水分,达到发电机组对氢气湿度的要求。厂的贮氢情况和送氢管道的可靠程度确定,但应能1.2水电解制氢 系统工艺流程满足全部氢冷发电机4天以上的正常消耗量。1.2.1中国煤化工在许多情况下，受客观条件限制,外购不到满YHCNMHG用下分解,在电解足氢气纯度及用量要求的成品氢气，所以需要在厂小室的阴、阳极表面 分别产生氢气、氧气。74山东电力技术SHANDONG DIANLI JISHU2008年第I期(总第159期)从电解小室出来的氢气和碱液-起通过极框及布置上阴极侧的出气孔流过气道,进入氢气分离器中,在1 X0Nm2/h典型设计的制氢装置包括:电解重力作用下进行气液分离,分离出的氢气进入氢气槽、框架 I.框架II、加水泵、原料水箱、碱箱、氢气干洗涤器中洗涤,然后经顶部除雾器除去液滴后经氢燥装置七件套”,此外还包括电解辅助单元如除盐气调节阀进入干燥器除湿后进入储存系统备用。水冷却装置和氢气贮罐、压缩空气贮罐等。氧气处理过程与上述过程相似。只不过通常氧其中电解槽、框架1、加水泵、原料水箱及碱箱气不经过洗涤,经氧分离器分离后直接放空。为制氢部分;框架II为氢气分配部分;氢气贮罐为1.2.2电解液 循环系统氢气贮存部分。从电解槽出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分分别布置在电解槽间、干燥间、加水配碱室三离器和氧分离器中，在重力作用下分别与氢气、氧个房间内,设备显得零散,管道交叉,安装不便。气分离,经蛇管冷却后,电解液通过氢、氧分离器底2制氢站系统布置优化部的连通管经过过滤器进入循环泵,然后进入电解槽形成了电解液循环系统。嘉峪关电厂是我院的EPC总承包工程,于1.2.3补充系统2002年7月进行制氢站的系统设计。为节约投资,补充原料水。蒸馏水箱中的水通过加水泵被注没有再继续套用典型设计,而是通过与制氢厂家的入氢洗涤器,先供冷却洗涤,然后通过溢流管流入氢沟通及配合,对典型设计的制氢站系统布置进行了分离器,经循环泵送入电解槽,不断地补充电解消以下优化。耗的原料水。2.1系统设计采用 一体化补充碱液。水电解过程中,碱起到增加电导的本工程设计时采用- -体化布置,即整个制氢部作用,理论上不消耗碱,正常运行中- -般不需补充分只有制氢处理器(框架I)、框架II、加水配碱装置碱,如确需补充碱时,可通过加水泵直接加入碱液循(框架II) 3件套”，其中制氢处理器包括电解槽、环系统中。氢分离器、氧分离器、氢洗涤器、碱液过滤器、碱液1.2.4除盐水冷却系统循环泵、氢气干燥装置等。另外,按照制氢站设计规冷却水主要用于以下系统:程规定,电解槽出口和干燥装置上方均应设氢气检进入整流柜以冷却可控硅整流元件;漏点,而采用一体化设计后则只需设一处检漏 点即通过冷却水调节阀分别进入氢、氧分离器内部可蛇管,以冷却循环碱液,从而达到控制系统工作温度通过.上述优化设计,既增大了制氢站的安全系的目的;数,又减少了厂房的占地面积,而且安装更为方便,进入气体冷却器内部蛇管,以冷却氢气,此冷却安装材料省。水为常流水。2.2 加水配碱装置模块化1.2.5氮 气吹扫系统加水配碱系统主要作用是:电解制氢的过程用于系统的气密试验与开机前的氮气吹扫。当中,为提高纯水的导电性,将蒸馏水箱内-定量的使用氮气时用软管与氮气源临时连接。纯水与碱混合后，配成一定浓度的氢氧化钾溶液，1.2.6排污系统通过加碱泵注入电解槽与分离器之间,形成碱液循制氢系统排污管道共分三处:框架一的排污 、环系统。借助循环泵的动力进行循环,将电解出的中国煤化工气水分离器排污、框架三排污。1.31x0Nm/h典型设计制氢装置主要组成部分TYHCN M H G将蒸馏水箱、碱液7山东电力技术SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(总第159期)箱、加水泵分散布置,使得管道布置交叉凌乱,不紧自动调节,实施远距离监测;电解槽的自动补水;原凑,而且-旦发生碱管道泄漏容易引发安全事故。料水箱的自动加水外，主要增加了制氢站的自动本工程设计时,将上述设备模块化,即将蒸馏充、补氢的功能，即将框架二即氢气分配系统的配水箱、碱液箱、加碱泵联合组装在一一个底座 上,既便置进行了优化:将典型设计的手动阀改为气动阀，于管道连接,布置上又整齐美观,占地少,投资省。从而为实现制氢设备自动充罐、自动补氢功能提供2.3氢气贮存罐的选择及布置紧凑化了基础条件，也为制氢站实现无人值守提供了保制氢站规程规定:贮氢罐的总有效容积,宜按障。全部氢冷发电机在制氢设备检修期间所需贮备的2.4.1自 动补氢系统正常消耗量与最大一台氢冷发电机的一次启动充要实现向发电机组自动补氢不外乎有两种途氢量之和考虑。径: - 是从发电机处传输到制氬站- -个 需氢信号,本工程贮氢罐的规格选择经过了精心计算,具以此控制输氢管道上的自动阀的启、闭;二是在制体如下:氢站至发电机的输氢管道上加装- -台变送器,当输机组正常耗氢量: 12Nm2/d氢管道的压力低于设定值时,变送器发出信号送至发电机组的充氢容积:85m2plC,PLC给安装在输氢管道上的自动阀发出指令最大一台机组启动充氢量:85>s+85>.0=信号,打开阀门,自动向发电机组补氢,从而实现自680Nm/次动补氢功能。由于制氢站距主厂房通常都有-定的氢设备检修期按7天计,则两台机组7天内的安全距离,信号电缆敷设不便,所以一般都采用第耗氢量: 12>7=84 Nm3二种控制方式。V=( 680+84)/(30- 5.0)=30.6m22.4.2自 动充罐系统.考虑到制氢设备仅设一套,不设备用,所以氢在自动补氢系统的基础上,框架二的总输氢管贮存罐的容量适当考虑一定的余量，选择中1800路(至氢贮罐)上装设变送器:当贮氢罐充满氢气V=13.9m3 P=3.2MPa的贮氢罐4台。后，压力变送器会发出信号至PLC, PLC接受信号典型设计中，两台贮氢罐的中心布置间距为后,再发出停止充罐信号,用于充罐的气动阀自动4.6米,而根据规程规定:立式贮氢罐之间净距不应关闭,停止充罐;当氢罐压力低于整定值时，则通过小于相邻较大罐的直径即可,所以本工程设计时将PLC发出信号打开框架二前的输氢管路阀门,向贮其间距调整为4.0米。使得整个贮氢罐房由典型设氢罐送气。计的24米长压缩至21米,既满足规程规定的安全3本工程制氢站与典型设计的经济比较使用要求,又节约了投资,减少了占地。2.4系统控制 自动化本工程通过对制氢站典型设计的优化,既满足随着电力系统的高速发展以及减人增效的实了安全生产的要求,又为工程节约了投资,具体的施,电厂的定员越来越少，从而要求各系统的自动经济比较如表1所示。化程度相应提高。另外, 制氢站是发电厂的一个重优化后的制氢站比典型设计投资及运行费用要危险源,越来越高的呼声要求其实现无人值守。省41万元左右。在这种大环境下，本工程在制氢站设计时，优实际上,我院自嘉峪关电厂后陆续建设的氢冷化了典型设计的部分系统配置,除了典型设计的制发电机组.如王曲电厂- -期、国电费县电厂一期、国氢控制系统能实现的功能诸如制氢控制系统采用电蓬中国煤化工与嘉峪关电厂相.微机控制，可以对系统压力、温度、液位等参数进行同,!YHC N M H G配供氢的阀门配76山东电力技术SHANDONG DIANLI JISHU2008年第1期(总第159期)置上稍有区别,其中王曲发电厂一期、国电蓬莱电4结语厂-期的制氢站已安全投入运行。针对1x0Nm/h的制氢站，将优化后的系统、表1制氢站 典型设计优化经济比较布置标准化，既节省投资,又减少设计人员的工作工程名称|嘉峪关电厂|典型设计(万|比较项日|(万元)元备注量,提高工作效率。工艺系统设按合同价，典收稿日期:2007-9- 7备、管遒及控195.0224.0|型设计费用.作者简介:制| 商15%左右徐秀萍(1970-),女.从事发电厂化学设计工作。土建厂房41.846.2运行人员工4.优化后达到”资无人值守总计236.8278.2她她业她业她业她业业业业业业业.处业业业业.业业她业她业业业4业女(上接66页)4 结语热力系统[M.北京:中国电力出版社, 2006.[2] Tawney R, Khan Z Zachary J. Econonic and performance600MW直接空冷机组是我国近年来引进的技evaluation of bheat sink options in combined cycle术,也是我国西北地区今后--段时期火电发展的主applications[A]. Proceeding of Turbo Expo[C] ASME/IG11流,究其原因,冬季空冷凝汽器冷却管束的冻结主Turbo Expo. Alantic. Georgia, USA, 2003.要由两方面原因所致:一是空冷凝汽器内的蒸汽流[3]乇佩璋,徐明.600MW空冷机组直接空冷散热器与风机量低于其设计值;二是冷却空气量过剩。上述两方的新进展贝]电站辅机, 2003, (1):12~45.面原因出现的前提条件是环境温度低于设计的规[4]马义伟.空冷器设计与应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大定温度,所以对空冷凝汽器的防冻必须从控制蒸学出版社, 1998.汽流量与冷却介质-空气流量”来实现。收稿日期:2007-7-6参考文献李军( 1979-),男，工程师,主要从事自控控制理论及其[1]邱丽霞,郝艳红,李润林,靳智平.直接空冷汽轮机及其应用、电力系统自动化等方面的研究工作。.中国煤化工MYHCNMHG7