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制氢讲义
制氢讲义
1、为什么要用氢气冷却转子绕组、定子铁芯?
1、发电机在运行中产生磁感应的涡流损失和线阻损失,这部分能量损失转变为热量,使发电机的转子和定子发热。
发电机线圈的绝缘材料因温度升高而引起绝缘强度降低,会导致发电机绝缘击穿事故的发生,所以必须不断地排出由于能量损耗而产生的热量。
2、空气冷却
20世纪30年代末期以前,汽轮发电机基本上处于单一的空气冷却阶段。
空气冷却在结构上最简单,费用最低廉,维护最方便,这些显著的优点使得空气冷却首先得到了应用和发展。
随着电网容量的增大,要求提高汽轮发电机的容量。
为了提高容量,需要增加电磁负荷,导致电磁损耗增大,从而引起电机发热量的增加要强化冷却就必须加大通风量,这必然引起通风损耗的增大,而通风损耗(含风摩耗)占总损耗的40%,这就使得电机的效率降低。
另外,空气冷却的定转子绕组的温升也较高,影响绝缘的寿命。
氢气冷却
当电机的单机容量达到一定水平时,空冷技术在效率和温升等方面逐渐暴露出不足,为了寻求更加有效的冷却方式,人们发展了氢冷技术。
从20世纪30年代末,容量大于50MW的汽轮发电机逐步过渡到氢气冷却。
氢气的比重小,纯氢的密度仅为空气的1/14,导热系数为空气的7倍,在同一温度和流速下,放热系数为空气的14~15倍,粘度最小,导热系数最高。
由于密度小,因此,在相同气压下,氢气冷却的通风损耗、风摩耗均为空气的1/10,而且通风噪声亦可减小。
氢冷电机的效率提高了,而且温升明显下降。
由于电机内氢气必须维持规定纯度,为此必须额外设置一套供氢装置,给设计和安装带来了困难。
另外,密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患。
3、本厂1100MW发电机定子绕组直接水内冷,转子绕组直接氢内冷,定子铁芯氢冷
由于发电机都是高转速的汽轮发电机组,由于其转速很高,为3000转/分钟,为降低离心力,其发电机设计成直径短而轴向长度很长的样子。
由于长度太长,发电机中部的热量不易散出,所以需要专门的发电机冷却系统。
采用氢气冷却是由于氢气的吸热性好,冷却效果比空气好,而且氢气比重比空气轻许多,可以减少冷却风扇功率。
优点:
(1)氢气密度小,大大降低了发电机风扇和通风系统等的摩擦损耗,提高了发电机的效率;
(2)氢气传热系数大,导热能力强,可提高发电机的单机容量和缩小发电机的体积;
(3)氢气的绝缘性能好,电离现象微弱,可以延长线圈的使用寿命;
(4)由于氢气密度小,且采用密闭循环系统后,可使机组噪音大大减小。
缺点:
(1)氢气是一种易燃易爆的气体,只要空气中含氢气5一76%(体积比),遇火就会发生爆炸;
(2)氢气是一种比空气轻且渗透性很强的气体,所以对发电机的严密性要求很高,以防氢气向外泄漏;
(3)必须有一套制氢装置,以满足不断补氢的需要;
(4)发电机充氢、排氢时,很烦琐,过程也很缓慢,技术要求很严格。
氢气冷却器作用
发电机运行时定子转子线圈会发热,这些热量由发电机内部的氢气吸收,热氢被泵抽到氢气冷却器的管道中与水管内的冷水热交换,释放热量变成冷氢,再被压到发电机内部再进行这个循环,热水被抽走换成冷水。
氢气冷却器就是他们热交换的地点,跟冰箱的冷凝室一个道理。
2、制氢原理介绍
所谓电解就是借助直流电的作用,将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。
1、电解水原理
在一些电解水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的物质完全没有关系,被分解的是作为溶质的水,原来的电解质仍然留在水中。
如氢氧化钠、氢氧化钾等。
1、在电解水时由于纯水的电离度很低,导电能力弱,属于典型的弱电解质,必须要加入上述溶剂,增加溶液的导电能力,使水能够电解成为氢气和氧气。
我厂360MW机组目前所加溶剂为氢氧化钠,以氢氧化钠为例进行说明。
NaOH是强电解质,溶于水后发生如下电解反应
NaOH=Na++OH-,于是水中大量产生Na+和OH-
2、金属离子在水溶液中的活泼型不同,按照在水中的活泼性排列
K>Na>Mg>AL>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au,在上面的排列中可以看出前面的金属比后面的金属活泼
3、在金属活泼顺序表中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。
从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电子电位高,而排在活泼性大小顺序前的金属离子由于其金属电位底而难以获得电子成为原子。
所以在水溶液中同时存在Na+和H+时,H+将首先在阴极上得到电子成为氢气,而Na+则继续留在水溶液中。
4、水是一种弱电解质,难以电离,当水溶液中有氢氧化钠时,电离的钠离子周围围绕着极性的水分子成为水合钠离子,而且由于钠离子的作用使水分子有了极性方向。
在直流电作用下,钠离子带着极性方向的水分子一同迁向阴极,这时氢离子就会首先得到电子成为氢气。
5、化学反应方程式如下:
(1)阴极反应电解液中的H+受阴极的吸引而移向阴极,接受电子成为氢气4e+4H2O=2H2+4OH-
(2)阳极反应电解液中OH-的受阳极的吸引移向阳极,最后放出电子成为水和氧气4OH-=2H2O+O2+4e
阴阳极总反应式为2H2O=2H2+O2
所以以氢氧化钠为电解质的电解过程中,实际上是水被电解,而氢氧化钠只是起到运载电荷的作用。
3、氢气系统介绍电解制氢装置可分为十个子系统
3.1氢气系统
由电解槽各电解小室阴极电解出来的氢气随碱液一起,借助于碱液循环泵的扬程和气体升力,从主极板阴极侧的出气孔进入氢气管道,再从右端极板流出进入氢分离器,在其内氢气与碱液分离,然后从氢分离器的氢气管道进入氢气洗涤器。
在洗涤器中洗涤氢气中含有的微量碱,并将氢气由75-90℃冷却至40℃左右,进入捕滴器,去除氢气中的水滴,使氢气的含湿度降到4g/m3以下后,经气动薄膜调节阀压力调节,流向吸附器A(B)进行再生吹冷,再进入冷凝分离器,到吸附器B(A)进行吸附,此时产品氢气含湿量已降到0.02912g/m3以下,进入氢气分配框架。
当进行吸附的吸附器饱和需要进行再生时,由PLC控制相应的气动球阀动作,使氢气进入需再生的吸附器,升温带出饱和的水份,再经冷凝分离器将水份冷凝分离,随后进入另一只吸附器,经吸附后,合格的产品气送入氢气分配框架,然后分配送入各氢气储罐或直接送入发电机。
3.2氧气系统
由电解槽各电解小室阳极侧电解出来的氧气随碱液一起,从主极板阳极侧的出气孔进入氧气管道,再从右端极板流出,进入氧分离器,在其内氧气与碱液分离,然后经气动薄膜调节阀排空(也可回收使用)。
3.3碱液循环系统
为了随时带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量,向极板区补充除盐水,增加电解区域电解液的搅拌,降低小室电压,减少能耗,本系统采用循环泵强制循环。
碱液在氢分离器和氧分离器中分离出氢气和氧气后,在两分离器底部的连通管内汇合,经碱液过滤器去除固态杂质,再进入循环泵,由泵加压后回到电解槽。
在电解槽中,碱液从左端压板进入各主极板的进液孔,流经各电解小室,在各电解小室中进行电解,而后与电解出来的氢气或氧气一起,分别从各自的出气孔进入氢气管道或氧气管道,再分别进入氢分离洗涤器和氧分离器,从而构成完整的碱液循环系统。
3.4气体排空系统
制氢装置在每次刚开机运行时,其氢气纯度不能马上达到所需标准,所以一般是先将其排空,当氢气纯度达到标准后再充氢。
3.5补充水系统
电解过程中,除盐水不断消耗,必须及时向系统内补充除盐水。
补水系统主要包括除盐水箱和供水泵,水箱中的水根据氢氧分离器中碱液面高度通过供水泵打入氢分离器,从而进入碱液循环系统。
在正常情况下,补水可自动进行,特殊情况下也可手动操作。
为保证系统中的气体和碱液在供水泵停运期间不回流,在送水管道上装有止回阀。
3.6冷却水系统
冷却水系统共分三路:
第一路通过氢发生处理器的冷却水气动薄膜调节阀,分成两路分别进入氢分离器和氧分离器以冷却分离器中的碱液。
电解过程中的电解槽温度的控制就是通过改变这路冷却水量的大小来实现的。
第二路进入氢发生处理器的氢气冷凝分离器冷却再生时被加热的氢气,使氢气降温,冷凝氢气中的微量水。
第三路进入整流柜,冷却可控硅整流元件.
3.7排污系统
排污系统主要有三路:
第一路从氢发生处理器的碱液过滤器底部和电解槽的底部,通过2B和6B,排出清洗用除盐水及杂质或含有杂质的碱液。
第二路从氢发生处理器的洗涤器底部、捕滴器底部、排污器底部及氢排空管底部,通过14D、7D、11D和3D排出氢气系统冷凝下来的液体,经排水水封,排入污水沟。
第三路从氢发生处理器的氧排空管底部,通过2D排出氧气冷凝水。
3.8储氢系统
本系统由氢发生处理器、氢气分配框架和氢气储罐组成。
当电解槽产生的氢气满足所需标准后,由PLC控制氢发生处理器上自动充氢阀门1Q关闭,氢气由氢发生处理器出来到氢气分配框架。
通过氢气分配框架的阀门进入氢气储罐,完成氢气的存储。
3.9充氢系统
由氢气分配框架和氢气储罐组成,当发电机侧压力低于0.8Mpa时,氢气分配框架上发电机侧压力开关(或压力变送器)将压力信号传送到控制柜上的PLC,控制氢气分配框架相应的气动阀门打开,氢储罐中的氢气通过氢气分配框架开始往发电机补氢。
当发电机侧压力达到1Mpa时,压力开关(或压力变送器)上限接点接通,PLC发出信号,气动阀门关闭,系统停止往发电机补氢。
3.10除盐水箱补水系统
制氢装置运行过程中,水箱液位信号传送给PLC,PLC根据水箱液位情况,自动控制水箱的进水电磁阀,实现了水箱补水的自动化。
4、设备参数
序号
项目
单位
供方提供数据
1
框架一
1.1
电解槽
1.1.1
产氢量
Nm3/h
15
1.1.2
工作压力
MPa
3.2
1.1.3
工作温度
℃
85±5
1.1.4
工作电压
V(DC)
76
1.1.5
工作电流
A(DC)
920
1.1.6
小室电压
V(DC)
2
1.1.7
小室数量
个
50
1.1.8
直流电耗
kWh/Nm3
≤4.8
1.1.9
电流效率
%
99.99
1.1.10
电解槽结构型式
双极压滤式
1.1.11
电极型式及材料
中间正极,两端负极碳钢镀镍
1.1.12
隔膜材料
石棉
1.1.13
隔膜寿命
10年
10
1.1.14
绝缘密封材料
F46+五种附性添加剂
1.1.15
板间距离
mm
1.882
1.1.18
数量
台
1
1.2
气液处理装置
1.2.1
氢气处理量
15Nm3/h
15
1.2.2
工作压力
MPa
3.2
1.2.3
出口氢纯度
%
≥99.9
1.2.4
出口氧纯度
%
≥99.5
1.2.5
出口氢湿度
4g/cm³
1.2.6
出口氢温度
℃
≤35℃
1.2.7
碱液循环泵
1.2.7.1
型号
FA84
1.2.7.2
流量
m3/h
0.8
1.2.7.3
排出压力
MPa
4.0
1.2.8
碱液过滤器
1.2.8.1
滤网材质
Ni
1.2.8.2
滤网目数
目
100
1.2.9
设备重量
吨
1
1.2.10
外形尺寸
mm
整合在框架一内
1.2.11
数量
套
1
1.3
纯化干燥装置
1.3.1
氢气处理量
Nm3/h
15
1.3.2
工作压力
MPa
3.2
1.3.3
粗氢条件
≥99.9
1.3.4
产品氢纯度
%
≥99.9
1.3.5
产品氢湿度
≤-50℃
1.3.6
产品氢温度
℃
≤35℃
1.3.7
再生方式
原料气再生
1.3.8
工作温度
℃
常温
1.3.9
再生温度
℃
250~300℃
1.3.10
运行周期
h
24
1.3.11
系统压降
MPa
0.1
1.3.12
填料种类
13X分子筛
1.3.13
电源电耗
kW
4
1.3.14
设备重量
吨
整合在框架一内
1.3.15
外形尺寸
mm
整合在框架一内
1.3.16
数量
套
1
1.4
框架一总重量
吨
3.63
1.5
框架一外型尺寸
mm
3100X2000X2450
1.6
框架数量
套
1
2
框架二
2.1
工作压力
MPa
3.2
2.2
设备重量
吨
0.13
2.3
外形尺寸
mm
2000×270×1700
2.4
数量
套
1
3
框架三
3.1
纯水箱
3.1.1
材料
304不锈钢
3.1.2
容积
m3
0.219
3.1.3
外径
mm
506
3.1.4
壁厚
mm
2
3.1.5
高度
mm
1393
3.1.6
重量
吨
0.071
3.2
碱液箱
3.2.1
材料
304不锈钢
3.2.2
容积
m3
0.219
3.2.3
外径
mm
506
3.2.4
壁厚
mm
2
3.2.5
高度
mm
1370
3.2.6
重量
吨
0.106
3.3
注水泵
3.3.1
型号
SJ2-M-80/4.0
3.3.2
类型
隔膜泵
3.3.3
流量
m3/h
0.08
3.3.4
排出压力
MPa
≥4.0
3.3.5
材料
3.3.5.1
外壳
铸钢
3.3.5.2
柱塞
不锈钢
3.3.5.3
泵缸头
不锈钢
3.3.6
电机
3.3.6.1
型号
YB90L-B
3.3.6.2
电源
V(AC)
380
3.3.6.3
功率
kW
0.75
3.3.7
生产厂商
上海申贝
3.4
设备重量
吨
0.25
3.5
外形尺寸
mm
1740×1100×1360
3.6
数量
套
1
4
除盐水冷却装置
4.1
除盐水流量、水压
12.5T、0.4MPa
4.2
工业水流量、水压
20T、0.2MPa
4.3
外形尺寸(长×高×深)
2700×1800×2450
4.4
运行重量
1.9
4.5
电源
380
4.6
板式换热器
2
一用一备
4.6.1
数量
2
4.6.2
换热面积
6
4.6.3
材质
不锈钢
4.6.4
生产商
四平巨鹏
4.7
除盐水箱
4.7.1
数量
1
4.7.2
有效容积
1.4
4.7.3
材质
304不锈钢
4.7.4
附件
液位计
4.7.5
生产商
苏州竞立
4.8
除盐水泵/增压补水泵
4.8.1
数量
2
4.8.2
型号
CH50-32-160
4.8.3
流量
12.5
4.8.4
扬程
0.4
4.8.5
过流部分材质
304SS
4.8.6
配用电机
内置电机
4.8.7
生产商
大连双龙
4.9
流量计
无
4.10
过滤器
4.10.1
型号
配套
4.10.2
工作压力
0.4
4.10.3
滤网目数
40
4.10.4
材质
不锈钢
4.10.5
连接方式
焊接
4.10.6
数量
2
4.10.7
生产商
配套厂家
4.11
阀门
配套厂家
4.12
其它附件
配套厂家
5
氢气贮罐
5.1
类型(立式)
立式
5.2
设计压力
MPa
3.24
5.3
工作压力
MPa
3.2
5.4
设计温度
℃
-36℃~45℃
5.5
工作温度
℃
-36℃~45℃
5.6
容积
m3
13.9
5.7
直径
mm
1800
5.8
壁厚
mm
20
5.9
总高度
mm
6335
5.10
材料
16MnDR
5.11
重量
吨
6.4
5.12
数量
台
7
6
压缩空气贮罐
6.1
类型(立式)
6.2
设计压力
MPa
1.05
6.3
工作压力
MPa
1.0
6.4
设计温度
℃
-36℃~45℃
6.5
工作温度
℃
-36℃~45℃
6.6
容积
m3
10
6.7
直径
mm
1800
6.8
壁厚
mm
8
6.9
总高度
mm
4860
6.10
材料
16MnDR
6.11
数量
台
1
6.12
重量
吨
2.45
7
氢气排水水封
7.1
外径
mm
120
7.2
总高度
mm
700
7.3
重量
吨
0.007
7.4
数量
台
1
8
氮气瓶
8.1
容积
m3
0.04
8.2
外径
mm
219
8.3
最高工作压力
MPa
15
8.4
工作温度
℃
常温
8.5
材料
34Mn2V
8.6
重量
吨
0.024
8.7
数量
台
8
8.8
生产厂商
上海高压容器
9
可控硅整流柜
9.1
冷却水量
m3/h
1.5
9.2
冷却水压力
MPa
0.4-0.6
9.3
设备数量
台
1
10
电控设备
10.1
电控设备规范
10.1.1
额定电压
V
380
10.1.2
最高工作电压
V
420
10.1.3
额定电流
10.1.3.1
水平母线
A
1250
10.1.3.2
垂直母线
A
630
10.1.4
额定频率
Hz
50
10.1.5
额定绝缘电压
V
660
10.1.6
工频试验电压
10.1.6.1
主电路
V
2500
10.1.6.2
辅助电路
V
2000
10.1.7
额定短时耐受电流(有效值)
KA(S)
50
10.1.8
额定峰值耐受电流(峰值)
kA
125
10.1.9
辅助电路额定电压
V
220
10.1.10
防护等级
IP32
10.1.11
柜内主要设备规范
请投标商根据情况详细列出
10.1.11.1
进线断路器
1)
额定电流
A
300
2)
短时耐受电流
KA(S)
50
3)
峰值耐受电流
kA
30
10.1.11.2
馈线设备最小规范
1)
断路器额定电流
A
50
2)
接触器额定电流
A
30
3)
热继电器型号
30A52
4)
控制按钮型号
LA2
5)
信号灯型号
AD11
6)
测量仪表型号
BE-48
7)
变送器型号
无
10.1.11.3
硅整流柜
1)
变压器型号
TB-Z
2)
变压器额定容量
kVA
80
3)
变压器额定输入电压
V
380
4)
变压器额定输入电流
A
125
5)
变压器额定输出电压
V
76
6)
变压器额定输出电流
A
920
4.5卖方提供的基本参数.
序号
项目
单位
供方提供数据
1
压缩空气要求
1.1
耗量
Nm3/h
4
1.2
压力
MPa
0.4-0.8
2
用水要求
2.1
冷却用水
2.1.1
耗量
m3/h
20
2.1.2
含盐量
mg/L
≤0.2
2.1.3
电导率
μS/cm
≤10
2.2
工艺用水
2.2.1
耗量
m3/h
0.01
2.2.2
含盐量
mg/L
≤0.02
2.2.3
电导率
μS/cm
≤1
3
整个装置用电要求
3.1
工作电压
V(DC)
380
3.2
工作电流
A(DC)
3.3
功率
kW
160
3.4
电缆规格
mm
阻燃
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