制氢站培训教材Word格式.docx

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对于直接冷却的发电机，除了使用氢气作为冷却介质外，也可以使用水和油。

下面分析比较冷却介质的特性：

空气

空气优点是低廉，所需的附加设备简单，维修方便；

缺点是机组的容量受到限制，而且机组容易脏污。

氢气（H2）

氢气冷却有如下优、缺点：

1.2.1优点：

1.2.1.1通风损耗低，机械（指发电机转子上的风扇）效率高。

这是因为在标准状态下，氢气的密度是0.08987kg/m3，空气的密度是1.293kg/m3，CO2的密度是1.977kg/m3，N2的密度是1.25kg/m3。

由于空气的密度是氢气的倍，二氧化碳是氢气的倍，氮气是氢气的倍，所以，使用氢气作为冷却介质时，可使发电机的通风损耗减到最小程度。

1.2.1.2散热快、冷却效率高。

因为氢气的导热系数是空气的倍，且氢气扩散性好，能将热量迅速导出。

因此能将发电机的温升降低10-15℃。

1.2.1.3危险性小。

由于氢气不能助燃，而发电机内充入的氢气中含氧又小于2%，所以一旦发电机绕组被击穿时，着火的危险性很小。

1.2.1.4清洁。

经过严格处理的冷却用的氢气可以保证发电机内部清洁，通风散热效果稳定，而且不会产生由于脏污引起的事故。

1.2.1.5在氢气冷却的发电机，噪音较小，而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损坏。

1.2.2缺点：

1.2.2.1氢气的渗透性很强，易于扩散泄露，所以发电机的外壳必须很好的密封。

1.2.2.2氢气与空气混合物能形成爆炸性气体，一旦泄露，遇火即能引起爆炸。

因此，在用氢冷却的发电机四周严禁明火。

1.2.2.3采用氢气冷却必须设置一套制氢的电解设备和控制系统，这就增加了基建投资及维修费用。

氢气冷却虽有以上一些缺点，但只要严格执行有关的安全规章制度和采取有效的措施还是可靠的，而其高效率冷却则是其它冷却介质无可比拟的，所以大多数发电机还是采用氢冷方式。

二氧化碳（CO2）

CO2的密度是空气的倍，显然，使用CO2作冷却介质，将会使通风损耗成正比地增加，发电机的温度也会显着升高。

CO2的表面散热系数是空气的倍，且有较高的强行对流作用，但CO2的传热能力比空气弱，仅是空气的倍。

两项综合比较，用空气冷却和用CO2冷却，对发电机的温升影响基本是一样的。

CO2与机壳内的水分化合后，其反应的生成物会在发电机各部分结垢，使通风恶化，并弄脏机件，对绝缘有腐蚀作用。

所以，不允许使用CO2作为冷却介质长时间运行。

但是，我们可以利用CO2与氢气或空气混合时不会发生爆炸的特点，作为气体置换的中间介质。

氮气（N2）

氮气的密度、热传导率及表面散热系数都接近空气，所以，作为冷却介质使用时，其允许的最大负荷值与空气冷却时相同。

另外，氮气具有比空气轻，比氢气重，并且不助燃的特点，可用来代替二氧化碳作为中间介质使用，这时对其纯度的要求是：

氮的含量在96%以上，氧的含量应低于4%。

氮气作为化工副产品，常含有腐蚀性杂质，对发电机的绝缘材料起腐蚀作用，所以，氮气作为发电机的冷却介质不允许长期使用。

2.氢气和水的特性比较

发电机在采用直接冷却方式时，普遍采用氢气和水作为冷却介质。

它们与空气的性能比较如下：

表13-1空气、氢气及水性能比较

冷却

介质

绝对压力

MPa

相对比热

相对密度

吸热能力

散热能力

体积流量

相对

吸热量

流速，m/s

相对散热系数

空气

氢气

水

3

--

1

1000

208

30

40

2

5

84

从表中的吸热和散热能力看，液体冷却介质比气体冷却介质好。

水具有较高的散热性能、粘度小，能通过小而复杂的截面。

水的化学性能稳定，不会燃烧，而且具有价廉的特点。

但它增加了水路系统，容易腐蚀铜线和漏水，使运行的可靠性降低。

氢气冷却具有通风功率和励磁功率低；

装配方便，结构简单，负荷能力高，温度分布均匀等优点，使运行可靠性大为提高。

第三节电解制氢原理及其系统、设备

1.电解制氢的原理及其工艺

制氢原理

高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差，则需加入电解质溶液，以促进水的电解。

常用的电解质一般为NaOH或KOH。

将直流电通入加入NaOH水溶液的电解槽中，使水电解成为氢气和氧气。

其反应式为：

1.1.1阴极反应：

电解液中的H+（水电解后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，最后接受电子而析出氢气，其放电反应是：

2H++2e→H2↑

1.1.2阳极反应：

电解液中的OH–受阳极的吸引而向阳极移动，最后放出电子生成水和氧气，其放电反应是：

2OH–-2e→H2O+1/2O2↑

1.1.3阴、阳极合起来的总反应式为：

2H2O→2H2↑+O2↑

2．工艺流程

电解产生的氢气和氧气，分别进入氢气分离洗涤器和氧气分离洗涤器，使气体与携带的碱液分离；

分离出的碱液经过滤、冷却后，通过碱循环泵打至电解槽。

分离后的氢气进入冷却器冷却，与氧气一同经气动差压调节后，经冷却、干燥进入贮存罐；

氧气经过水封直接排入大气；

电解消耗的水经过柱塞泵打入氢、氧分离洗涤器进入电解槽内。

3．氢氧化钠的作用

氢氧化钠等电解质是强的电解质，溶解于水后便电离，其电离反应式为：

NaOH=Na++OH-这样是水溶液中有了大量的Na+与OH-。

促进溶液的导电性能，便于水的电解。

氢氧化钠等电解质在水发生电解时，为何不被电解而仍留在溶液中呢现简略说明如下：

金属离子在水溶液中的活泼性是不相同的，我们将它们依活泼性的大小排列起来，得到下列活动顺序：

K＞Na＞Ca＞Mg＞Al＞Mn＞In＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au

上面排列中，前面的金属比后面的活泼，越往后的金属活泼性越差。

在以上活动次序中，H之所以列为金属，这是因为它能起金属的作用，在水中常成H+存在，而且确实能被它前面的的金属置换。

例如：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

电极电位。

金属的活动次序说明越活泼的金属越容易失去电子，活泼性较差的金属则容易得到电子（前后金属比较而言）。

从电化学理论上讲就是：

容易得到电子的金属离子与不容易得到电子的金属离子相比较，因前者的电极电位高能得到电子而转为原子，而后者的电极电位低不能得到电子转为原子。

这种电位叫“电极电位”。

H+和Na+比较，Na+的电极电位为，而H+的电极电位为。

所以在同一水溶液中若同时存在Na+和H+时，H+先放电而成H2。

离子的水化。

水是极难电离的，但水中溶解有NaOH时，在Na+的周围。

围绕着水的分子而成水合Na+，而且因Na+的作用使水分子有了极性方向。

当Na+带有极性方向的水分子迁向阴极时，H+首先放电而成H+，而Na+则仍存在于水中。

电解液中加五氧化二钒的作用

电解液配制时，须加入一定量的五氧化二钒（千分之二浓度）。

五氧化二钒的加入，可对电极的活化起催化作用，能改变电极表面状态，增加电极的电导率；

有利于除去电极表面的气泡，降低电解液的含气度；

在铁、镍金属表面产生保护膜，从而起到缓蚀作用。

4.制氢系统

电解水制取氢气的主要设备为电解槽。

在电解槽后连有若干系统，其中主要是氢侧系统、氧侧系统及补给水系统，另外还有碱液系统。

氢侧系统。

由电解槽各间隔分解出来的氢气汇集于总管，经氢侧分离器洗涤器、冷却器、压力调节阀，再经两级干燥吸附后，存入氢罐备用。

氧侧系统。

由电解槽各间隔分解出来的氧气汇集于总管，经氧侧分离器洗涤器、压力调节阀和水封槽后，排放大气或存罐备用。

补给水系统。

在电解水的过程中，水陆续地被消耗掉，所以必须连续不断地补充除盐水。

系统通过加水泵将除盐水打至氢分离洗涤器中，来补充电解消耗的除盐水。

碱液系统。

电解氢氧化钠水溶液时，各系统中的分离洗涤器中分离和洗涤下来的NaOH，经过过滤、冷却后重新打回电解槽中，所以从理论上讲，NaOH是不消耗的，但实际上因为泄露、氢和氧的水量携带等，NaOH的浓度在逐渐减小，因此每隔一定时期必须补充碱液。

5.我厂制氢系统的主要设备

我厂一期4×

600MW机组发电机冷却方式为水—氢—氢冷却，氢气由制氢站集中供给。

系统概述

本期工程设置两套10Nm3/h的水电解制氢装置及相应的设备。

设置6台13m3的贮氢罐。

制氢系统设备布置在一独立的建筑区内，水电解制氢装置、氢气干燥装置、闭式除盐冷却水装置及电源控制装置布置在室内，贮氢罐及压缩空气储存罐露天布置。

制氢系统的启动、停止及运行采用微机进行控制。

各设备及系统在启停、运行及事故情况下有工艺参数显示，系统各设备的正常启停、安全运行及事故设有报警功能，实现系统及各设备自动控制和连锁功能，包括送、补氢罐的自动切换等，与辅助车间水系统控制室进行通讯，能够执行远方监控。

电解水制氢系统的产品氢气达到如下品质指标：

纯度：

≥%温度：

≤40℃湿度：

露点≤-50℃绝对湿度：

≤m3H2

水电解制氢系统中的碱液循环次数能达到每小时4~6次以上。

制氢系统运行时氢（氧）气压力稳定，其数值随各装置的额定压力和运行情况而定；

氢、氧气压差的波动范围小于，必须装设压力调节器。

系统组成

本工程制氢系统由三套装置组成。

分别是制氢装置；

氢气充罐及发电机补氢装置；

加水、加碱装置。

制氢装置主要负责制取氢气，由下述部件组成：

电解槽、氢气干燥器、氢分离洗涤器、氧分离洗涤器、氢气气体分离器、氧气气体分离器、排水器、空气过滤器、碱液循环泵等。

氢气充罐及发电机补氢装置由：

管路、出口减压器、压力开关、压力表等组成。

加水、加碱装置由：

纯水箱、碱液箱、柱塞式注水泵等组成。

电解槽

电解槽的额定产氢量10Nm3／hr，运行氢压。

电解槽能在~间压力下运行；

电解槽的出力能在50％-110％范围内可调。

电解槽隔膜的技术说明：

气泡不能通过；

能被电解液润湿，使溶液中的离子能顺利地通过；

有足够的机械强度；

在电解液中不被碱液腐蚀，不影响电解液的纯度．且化学稳定性强。

氢气干燥器

配备两套干燥系统，其中一套运行，另一套再生备用；

再生方式选用原料气加热再生，且再生过程中无氢气放空；

由下述部件组成：

吸附器，工艺管路、阀门及一次仪表等；

操作压力与制氢系统的运行压力相匹配；

氢气流经该装置的阻力损失小于。

注水泵

注水泵选用柱塞式，且其流量能自动可调节，电机选用防爆电机。

储气罐

设置有8台容积氢气储气罐和1台容积为5m3的空气储气罐。

氢气排水水封（2台）

氢气排水水封上设有一根排空管、一根补水管、一根溢流管及一根冷凝水接管。

除排空管外，补水管、溢流管及冷凝水管与水封筒体的内接管均采用插入式，且补水管、溢流管的内部管端比冷凝水管的内管端低。

阻火器

一般设在氢气系统的设备放散管及用氢设备的氢气支气管上，以防止回火，阻止火焰蔓延，保证氢氧站及其贮送系统的安全生产及正常供气。

氢气检漏测定仪

该仪器能对两个及以上样点的氢含量进行自动巡回连续分析。

当检测出氢气浓度达到某一定值时，能自动送出信号到控制系统，通过控制系统自动启动排风装置工作。

当检测出的浓度已超过该定值，达到另一高值时，能送出报警信号，在控制系统中进行声光报警。

该设备的测点响应时间不大于10s，巡回周期不大于2min；

凡有氢气设备的房间或容易集聚氢气的地方都设置测点。

冷却系统

制氢冷却系统采用除盐水闭式循环冷却方式。

该系统主要由螺旋板式换热器、循环冷却水泵、除盐水箱、电控柜、工艺管路、阀门及配件、一次仪表等组成。

该系统中除盐水的流量需满足制氢系统冷却水总量的要求,为10m3/h。

经循环冷却水泵后的除盐水压力应为?

除盐水入口水温≤45℃,经闭式循环热交换后的除盐冷却水温度应不超过33℃。

工业冷却水流量需满足冷却系统设备所需冷却水量的要求，为20m3/h，工业冷却水进口温度≤30℃。

循环冷却水泵应为两台，有联锁装置，互为备用。

当工作水泵出现故障时备用水泵自动投入，并发出远传报警信号。

氮气系统（氮气瓶两组、8个）

提供制氢系统吹扫和置换用气；

氮气瓶的最高工作压力为15MPa，容积为40L，气瓶外径为219mm。

第四节技术指标

1．氢氧化钠的质量标准

电解质NaOH的纯度，直接影响电解后产生气体的品质和对设备的腐蚀。

当电解液中含有碳酸盐和氯化物时，会在阳极上发生下列有害反应：

2CO32-+4e=2CO2↑+O22Cl-+2e=Cl2↑

这种反应不但消耗了电能，而且因氧气中混入了氯气，而降低其纯度。

同时生成的二氧化碳立刻又被碱液吸收，而又复原成碳酸钠，致使CO32-的放电反应反复进行下去，白白地消耗了大量电能。

另外，反应生成的氯气，也可被碱液吸收变成次氯酸钠和氯化钠，它们又有被阴极还原的可能，也要消耗电能。

为了提高气体纯度，降低电能消耗，要求氢氧化钠的纯度达到如下要求：

表13-2氢氧化钠的纯度要求

项目和名称

KOH或NaOH

含量

KCl或NaCl

硫酸盐含量

碳酸盐含量

其它金属离子

规范

≥87-90

＜

无

2．补充水的质量标准

电解液中的杂质除来源于药品外，若补充水不纯净也会带入杂质。

常用的补给水是汽轮机的凝结水，其质量要求如下：

外状：

透明清洁；

电阻率:

＞105Ω.cm；

氯离子:

＜2mg/Ｌ；

铁离子:

＜１mg/Ｌ；

悬浮物:

＜1mg/Ｌ。

3．电解液的质量标准

电解液的主要质量指标是NaOH的浓度。

在配制和运行监督中，为方便起见，重点是掌握其比重。

因为NaOH浓度越高比重越大。

其具体标准如下：

NaＯＨ电解液浓度:

20～26％；

含铁量:

＜3mg/Ｌ；

氯离子:

＜800mg/Ｌ。

为碱轻电解槽的腐蚀，在电解液中应加入的重铬酸钾或千分之二浓度五氧化二钒。

重铬酸钾能在阴极表面生成三氧化铬保护膜，从而保护了阴极，并可防止阳极生成的次氯酸盐和平共处氯酸盐而在阴极上还原而消耗电能；

五氧化二钒的加入，可对电极的活化起催化作用，能改变电极表面状态，增加电极的电导率，有利于除去电极表面的气泡，降低电解液的含气度，在铁、镍金属表面产生保护膜，从而起到缓蚀作用。

4．制氢系统中的气体纯度指标

《电业安全工作规程》规定，氢气纯度不低于%，含氧量不应超过%。

如果达不到标准，应立即进行处理，直至合格。

另外，氢气绝对湿度不大于5克/米3。

5．氢冷发电机内的气体纯度指标

《电业安全工作规程》规定，发电机氢冷系统中氢气纯度应不低于96%，含氧量不大于2%；

6．氢冷发电机内的氢气湿度指标

发电机内氢气在运行氢压下的允许湿度的高限，应按发电机内的最低温度由表13-3查得；

允许湿度的低限为露点温度td=-25℃。

供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气在常压下的允许湿度为：

新建、扩建电厂（站）：

露点温度td≤-50℃；

已建电厂（站）：

露点温度td≤-25℃。

表13-3发电机内最低温度值与允许氢气湿度高限值的关系

发电机内最低温度，℃

10

发电机在运行氢压下的允许湿度高限（露点温度td），℃

-5

注：

发电机内最低温度，可按如下规定确定：

（1）稳定运行中的发电机：

以冷氢温度和内冷水入口水温中的较低值，作为发电机内的最低温度值；

（2）停运和开、停机过程中的发电机：

以冷氢温度和内冷水入口水温、定子线棒温度和定子铁芯温度中的最低值，作为发电机内的最低温度值。

7．置换用中间气体的纯度

氮气纯度不低于95%，水分的含量不大于%。

二氧化碳气体纯度不低于95%，水分的含量不大于%，并且不得含有腐蚀性的杂质。

8.电解槽的运行控制标准

氢气和氧气侧导气管内的温度不得超过80±

5℃，一般控制在60±

5℃，正常运行中不得低于45℃。

电解槽的电流只允许在厂家规定范围内变化。

电解槽的电压范围应控制在厂家规定的范围内，不得起过其最高值，相邻两极电压应控制在伏，其差值不得超过伏。

两个压力调节器的水位差不得超过100毫米。

电解系统的压力和贮氢罐的压力是相等的，其压力允许在1～10公斤/厘米2的范围内变化。

第五节氢冷发电机的气体置换

1.气体置换的目的和方法

氢气与空气混合气是一种危险性的气体，在混合气体中，氢气含量达4%～76%范围内，就有发生爆炸的危险，严重时可能造成人身伤亡或设备损坏的恶性事故，因此，严禁氢气中混入空气。

但在氢冷发电机由运行转入检修，或检修后起动投入运行的过程中，以及在某些故障下，必然存在着由氢气转为空气或由空气转为氢气的过程。

这时，如不采取措施，势必造成氢所和空气的混合气体而威胁安全生产。

为防止发电机发生着火和爆炸事故，必须借助于中间气体，使空气与氢气互不接触。

这种中间气通常使用既不自燃也不助燃的二氧化碳气体或氮气。

这种利用中间气体来排除氢气或空气，或最后用氢气再排除中间气体的作业，叫做“置换”

另一种方法是采用抽真空的办法，将发电机内的气体抽出，以减少互相混杂。

为了便于进行置换和抽真空的操作，在发电机外部装了一套系统，即所谓的氢冷系统。

2.机内气体的置换

概述

气体置换应在发电机静止或盘车时进行，同时密封油应投入运行。

如出现紧急情况，可在发电机减速时进行气体置换，但不允许发电机充入二氧化碳气体在高速下运行。

排除发电机内的空气

气体在爆炸范围的上限时，混合气体中氢占76%，空气占24%，而空气中的氧占21%，所以爆炸上限的混合气体中，氧的含量为24%×

21%=%。

因此在充氢前，必须用惰性气体排除空气，使气体中氧气含量降低到小于%。

按此规律进行气体置换，发电机内将不存在爆炸性的混合气体。

充入两倍发电机容积的CO2气体，空气的含量将降低到14%，因此氧的含量也随之降为21×

14%=3%。

在转子静止或盘车时，利用CO2比重为空气的倍的关系，把CO2从机座底部充入机内，则充入约倍发电机容积的CO2就足以排除空气，此时机内只有极少量的空气与二氧化碳混合。

从发电机顶部采样，二氧化碳纯度读数应为95%左右。

二氧化碳必须在气体状态下充入发电机。

在水冷定子中，应注意防止二氧化碳与水接触，因为水中溶有二氧化碳将急剧增加定子线圈冷却水的导电率。

3．发电机充氢

氢冷发电机在正常运行时，氢气纯度应在95%或以上，在发电机高速旋转气体充分混合下进行气体置换时，把倍发电机容积的氢气充入发电机，则发电机内的氢气纯度将能达到95%，然而在发遇机静止或盘车情况下，从发电机顶部汇流管充氢，只需加入倍发电机容积的氢气，发电机内就能达到95%的氢气纯度，此时取样管路接通到机座的底部汇流管。

4．发电机运行时补氢

氢冷发电机在正常运行期间，当氢侧密封泵运行时，氢气纯度通常保持在96%或以上，当氢侧密封油泵关闭时，氢气纯度通常保持在90%或以上，必须补氢的原因是：

氢气的泄露。

由于发电机运行中氢气的泄露，这就需要补氢以维持氢气压力（称漏补）。

空气的渗入。

由于空气的漏入，因此要求补氢以维持氢气纯度（称纯补）。

对于双流密封瓦密封系统，氢侧密封油压跟踪空侧密封油压基本保持相等。

理论上，氢侧密封油和空侧密封油之间不能互相交换，但是由于两个油源之间压力上的变化，在双流密封瓦处将发生一些油量交换。

进入空侧回油中的氢气，在空侧回油箱内由排烟机排除；

进入氢侧回流的空气逸出汇入机内氢气中，时间长将导致氢压和纯度下降，为了保持氢压和纯度便必须漏补和纯补。

5．发电机排氢

发电机的排氢，是通过在机座底部汇流管充入二氧化碳，使氢气从机座顶部汇流管排出去。

为了使机内混合气体中的氢气含量降到5%，应充入足够的二氧化碳。

排氢应在发电机静止或盘车时进行，需要两倍发电机容积的二氧化碳。

充二氧化碳时，纯度风机从发电机机座顶部汇流管采样，充入的二氧化碳应使二氧化碳纯度读数达到95%。

6．发电机排二氧化碳

发电机排氢后，二氧化碳也不宜长时间封闭在机内，如机内需要进行检修，为确保人身安全，必须通入空气把二氧化碳排出。

由于空气比二氧化碳轻，可以通过临时橡皮管，二氧化碳排除后即拆除，把经过滤的压缩空气引入机内上方的汇流管，把二氧化碳从底部排出。

也可以打开机座顶部的人孔，用压缩空气或风扇把空气打入机内驱出二氧化碳。

如果须立即通过人孔观察或进入机内检查，应采取预防措施防止吸入二氧化碳，不允许用固定的压缩空气连接管来清除二氧化碳气体和氢气，因为如果不小心空气漏入氢气内，就会带来危害，造成产生爆炸性混合气体的可能性。