CNDQ510312系列制氢装置使用说明书.docx

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CNDQ510312系列制氢装置使用说明书

CNDQ5~10／3.2系列制氢装置

安装使用说明书

（微机控制）

中国船舶重工集团公司第七一八研究所

2006年4月

目录

第一章概述

1CNDQ5~10／3.2系列电解制氢装置工作原理········1

2CNDQ5~10／3.2系列水电解制氢装置用途与技术参数····1

3CNDQ5~10／3.2系列水电解制氢装置组成·········1

4CNDQ5~10／3.2系列水电解制氢装置工艺流程·······2

第二章安装

1制氢站························5

2工艺部分·······················6

3自控部分·······················9

4整流部分·······················9

第三章操作规程

1工艺系统开车前的准备·················10

2自控开车前的准备···················12

3装置运行·······················17

第四章设备维护安全事项与故障排除

1设备维护·······················19

2安全注意事项·····················21

3故障及排除方法····················21

附录一CNDQ5~10/3.2型水电解制氢装置工艺流程图

附录二KOH水溶液比重表··················26

附录三用户自备件清单···················27

附录四报警、联锁一览表··················28

附录五系统控制参数整定值参考表··············28

第一章概述

1.CNDQ5~10／3.2系列制氢装置工作原理

水电解制氢装置的基本工作原理就是利用电能使特定的电解质溶液分解从而得到所需的氢气，即在电解液中浸没一对电极，电极中间隔以防止气体渗透的隔膜构成水电解池，当电极通过一定电压的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。

其反应式如下：

阴极：

2H2O＋2e→H2↑＋2OH-

阳极：

2OH-－2e→H2O＋1/2O2↑

总反应：

2H2O→2H2↑＋O2↑

水电解制氢装置所采用的电解液为KOH（或NaOH）溶液，溶液中的KOH（或NaOH）起催化剂的作用，并不参与电解反应，故理论上并不消耗。

电解槽是一体化水电解制氢装置中的核心设备，它由若干水电解池组合而成，每个水电解池我们称之为一个电解小室。

由电解槽所产生的氢气还含有少量的水分等杂质，必须将氢气进行干燥、过滤等处理才能得到满足用户要求的氢气。

CNDQ5~10／3.2系列制氢装置中包含了干燥系统，该干燥系统采用了两台干燥器（我们称之为干燥塔，在本文以后的叙述中均使用此名称），干燥塔中装填一定数量的干燥剂用以吸附氢气中的水分，在本装置中干燥剂采用分子筛。

两干燥塔当其中一台处于工作状态（吸附水分）时，另一台则处于再生状态（干燥剂脱除水分），在运行一定时间后切换工作状态，再生塔投入工作，工作塔进行再生，依次往复执行，从而保证装置运行过程中所产生的氢气始终都能得到有效的处理。

为避免氢气的损耗，干燥塔的再生采用原料氢气再生。

本装置控制系统采用微机控制，对设备的主要参数：

压力、温度、氢氧液位差可进行自动调节；对干燥器的再生时间及再生温度进行自动控制。

原料水补充有自动和手动两种方式，对装置的压力、温度、氢液位、氧液位、氢气纯度和氧气纯度能集中指示；若氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度产生一定的偏差时能自动声光报警；若装置的主要参数压力、温度、氢氧液位、碱液循环量、气源压力偏离正常值太大，又不能及时处理时，为了保护装置的安全，该装置能自动声光报警停车；为了进一步提高本装置的安全运行系数，对于装置的主要运行参数：

工作压力设置了双重联锁系统，当自控系统失灵，装置的运行状态达到危险值时，仍可使装置自动停车并发出声光报警。

2CNDQ5~10／3.2系列电解制氢装置的用途与技术参数

2.1装置的用途

CNDQ5~10/3.2系列水电解制氢装置是由中国船舶重工集团公司第七一八研究所研制成功并独家生产的全自动操作的制氢设备，其主要技术指标达到或超过九十年代末世界先进水平，适用于化工、冶金、电子、航天等对氢气质量要求高的部门，是目前国内最先进的制氢设备，该设备目前已获国家专利。

2.2主要技术参数

CNDQ5~10/3.2系列水电解制氢装置的主要技术参数如表1所示。

表1CNDQ5~10/3.2系列水电解制氢装置主要技术参数表

型号

CNDQ5/3.2

CNDQ10/3.2

氢气产量（m3/h）

5.0

10.0

氧气产量（m3/h）

2.5

5.0

氢气纯度（V/V）

≥99.8%

氧气纯度（V/V）

≥99.2%

工作压力（MPa）

3.2

氢气露点（℃）

≤-50℃

氢气含碱量（mg/Nm3）

≤1

电解槽工作温度（℃）

85～90

直流额定电流（A）

820

直流额定电压（V）

28

56

纯水耗量（kg/h）

5

10

整流变压器容量（KVA）

40

75

原料水水质要求

电导率≤5μs/cm，氯离子含量<2mg/l，悬浮物<1mg/l

电解槽直流电耗

≤4.8KWh/m3H2

碱液浓度

26~30%KOH

氢气出口温度

≤40℃

干燥温控温度

250℃~300℃

干燥加热终止温度

180℃

干燥器切换周期

24h

2.3设备对外部条件的要求

CNDQ5~10／3.2系列制氢装置对外部提供的水、电、气等条件均有特定的要求，详见下表：

仪表气源压力（MPa）

0.5～0.7

仪表气源耗量（m3/h）

3.5

冷却水温度（℃）

≤32

冷却水压力（MPa）

0.4～0.6回水压力≤0.1

冷却水水质（德国度）

≤6

冷却水用量（m3/h）

3

电源容量（Kw）

单台装置150KwAC380V三相四线

环境温度

0～45℃

3CNDQ5~10／3.2系列制氢装置的构成

本装置由框架Ⅰ（制氢框架）、框架Ⅱ（气体分配框架）、框架Ⅲ（水碱箱框架）、整流装置、控制柜、配电装置、计算机管理系统及除盐水冷却装置组成。

3.1框架Ⅰ　

框架Ⅰ由电解槽、氢、氧分离器、氢洗涤器、循环泵、碱液过滤器、干燥器、冷却器、气水分离器、氢气过滤器等组成。

电解槽为压滤式双极性结构,一端下部有进液管,另一端上部有氢、氧气液出口，中间极板为直流电的正极,两端极板为负极。

给电解槽加上一定的直流电压，电解槽内部就会发生电解反应产生氢气和氧气，氢气经分离和洗涤后送入干燥塔吸附所含的水分。

3.2框架Ⅱ

框架Ⅱ为氢气分配装置，其进口与框架Ⅰ相连，出口分别与储氢罐和发电机组供氢管道相连接。

该框架可以将框架Ⅰ输出的成品氢气送入各储罐储存，在发电机组需要补氢时，将储罐内储存的氢气减压后送入补氢管道。

3.3框架Ⅲ

框架Ⅲ包括水箱、碱箱和加水泵。

用于碱液的配制和储存、原料水的储存以及为制氢装置提供原料水及碱液。

3.3整流装置

整流装置由整流变压器、整流柜组成，用于供给电解所需直流电源。

使用方法详见“可控硅整流装置使用说明书”。

3.4控制柜及计算机管理系统

控制柜由PLC、电磁阀、安全栅、测量及控制仪表组成，计算机管理系统主要由上位机及打印机组成。

控制系统通过PLC及相关的检测仪表来实现自动控制、自动检测、自动调节、自动充罐、显示、故障报警、连锁、自动开机及停机等功能，同时PLC通过通讯电缆将相关数据和信息送上位机进行显示和记录。

3.5配电装置

配电装置一般由配电柜和MCC柜组成，用于为制氢系统所有动力装置的提供电源，并接受来自控制柜的控制信号实现循环泵、加水泵、整流装置及风机等设备的自动启停。

3.6除盐水冷却装置

除盐水冷却装置由除盐水箱、两台循环水泵、换热器及控制箱构成，该装置将用户提供的除盐水储存于除盐水箱，同时由除盐水箱、循环水泵、换热器及各用水设备构成闭式循环用于为制氢系统提供冷却水，除盐水循环所带出的热量在换热器中与外接工业冷却水进行交换，从而保证除盐水温度满足制氢设备的要求。

该装置的控制系统自成一体，可以保证装置的独立使用，同时也可接受来自控制柜或其它设备的远操信号。

其使用方法详见《除盐水控制箱操作说明》。

4制氢装置工艺流程

CNDQ5~10／3.2系列制氢装置工艺流程详见附录一：

《CNDQ5~10/3.2系列水电解制氢装置工艺流程图》,下面我们将按照装置的构成分别对各部分的流程进行描述：

4.1框架I

框架I可分为制氢和干燥两大部分,而制氢部分又可分为氢（氧）气体系统、电解液循环系统、原料补充系统、冷却系统、氮气吹扫系统和排污系统等几个子系统。

下面分别对它们进行介绍。

4.1.1制氢部分

4.1.1.1氢、氧气体系统

原料水（要求见4.1.1.3）在电解槽（1010）内直流电作用下分解，在电解小室的阴、阳极表面分别产生氢气、氧气。

从电解小室出来的氢气和碱液的混合物一起通过极框上阴极侧的气道流出，进入氢气分离器（1020A）下部，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气进入洗涤器（1030）进行洗涤和冷却，然后经洗涤器顶部除雾器除去液滴后，经氢气调节阀（LV1001）到达气动三通球阀（QS1001），由该阀选择进行放空或进入干燥部分除湿后进入储存系统备用。

由电解槽产生的氧气和碱液的混合物进入氧气分离器（1020B），分离后的氧气经氧气调节阀（PV1001）排空。

4.1.1.2电解液循环系统

从电解槽（1010）出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分离器（1020A）和氧分离器（1020B）中，靠重力作用分别与氢气、氧气分离，经分离器内的蛇管冷却后通过氢、氧分离器底部的连通管进入碱液过滤器（1040），过滤杂质后再由循环泵（M1001）送回电解槽（1010），构成了电解液循环系统。

4.1.1.3补充系统

4.1.1.3.1原料水补充

生产过程中应不断向电解槽补充电解消耗的原料水。

对原料水水质的要求：

电导率≤5μs/cm，氯离子含量<2mg/l，悬浮物<1mg/l。

警告：

原料水严禁使用自来水和其它未经处理的水源，否则会引起气体纯度下降及电解槽的损坏。

警告：

水箱中的原料水可能含有少量强碱及其他对人体有害的物质，严禁饮用。

用户送来的原料水经电磁阀DF1301补入水箱（1310）中，该阀可根据水箱液位变送器LT1301的信号自动启闭以维持水箱的液位，当电磁阀DF1301出现故障时，用户可根据水箱现场液位指示通过旁通阀Q1305手动补水。

注意：

在设备运行时，应保证水箱中时刻有水，否则会引起加水泵失效及设备联锁停机。

水箱中的水通过加水泵经过止回阀H1001、球阀Q1003被注入氢洗涤器（1030），先供氢气的冷却洗涤，多于部分通过洗涤器与氢分离器间的溢流管流入氢分离器，从而进入碱液循环系统，经循环泵被送入电解槽，不断的补充电解消耗的原料水。

也可经过止回阀H1002、球阀Q1004补入氧分离器（止回阀的作用是保证水电解制氢设备系统中的带压气体和碱液在加水泵不工作期间不会反流至水箱）。

注意：

在设备正常运行的情况下，通常只向氢洗涤器补水。

警告：

球阀Q1003和Q1004严禁同时开启，否则可能引起氢氧混合导致爆炸。

4.1.1.3.2碱液补充

水电解过程中，碱起到增加电导作用，理论上不消耗，正常运行中一般不需补充碱。

如确需补充碱时，可在碱箱（1320）中配置少量碱液（浓度可稍高一些），然后启动加水泵经过止回阀H1002、球阀Q1004直接注入氧分离器中。

碱液补入完毕后，可再补入一些原料水以清洗管道，然后将阀门切至氢洗涤器侧。

注意：

补充碱液时，应关闭球阀Q1003，碱液不得加入氢洗涤器内。

4.1.1.4冷却水系统

冷却水共分三个回路：

第一路：

进入整流柜以冷却可控硅整流元件，使整流柜能正常工作。

如整流柜为风机冷却，则无此路冷却水。

第二路：

经过冷却水调节阀TV1001进入氢、氧分离器内部蛇管，以冷却循环碱液，从而达到控制系统工作温度的目的。

第三路：

经过球阀Q1102进入冷却器内，以冷却干燥后的氢气。

此冷却水为常流水，由球阀Q1102调节流量大小。

4.1.1.5氮气吹扫系统

制氢系统通过阀门J1001、J1101向整个系统内充入氮气。

用于系统做气密性试验和开车前氮气吹扫。

4.1.1.6排污系统

排污管道共分三处。

第一处：

框架Ⅰ的排污口（排污阀Q1008）。

用于拆洗过滤器时排出过滤器内的液体。

第二处：

通过气水分离器底部的气动球阀QZ1101排出气水分离器中的水，通过氢气冷却器底部的气动球阀QZ1102排出氢气冷却器中的冷凝水，二者进入积液罐中。

积液罐中的水由气动球阀QZ1103排出。

第三处：

框架Ⅲ的排污口（排污阀Q1304）供清洗水、碱箱时排污用。

4.1.1.2干燥部分

干燥部分由气水分离器（1140）、干燥塔A（1120A）、干燥塔B（1120B）、冷却器（1130）、过滤器（1150）和积水器（1160）构成。

干燥部分的工作状态可细分为以下几种：

A再生B工作、B工作、A工作B再生、A工作，整个干燥部分的工作状态按一定周期循环往复执行，其工作周期为48h，其中：

A再生B工作及B工作的时间为24h，A工作B再生及A工作的时间为24h，下面我们分别对个工作状态进行介绍。

4.1.1.2.1A再生B工作

制氢部分产生的氢气是含有饱和水的氢气，该部分氢气进入干燥部分后首先经过气水分离器（1140），氢气中所含的液态水在此与氢气分离沉降于分离器的底部，分离后的氢气经气动三通球阀QS1101和QS1103从上部进入干燥塔A（1120A），干燥塔的内部

结构如右图所示，氢气经干燥塔内部的电加热器加热后通过分子筛，并利用所携带的热量对分子筛进行再生，再生后的气体通过干燥塔A再生气出口，流经冷却器（1130），在冷却器中氢气中所携带的大部分水经冷却于气体分离沉降于冷却器的底部，分离后的氢气从工作气进口进入干燥塔B（1120B），经分子筛吸附水分后从工作气出口流出干燥塔B，经气动三通球阀QS1102和过滤器（1150）送至气动三通球阀QS1104（过滤器的作用是滤除氢气中的粉尘），在阀QS1104前安装有露点仪用以分析氢气的含水量，如氢气露点不符合要求，氢气经气动三通球阀QS1104放空，露点合格后氢气经气动三通球阀QS1104进入框架II。

为控制氢气的温度以及检测分子筛再生的程度，在干燥器的下部及上部分别安装了检测温度的铂电阻，下部铂电阻用以测量氢气温度并根据此信号控制电加热器的通断，在正常工作时，下部温度控制在250℃。

上部铂电阻则插入至分子筛的上层检测分子筛上层的温度，当该温度达到180℃表明分子筛已再生完毕，干燥部分进入下一工作状态。

本工作状态的持续时间为4h。

4.1.1.2.2B工作

干燥塔A再生结束后干燥部分自动切换至“B工作”状态，此时经气水分离器（1140）分离后的氢气经气动三通球阀QS1101和冷却器从工作气进口进入干燥塔B（1120B），经分子筛吸附水分后从工作气出口流出干燥塔B，经气动三通球阀QS1102和过滤器（1150）送至气动三通球阀QS1104（过滤器的作用是滤除氢气中的粉尘），在阀QS1104前安装有露点仪用以分析氢气的含水量，如氢气露点不符合要求，氢气经气动三通球阀QS1104放空，露点合格后氢气经气动三通球阀QS1104进入框架II。

本工作状态的持续时间为20h。

时间到后自动转入“A工作B再生”状态。

4.1.1.2.3A工作B再生

在干燥塔B吸附24h后塔内的分子筛已处于饱和状态，这时干燥部分自动转入“A工作B再生”状态，经气水分离器（1140）分离后的氢气和QS1103从上部进入干燥塔B（1120B），氢气经干燥塔内部的电加热器加热后通过分子筛，并利用所携带的热量对分子筛进行再生，再生后的气体通过干燥塔B再生气出口，流经冷却器（1130），在冷却器中氢气中所携带的大部分水经冷却于气体分离沉降于冷却器的底部，分离后的氢气从工作气进口进入干燥塔A（1120A），经分子筛吸附水分后从工作气出口流出干燥塔A，经气动三通球阀QS1102和过滤器（1150）送至气动三通球阀QS1104（过滤器的作用是滤除氢气中的粉尘），在阀QS1104前安装有露点仪用以分析氢气的含水量，如氢气露点不符合要求，氢气经气动三通球阀QS1104放空，露点合格后氢气经气动三通球阀QS1104进入框架II。

本工作状态的持续时间为4h，干燥塔B再生完毕后，自动转入“A工作”状态。

4.1.1.2.4A工作

经气水分离器（1140）分离后的氢气经气动三通球阀QS1101和冷却器从工作气进口进入干燥塔A（1120A），经分子筛吸附水分后从工作气出口流出干燥塔A，经气动三通球阀QS1102和过滤器（1150）送至气动三通球阀QS1104（过滤器的作用是滤除氢气中的粉尘），在阀QS1104前安装有露点仪用以分析氢气的含水量，如氢气露点不符合要求，氢气经气动三通球阀QS1104放空，露点合格后氢气经气动三通球阀QS1104进入框架II。

本工作状态的持续时间为20h。

该状态结束后系统自动返回“A再生B工作”状态，并按上述顺序周期往复运行。

4.1.1.2.5干燥部分的排水

干燥部分在前述四种工作状态的运行过程中，在气水分离器（1140）和冷却器（1130）的底部回存留部分液态水，此部分液态水如不排放日积月累必会影响干燥部分的运行效果，故本装置通过程序设置定期开启气动球阀QZ1101和QZ1102将水排至积水器（1160），然后通过气动球阀QZ1103和水封（1520）将水排出系统。

4.2框架II

框架II是一个由阀门、储罐、仪表及减压装置构成的气体分配系统，它同时具有充罐和补氢两大功能。

依照其充罐的方式又可分为单充单放和全充全放两种类型，用户可根据自己的需要任选其中一种，两种类型的补氢部分完全相同。

下面分别对其流程进行介绍：

注意：

CNDQ5~10／3.2系列制氢装置标配储罐数量为4台，补氢回路为两路，框架II也照此进行设计和生产，如用户有特殊要求应在合同及技术协议中注明。

4.2.1全充全放型

全充全放型由充罐和补氢两大部分构成。

4.2.1.1充罐部分

充罐部分由充氢母管、手动储罐选择系统（球阀Q1201、Q1203、Q1205及Q1207）及4台储罐构成，用户可通过手动开启球阀Q1201、Q1203、Q1205及Q1207来选择对哪一个储罐进行充氢，也可将上述四个球阀全部开启，将四个储罐合并充氢。

安装于充氢母管上的压力变送器PT1207将监测相应储罐的压力，当储罐压力达到要求时发出信号提示操作人员切换储罐。

压力表PI1210~PI1213用以显示各储罐的压力。

4.2.1.2补氢部分

补氢部分由4台储罐、手动储罐选择系统（球阀Q1202、Q1204、Q1206及Q1208）、补氢母管和减压装置构成。

用户可通过手动开启球阀Q1202、Q1204、Q1206及Q1208来选择利用哪一个储罐进行补氢，也可将上述四个球阀全部开启，将四个储罐合并补氢。

减压装置由球阀Q1209~Q1210、旁通球阀Q1211~Q1212、减压阀Y1201~1202、气动直通球阀QZ1209~QZ1210及压力变送器PT1208~PT1209组成。

球阀Q1209~Q1210用于减压装置维修时与其它部分隔离，正常使用时常开；减压阀Y1201~Y1202用于将储罐来的高压气体减压为用户所需的低压气体，该阀在设备调试时整定完毕后，正常运行时无需调整；旁通球阀Q1211~Q1212用于在减压装置故障时的补氢。

储罐来的氢气首先进入补氢母管，由压力变送器PT1208~PT1209检测向用户送氢管路的压力，当压力低于设定下限时自动开启气动直通球阀QZ1209~QZ1210，补氢母管中的高压氢气经减压后送至用户；当压力高于设定上限时，自动关闭气动直通球阀QZ1209~QZ1210停止向用户送氢。

注意：

标配减压阀Y1201~Y1202的流通能力为10~20m3/h（氢气），如需大气量补氢用户可使用旁通阀进行。

4.2.2单充单放型

4.2.2.1充罐部分

充罐部分由充氢母管、自动储罐选择系统（气动球阀QZ1201、QZ1203、QZ1205及QZ1207）、压力变送器（PT1201~PT1204）及4台储罐构成，PLC依次检测四个储氢罐的压力，如压力低于设定下限值则自动开启相应的气动球阀向该罐充氢，当罐压达到设定上限值时自动关闭充罐球阀，压力表PI1210~PI1213用以各储罐压力的现场显示。

4.2.2.2补氢部分

补氢部分由4台储罐、自动储罐选择系统（气动球阀QZ1202、QZ1204、QZ1206及QZ1208）、补氢母管和减压装置构成。

补氢时PLC依次检测四个储氢罐的压力，如储罐的压力处于可用范围则自动开启相应的气动球阀将氢气自储罐送入补氢母管，在经减压装置送至用户。

减压装置的原理与全充全放型相同。

4.3框架III

框架III由水箱（1310）、碱箱（1320）及加水泵（M1301）构成，水箱主要用于储存制氢装置所需的原料水（纯水），碱箱主要用于利用原料水（纯水）配置制氢装置所用的碱液，加水泵可将原料水补入制氢装置以补充电解所消耗的水，当系统需补碱时也可使用加水泵将碱箱内配置好的碱液补入系统。

注意：

补充碱液时，应关闭球阀Q1003，碱液不得加入氢洗涤器内。

碱液补充完毕后应继续补入一些原料水以清洗管道。

水箱装有带远传功能的磁翻板液位计（LT1301）它可将水箱的液位信号送入PLC，当液位过低时自动开启电磁阀（DF1301）将原料水补入水箱，液位达到高限时关闭该阀停止补水。

第二章安装

1制氢站

1.1制氢站的设计应符合GB50177－93《氢氧站设计规范》。

1.2制氢装置的安装：

制氢间：

放置框架Ⅰ和框架Ⅱ。

整流控制间：

放置控制柜、整流柜、配电装置、微机等。

辅助间：

放置框架Ⅲ。

关于房间的数量及设备布局，设计院或用户可根据当地具体情况，参照《氢氧站设计规范》作适当改变。

1.3制氢间的要求

制氢间应为单层不可燃材料建筑。

制氢间应设置必要的泄压面积，泄压面积与厂房的比值（m2/m3）一般采用0.05-0.10。

门窗及轻质墙体可作为泄压面积，泄压面积应布置合理，并应靠近爆炸部位，不应面对人员集中的地方和交通要道。

制氢间高度不低于5米，门窗向外开。

制氢间顶棚应设适当数量的通风孔，通风孔直径不小于200mm，外设防雨帽，下缘与顶棚平齐并设置拉线活门以利于冬季保温，通风孔应设在顶棚最高处。

为了便于安装维修，制氢间应设行车，起重能力应大于电解槽的重量。

制氢间的地板应耐碱，并设有排污下水道，便于污水排放。

制氢间应设有供系统吹扫试压用的氮气管道以及自来水管和水池。

2制氢装置工艺部分的安装

2.1CNDQ5~10/3.2型制氢装置按照工艺流程图安装。

各技术参数及要求见表1。

2.2框架Ⅰ和框架Ⅲ之间的管路沿地沟敷设,框架Ⅰ和框架Ⅱ管路架空设置，各管路的长度尽可能短，并减少弯曲，以减少阻力。

2.3整流柜与电解槽的连接电缆地沟应与各管路地沟分开设置；控制电缆应架空或沿电缆沟敷设，在敷设时，为避免干扰控制电缆与动力电缆应分层敷设，控制电缆采用屏蔽电缆。

电缆地沟应考虑排水。

2.4氢气、氧气放空管出口应分别在制氢间两侧，