氫冷卻及制氫系統主要內容

一、發電機的冷卻介質二、氫氣基本特性和用途三、制氫原理及設備簡介四、氫氣的控制參數與化學監督五、發電機氣體系統與氣體置換一、發電機的冷卻介質

1、發電機對冷卻介質的基本要求2、發電機的冷卻介質和冷卻方式1、發電機對冷卻介質的基本要求⑴比熱容大。比熱容大則單位介質在同一溫升下帶出的熱量就多，即帶走同樣的熱量所需要的介質量小⑵黏度小。當速度不變時，黏度小則傳熱能力大，且流動摩擦阻力較小。⑶熱導率大。當速度不變時，熱導率越大，熱交換能力越大，內部降溫越小。⑷密度小。對于氣體介質而言，密度小則通風損耗也小。⑸介電強度高。這可減少電暈，有利于安全。⑹無毒，無腐蝕性，化學穩定。⑺價格便宜。2、發電機的冷卻介質和冷卻方式⑴空氣。空氣冷卻方式冷卻能力很小，通風損耗和摩擦損耗很大，單機容量增大時，需要的冷卻空氣流量也相應增大，這就使空冷發電機的設計尺寸增大，給發電機的制造、安裝、及運行管理帶來很多不便。⑵氫氣。氫氣在各種氣體中密度最小，傳熱最好，通風和摩擦損耗最小，清潔。在氣體中氫氣是最適宜作為發電機冷卻介質。⑶水。純水不僅有較高的絕緣性，而且有較大的熱容量。此外，在實際允許的流速下，水的粘度小，這使表面易于傳熱，從而保證發電機繞組與水之間的溫度降很小。水是很好的冷卻介質，不僅具有很大的比熱容和熱導率，而且價廉、無毒、不助燃，無爆炸危險。冷卻方式采用水作為冷卻介質的汽輪發電機組一般有如下三種冷卻方式：⑴定子繞組水內冷，轉子繞組氫內冷，鐵芯氫冷的水—氫—氫型。⑵定子繞組水內冷，轉子繞組水內冷，鐵芯氫冷的水—水—氫型。⑶定子繞組水內冷，轉子繞組水內冷，鐵芯空冷的水—水—空型。目前，國內外的大型發電機組基本采用定子繞組水內冷，轉子繞組氫內冷，鐵芯氫冷的水—氫—氫型冷卻方式二、氫氣基本特性和用途1、氫氣的基本特性2、用途和缺點1、氫氣基本特性⑴氫氣是一種無色、無味、無毒的氣體，在標準狀態下，其密度為0.0697g/L,僅相當于同體積空氣的1/14.3，是各種氣體中最輕的一種，沸點為-253℃。⑵氫氣微溶于水，在0℃時，每100體積的水只能溶解2體積的氫，而且隨溫度升高，溶解度減小。⑶氫氣是窒息性氣體，可使人體缺氧，當空氣中含量達到50%時人有明顯癥狀，濃度為75%即可使人死亡。⑷氫氣的導熱能力最好，其熱導率是空氣的6.69倍。⑸氫氣有很強的滲透性和擴散性。隨著溫度和壓力的升高，滲透作用增大。⑹氫氣與氧氣燃燒會化合成水2H2+O2→2H2O。氫氣能自燃，不能助燃。氫氣與空氣或氧氣容易形成爆炸性氣體,混合氣體點燃時有爆鳴聲。2、用途和缺點在電力行業用作發電機的冷卻介質。氫氣由電解水制取。缺點，當氫氣與空氣或氧氣容易形成爆炸性氣體。下表列出了氫氣的燃燒、爆炸性能在空氣中的燃燒范圍（體積分數，%）4.0～75.0在空氣中的爆轟范圍（體積分數，%）18.0～59.0在氧氣中的燃燒范圍（體積分數，%）4.65～94.0在氧氣中的爆轟范圍（體積分數，%）18.3～58.9在空氣中的著火溫度（℃）585在氧氣中的著火溫度（℃）560三、制氫原理1、氫氣的工業制取方法簡述2、電解水制氫的原理3、電解水制氫設備4、電解水制氫裝置結構5、制氫設備的運行與管理1、氫氣的工業制取方法簡述⑴電解水制氫法這種方法是利用電解液中電離出來的氫離子H+和氫氧根離子OH-分別在陰極和陽極上進行電化學反應，析出O2和H2。由于這種制氫工藝的副產物是氧氣，沒有其他有害的雜質，氫氣純度可達99.5%以上，能滿足發電機對冷卻介質的要求，所以電廠都采用電解水制取氫氣。⑵其他方法水煤氣法、碳氫化合物裂解法、堿與硅反應、水與氫化鈣反應、甲烷轉化法、鐵蒸汽法。這幾種方法得到的氫氣純度不高，達不到要求。2、電解水制氫的原理⑴電解電解是指電解質溶液在直流電流的作用下所發生的一種化學反應過程。電解過程實際上是一種氧化還原過程，而且所得氧氣與氫氣的比列是1﹕2。⑵為什么制氫電解水過程要加入電解液由于純水的電阻率很大，電流很小，產氣率很低。因此在實踐過程中通常加入電解質，增加水溶液的導電性能，以提高產氣率。考慮到電解槽和電極板的防腐和鹽類沉積，大都加入氫氧化鉀,也有加入氫氧化鈉的。⑶生產1m3氫氣實際消耗電能大約為4.5～5.5kW·h，消耗水量大約為845～850g。3、國產中壓電解水制氫設備①ZH②D③Q-④X/⑤X①表示中壓②表示電解③表示制氫④表示氫氣壓力(MPa)⑤表示制氫量（m3/h）。我們今天主要介紹國產中壓電解水制氫設備，這種制氫設備主要用于200MW及以上的氫冷發電機組，主要技術參數如下：⑴氫氣產量一般10m3/h，也有5m3/h、12m3/h的⑵氫氣純度：≥99.8%⑶氫氣濕度：≤-50℃⑷氧氣純度：≥99.2%⑸堿液濃度：氫氧化鈉（20%～25%），氫氧化鉀（26%～30%）4、比利時中壓電解水制氫裝置⑴電解槽。電解制氫⑵氣體分離器。從電解槽電解出來的氫氣和氧氣，帶有一定數量的堿液，所以必須氣液分離。⑶氣體洗滌器、熱交換器和聚結過濾器。洗滌器主要洗滌氫氣中殘留的電解液，在洗滌器中，氫氣與補給水逆向接觸，使電解液由氣態轉為液態，回到電解液中；在熱交換器中一除去氫氣和氧氣中的水分，二氣體露點會降低到比冷卻水高幾度的露點溫度。⑷脫氧裝置。提高氫氣純度，使氫氣中的微量氧氣轉化為水。4、比利時中壓電解水制氫裝置⑸干燥裝置。提純和除濕使氫氣達到合格標準。⑹補水箱。定時注入除鹽水到電解液中，補充電解過程中消耗的水。⑺匯流排（框架二）。用于氫氣充罐及向發電機補氫。⑻儲氫管。儲氫⑼水封及阻火器。防止回火及火焰蔓延。電解水制取氫氣的流程首先氫氣從電解槽各小電解室電解出來匯集后，與攜帶的堿液一起由堿液循環泵送入分離洗滌器。在重力作用下，氫氣與堿液分離，堿液由循環泵送回電解槽，氫氣則沿氫氣管進入氣體冷卻器，冷卻至一定溫度后進入氣水分離器。在氣水分離器中，氫氣中的水分被冷凝液態分離排出，氫氣再經過脫氧裝置和干燥裝置后通過匯流排（框架2）進入儲氫罐，供發電機氫冷使用。5、制氫設備的運行與管理⑴應根據規定并參照同類型設備運行經驗，編寫出適合本單位的安全規程和運行規程。⑵制氫設備運行時應對關鍵參數有記錄，做成報表形式。比如工作壓力、槽溫、槽電壓、氫氣產量、氫氣純度和濕度等。⑶當電解槽嚴重泄漏、氣體純度下降、極板腐蝕嚴重等嚴重影響安全生產時，必須進行檢修。在檢修時應區分動火和不動火檢修，并有相關操作規程。⑷制氫設備應對各部件掛牌標示，氫罐及系統應統一著色。⑸制氫站應掛有安全警示標示。用水的電化學反應方程計算電解用水理論耗量2H2O→2H2+O2例題：生產1m3（1000L）氫氣時的理論耗水量？22.4L-1mol氫氣在標準狀況下的體積。X/18=1000/22.4X=804g四、氫氣質量的控制參數與化學監督1、氫氣純度2、氫氣濕度3、氫氣泄漏1、氫氣純度為使氫冷發電機組穩定、安全、經濟運行、必須對氫氣運行質量進行監督管理。氫氣純度的表示單位為%，氫氣是易燃易爆氣體，在密閉容器中，當氫氣與空氣混合，氫氣的含量為4%～75%時，即易形成爆炸的混合氣體。因此我國《汽輪發電機運行規程》規定：發電機內氫氣純度≥96%，低于此值時，應立即排污。氫冷發電機組保持高純度氫氣，其主要目的提高發電機的效率，保證機組安全運行。國外研究當發電機內混入空氣或氫氣純度下降時，其通風摩擦損耗隨氫氣純度下降而上升。氫氣的純度分析氫氣純度是氫氣化學監督的指標之一，所以必須對制氫系統的氫氣和從氫冷發電機內的氫氣進行檢測。以前氫氣純度檢測使用奧式氣體分析儀分析，這種分析屬于手工化學分析。因為它是利用氣體的某些特性，通過化學反應進行。其原理是當氣體樣品與吸收劑接觸時，產生化學反應，使其中的某種氣體被吸收不再逸出。由氣體樣品體積減少可計算出該種氣體的體積百分比含量。這種分析檢測的缺點：分析手段原始、落后、復雜，儀器分析時所需的化學試劑會失效要經常配制，分析結果準確性取決于分析人員對儀器操作熟練度。現在一般使用便攜式氫氣純度儀分析檢測，采用熱導原理，基于氫氣在氣體中導熱能力最好，因此當混合氣體中背景氣體或其它成分基本保持恒定時，混合氣體的導熱率基本上取決于氫氣的多少，即通過混合氣體的導熱率的測量來決定混合氣體中氫氣的百分比濃度。

測量范圍0～100%，有在空氣中或二氧化碳中等幾種測量模式。使用簡單方便，檢測準確，數據重現性好。造成氫氣純度降低的原因：①密封瓦安裝檢修質量不好或結構不合理，可導致氫氣側回流量偏大；密封油中溶解水分或空氣混入氫氣中，使氫氣純度下降。②由儲氫管補充的氫氣不合格。③密封油箱的油位過低，從主油箱補充的油中混入空氣。保證氫氣純度的措施：①定期排污。即采用氣體置換措施，當發電機內氫氣純度≤96%，就應進行排污。②保持正常氫壓。防止外界空氣進入機殼內。③定期檢查發電機底部排污管是否有油污，并檢查主油箱油位是否明顯下降，防止發電機內部進油。④保證密封油壓力在適當位置，維持在略高于發電機氫壓。2、氫氣濕度隨著發電機容量越來越大，以及因氫氣濕度超標引起的事故，對于發電機氫氣濕度超標造成的危害和限制標準及降低濕度的措施相關專業人員做了很多研究和探討。以前氫氣濕度的單位一直采用絕對濕度，現在的單位為露點溫度(℃)，而且對氫氣濕度的上下限嚴格界定。氫氣濕度超標可使發電機內氫氣純度相應降低，導致通風和摩擦損耗增加，使機組效率降低；可以引發發電機絕緣擊穿事故；還容易引起轉子護環產生腐蝕裂紋。氫氣的濕度分析氫氣濕度是影響氫冷發電機安全運行的重要因素之一，所以必須對氫氣濕度進行分析。氫氣濕度分析方法有很多，現在主要使用便攜式氫氣濕度儀檢測分析。儀器一般采用露點傳感器及先進的數字處理技術，實現對氣體中水分含量的自動快速檢測。氫氣濕度的表示方法濕度是表示氣體中水蒸氣含量的一個物理量。氫氣濕度的表示方法有以下三種：①絕對濕度是指單位體積氣體中所含水蒸氣的含量，單位為g/m3。②相對濕度指在某一溫度下，每立方米氣體所含水蒸氣的質量與同溫度下每立方米氣體所能含有的最大水蒸氣質量之比或某一溫度下氣體中所含水蒸氣的分壓與同一溫度下飽和蒸汽的分壓之比。相對濕度用%表示。③露點指氣體在水蒸氣含量和氣壓不變的條件下，冷卻到水汽飽和結露時的溫度，氣體中的水蒸氣含量越少，其飽和而結露的所要求的溫度越低。反之，氣體中水蒸氣含量越多，降溫不多就可出現結露。因此，露點的高低也是衡量氣體中水蒸氣含量的一種方法。造成氫氣濕度超標的原因：①制氫系統氫氣濕度不合格。②氫氣干燥裝置失效，沒有起到去除氫氣中水分的作用。③發電機密封油中微水超標，含有超標水分的密封油通過密封瓦竄入或滲入發電機內，使氫氣濕度超標。④由定子繞組、氫氣冷卻器及其它冷卻水系統滲入發電機內的水分。防止氫氣濕度超標的建議：①發電機氫氣去濕裝置應正常投入使用，及時更換失效的干燥劑。②嚴格控制運行中密封油質量。③氫罐應定期排污，常用氫罐應1至3天排污一次。機組停機時加強對氫罐檢測，發現濕度超標，及時置換。發電機氫氣濕度相關標準根據規定氫氣濕度的表示方法采用露點溫度表示。對于氫冷發電機組的氫氣濕度上下限國家也有規定要求。電力行業標準DL/T651-1998《氫冷發電機氫氣濕度的技術要求》，規定發電機內氫氣濕度和供發電機充氫、補氫用的新鮮氫氣濕度均以露點表示氫氣濕度。（06年和08年的全省氫冷機組運行氫氣質量普查中發現有些電廠氫氣濕度的表示單位使用老式絕對濕度單位）標準內容如下：①發電機在運行氫壓下的氫氣允許濕度高限。當發電機內最低溫度（最低溫度指氫氣溫度或氫冷卻器進水溫度）大于10℃時，氫氣濕度不大于露點0℃；停機時，當機內溫度低于5℃時，機內氫氣濕度不大于露點-5℃。機內允許的氫氣濕度的低限為露點-25℃。當機內氫氣溫度＞10℃時，氫氣濕度0～-25℃。當進內氫氣溫度＜5℃時，氫氣濕度-5～-25℃。②供發電機充氫、補氫用的新鮮氫氣正常壓力下的允許氫氣濕度。對于新建、擴建電廠，露點溫度≤-50℃。一般情況下我們所說的發電機氫氣濕度是換算成氫壓下的數據。氫氣的除濕氫氣在電解制取過程中與堿液和水接觸，所以氫氣中含有水分是不可避免的；另外，氫冷機組在運行過程中，密封油中的水分也會擴散到氫氣中。因此要保證氫氣濕度在規定范圍內，就必須不斷除濕。在制氫系統設有干燥裝置對氫氣除濕。在發電機側也有氫氣除濕裝置，一般采用冷凝和吸附除濕兩種方法。①冷凝水在不同溫度下有三種變化（固、氣、液），如果將氫氣先送入一個環境溫度低于0℃冷凝干燥器，可使氫氣溫度下降到0℃以下，氫氣中的水分就會冷凝而分離。主要由回熱器、冷卻器、儲水箱組成。②吸附除濕吸附除濕也稱吸附干燥，它不僅可去除水分，還可以用于氣體的提純和精制。吸附除濕采用的吸附劑適用于氫氣除濕的吸附劑有分子篩和硅膠兩種。分子篩。指具有均勻微孔并能選擇性吸附直徑小于其微孔的那些吸附劑。分子篩的吸附速度快，使用壽命長，而且性能穩定，且再生溫度高。硅膠。又名氧化硅膠和硅酸凝膠。硅膠中的水以羥基的形式與硅原子相連后覆蓋于硅膠表面，回熱升溫后又可釋放出去，使硅膠能反復應用。硅膠的吸附容量隨粒度的增大而減小；吸附容量隨壓力的升高而增大；吸附容量隨溫度的升高而下降。硅膠正常含水量為3%～7%，吸附水分后可達到40%左右。硅膠是分子篩的一種，是物理吸附。分子篩比硅膠吸附范圍廣、比硅膠再生溫度高，效果更好。3、氫氣泄漏造成氫冷發電機組漏氫的原因①機組機體龐大，結合面多及施工組裝水平等因素，都會造成發電機漏氫。②由于密封瓦和瓦座的間隙調整不合格，以及氫側密封油降低使氫氣滲入油中，也會導致漏氫。③由于機內氫氣冷卻器嚴密性難以保證，也會造成漏氫。漏氫量：表示一晝夜內泄漏到發電機充氫體積以外的氫氣量，用體積表示，單位m3/天。3、氫氣泄漏有關漏氫量的大小，在GB7064-1986《汽輪發電機通用技術條件》中規定，在交接試驗項目中需測定漏氫量；在額定氫壓下，每晝夜整個機組轉動的漏氫量不得超過發電機機殼內總氫氣量的5%。漏氫率：指在額定氫壓下，一晝夜時間內泄漏到發電機充氫容積以外的氫氣量與發電機原有氫氣量的比值。在每次機組大修后，必須作查漏試驗。發電機大修后的查漏點和標準查漏部件和系統試驗壓力（MPa）合格標準定子0.35漏氣率＜1%轉子0.506h壓降＜20%初壓氫氣冷卻器0.500.5h無泄漏氫及二氧化碳管路0.604h平均壓降＜666.610Pa氫控制盤0.604h平均壓降＜666.610Pa定子內冷水系統0.60(水壓)4h壓力不下降線套管0.40無泄漏氫氣泄漏檢測當有氫氣泄漏時，被檢區域是開放的，氫氣已泄漏到大氣中。只能使用便攜式氫氣測報儀儀或氫氣探測儀現場就地檢漏。目前這類儀器很多，此類儀器的探頭中裝有敏感元件，與主機中的元件構成惠斯頓電橋，當無氫存在時橋路平衡，輸出為零。有氫存在時，敏感元件阻值發生變化，橋路輸出不為零。在0～4%氫氣范圍內，輸出信號的大小與空氣中含氫濃度成正比。在交接試驗項目中需測定泄漏量機組大修后需測定泄漏量。氫氣泄露量的計算下面介紹氫氣泄露量的有關計算由于氣體的體積與壓力和溫度有關，因此在計算泄漏量時，必須事先規定壓力和溫度。公式：L=240V/t（p1–p2），m3/天式中：L-漏氫量；V-氫冷發電機機殼內的容積，m3；t-試驗時間；P1-試驗開始時的機殼內的表壓力，MPa；p2-試驗結束時的機殼內的表壓力，MPa；此公式是假設試驗開始與結束時的大氣與溫度都不變的情況下。例題：一臺發電機的充氫容積為100m3，漏氫試驗從早上9點開始到第二天早上8點結束，發電機氫氣表壓力從0.4MPa下降到0.395MPa，試問在大氣壓力與溫度不變的情況下這臺發電機的漏氫量是多少？五、發電機氣體系統與氣體置換1、發電機氣體系統2、發電機氣體置換1、發電機氣體系統氫冷發電機機外氣體系統由氣體分配系統，氣體凈化系統，參數測量、控制系統及安全系統組成。氣體系統的主要作用：向發電機提供質量合格、氣量足夠的氫氣，并通過壓力調節自動保持發電機內的氫氣壓力在規定范圍內；利用中間氣體二氧化碳完成發電機內氣體的置換；通過干燥器去除機內氫氣水分；通過油密封系統保持機內氫氣純度在較高水平；利用相應表計對機內氫氣的控制參數進行監視。2、發電機氣體置換⑴氣體置換方式發電機氣體置換：當機組由運行轉入停機檢修，或停機檢修轉入啟動運行，或氫氣供應不足發生故障時，將機內氫氣置換為空氣或由空氣置換為氫氣的過程。