雷曦　梁坤

【摘 要】本文主要介紹某2*650MW核電機(jī)組水電解制氫系統(tǒng)的工藝流程，分析其工作原理，并結(jié)合日常運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水電解制氫裝置的技術(shù)參數(shù)及注意事項(xiàng)進(jìn)行說明。

【關(guān)鍵詞】水電解制氫；電解槽；純化

0 前言

在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，氫氣（H2）是一種無色、無氣味、非金屬、無味道、極易燃燒的二原子氣體。氫氣原子量為1.00794g/mol， 是化學(xué)元素中最輕的分子。氫氣氣體極易燃燒，當(dāng)空氣中氫氣含量達(dá)到4%時(shí)就會(huì)猛烈燃燒起來，其自燃溫度為844，3K（571，2°C），氫氣在燃燒時(shí)火焰會(huì)迅速跟隨大氣中的氣體上升，用肉眼根本無法觀察到純氫氧火焰，因此很難探測(cè)到漏氫是否發(fā)生了燃燒。

1 系統(tǒng)概述

某核電站2*650MW機(jī)組氫氣生產(chǎn)、貯存與分配系統(tǒng)是采用直流電源電解水的方法來制取氫氣，生產(chǎn)出來的氫氣經(jīng)過純化、干燥后送至中壓貯氫罐儲(chǔ)存。貯氫罐內(nèi)的氫氣經(jīng)減壓后，通過氫氣分配系統(tǒng)為核島反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)加氫和補(bǔ)充該系統(tǒng)的氫氣泄漏，為常規(guī)島汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行氫氣充灌和補(bǔ)充該系統(tǒng)的氫氣泄漏。

本系統(tǒng)包括兩套獨(dú)立的全自動(dòng)制氫機(jī)、一套氫氣儲(chǔ)存裝置、一套氫氣減壓分配裝置。每套全自動(dòng)制氫機(jī)包括：制氫機(jī)一臺(tái)、脫氧干燥器一臺(tái)（分A、B塔）、整流柜一臺(tái)、控制柜一臺(tái)。

2 水電解制氫工作原理

水電解制氫的原理：由浸潤(rùn)在電解液（28%-32%KOH）中的一對(duì)電極，中間隔以防止氣體滲透的隔膜而構(gòu)成水電解小室，通以一定電壓的直流電時(shí)，水就發(fā)生分解。陰極生成氫氣，陽極生成氧氣。

反應(yīng)式：陰極：2H2O+2e→H2+2OH 陽極：2OH—2e→H2O+1/2O2

總反應(yīng)式： H2O= H2+1/2O2

生成的氫氣在催化劑作用下，使混合在氫氣中的雜質(zhì)氧與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水汽而除去。而后進(jìn)入干燥系統(tǒng)，干燥系統(tǒng)的采用TSA 工藝，干燥器設(shè)置2 臺(tái)，一臺(tái)吸附工作，產(chǎn)生干燥的氫氣。另一臺(tái)進(jìn)行再生工作。保證系統(tǒng)能連續(xù)向用戶提供滿足工藝要求的氫氣。

3 水電解制氫的工藝過程

3.1 氫氣生產(chǎn)分離部分

電解槽通以一定電壓的直流電時(shí)，水就發(fā)生分解，陰極生成氫氣，陽極生成氧氣。在電解槽內(nèi)電解生成的氫氣以氣泡的方式在電解槽內(nèi)的氫氣專用孔道通過氫出氣管道逸出到氫分離器，因比重輕在分離器內(nèi)與堿水自然分離，分離出的氫氣經(jīng)氫氣冷卻器冷卻至30℃-40℃。再經(jīng)氫氣凝結(jié)過濾器進(jìn)一步冷卻去除游離水，氫氣壓力在凝結(jié)過濾器內(nèi)得以緩沖，并通過氫氣管線輸送到氫氣干燥純化系統(tǒng)。同時(shí)在電解槽內(nèi)電解生成的氧氣以氣泡的方式在電解槽內(nèi)的氧氣專用孔道通過氧出氣管道逸出到氧分離器，因比重輕在分離器內(nèi)與堿水自然分離，分離出的氧氣經(jīng)氧冷卻器冷卻至30℃-40℃，然后經(jīng)過氧凝結(jié)過濾器凝結(jié)。在冷凝器內(nèi)冷凝并得到緩沖的氧氣通過氧氣管線、電磁閥、減壓閥，經(jīng)硅膠干燥器徹底干燥后供氧中氫分析儀使用。電解槽由于電解放出氫氣和氧氣，氫氣和氧氣在槽內(nèi)隨著各自的管道向外溢出，致使氫分離器、氧分離器內(nèi)的液位降低。液位控制器將控制補(bǔ)水罐進(jìn)行補(bǔ)水，使與電解槽相連的氫分離器、氧分離器內(nèi)的堿液作氫分離器-電解槽-氫分離器、氧分離器-電解槽-氧分離器的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。氫分離器和氧分離器用連通管連接，保證氫分離器、氧分離器內(nèi)的液位平衡、壓力平衡，液封的連通管兩端保證氫、氧不混溶。同時(shí)，氫分離器、氧分離器內(nèi)的液位開關(guān)保證分離器內(nèi)有足夠的堿液能夠使氫、氧完全隔開，維護(hù)系統(tǒng)安全生產(chǎn)。

3.2 氫氣純化部分

氫氣純化部分可以分解為催化脫氧部分和干燥部分，由一個(gè)脫氧器和兩個(gè)干燥器組成。催化脫氧部分：為化學(xué)接觸催化反應(yīng)，采用貴金屬催化劑加速氧與氫反應(yīng)而生成水。氣體通過脫氧器時(shí)為飽含水蒸氣，溫度在60°C 到80°C，經(jīng)過氣體冷卻器后冷凝，在脫氧器和干燥器之間裝有凝結(jié)過濾器防止冷凝水進(jìn)入干燥器。冷凝水進(jìn)入疏水罐，并且在那自動(dòng)進(jìn)行定期疏水。在疏水罐液位達(dá)到高位時(shí)液位開關(guān)動(dòng)作，打開閥門排放掉冷凝水。干燥部分：干燥氫氣設(shè)置2臺(tái)吸附干燥塔一塔吸附，一塔再生，相互切換，交替工作，連續(xù)供氣。干燥過程由分子篩吸附氫氣中含有的水分，干燥器由兩個(gè)干燥塔組成，一個(gè)干燥一個(gè)再生。干燥過程為低溫吸附干燥，再生為高溫再生，然后再冷卻升壓備用。

3.3 氫氣儲(chǔ)存和氣體分配裝置

氫氣貯存和分配系統(tǒng)包括3 臺(tái)氫氣儲(chǔ)罐，經(jīng)脫氧干燥后的氣體輸送到貯存和分配裝置，并根據(jù)分配裝置上安裝的壓力變送器測(cè)量每個(gè)氫氣罐的壓力，自動(dòng)選擇充裝壓力低的氫氣罐，手動(dòng)開啟低壓氫氣罐對(duì)應(yīng)的充氫閥門開始充氫，當(dāng)壓力達(dá)到上限設(shè)定值2.5MPa 時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)核島和常規(guī)島需要大氣量置換充氫時(shí)，氫氣由氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)輸送到氫氣分配裝置，由于氫氣罐的儲(chǔ)存壓力為1.25-2.5MPa， 因此從儲(chǔ)氫罐來的氫氣壓力需要減壓至工藝要求的0.85-1.1MPa。單個(gè)減壓閥的最大流通能力為275Nm3/h；當(dāng)核島和常規(guī)島正常補(bǔ)氫時(shí)，補(bǔ)氫壓力為0.85-1.1MPa， 供氫量根據(jù)核島和常規(guī)島氫氣壓力的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)氫。

3.4 水電解制氫工藝的技術(shù)要求

氫氣產(chǎn)量： 2×10Nm3/h 氫氣純度： ≥99.998%（按體積計(jì)）；

最高供氣溫度（干燥純化裝置出口）：≤45℃；露點(diǎn)： ≤-65.0℃；

含水量： ≤10ppm；（按體積計(jì)）；含氧量： ≤3ppm；（按體積計(jì)）；

貯存量：常規(guī)島所需的貯存量：1480Nm3（一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組一次啟動(dòng)充氫量和兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行30天的補(bǔ)氫量之和）；兩臺(tái)核電機(jī)組氫氣的總貯存量：1480Nm3。

4 運(yùn)行注意事項(xiàng)

4.1 可引起緊急泄壓的報(bào)警

（1）HTA：檢測(cè)到漏氫；（2）EMS：按下緊急停車按鈕；（3）LTH L， LTO L： 氫氧側(cè)分離器液位低報(bào)警；（4）LS Drip Tray：積水盤液位開關(guān)動(dòng)作；（5）UPS：UPS電壓低報(bào)警

4.2 關(guān)鍵報(bào)警

（1）HWSS電源部分（柜門開關(guān)打開，可控硅整流或二極管溫度過高，相位失衡，風(fēng)機(jī)故障）；（2）HWSS工藝部分（HTO報(bào)警，液位差過大，漏堿，堿液溫度過高，風(fēng)機(jī)故障）；（3）HWSS脫氧器和干燥塔（容器溫度過高）；（4）HTA（檢測(cè)到漏氫）；（5）OTA（檢測(cè)到漏氧-低或高水平）；（6）EMS（按下緊急停車按鈕）；（7）制氫間溫度過低（霜凍）；（8）制氫間溫度過高

5 總結(jié)

本文介紹了某核電站2*650MW機(jī)組水電解制氫的工藝過程及工作原理，該系統(tǒng)的設(shè)置，能滿足某核電站2*650MW機(jī)組在啟動(dòng)和正常運(yùn)行過程中，核島一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組氫氣冷卻系統(tǒng)對(duì)氫氣的需求，為機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐衛(wèi)華.海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組氫氣生產(chǎn)、貯存與分配系統(tǒng)手冊(cè)，2012.

[2]吳建華.海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組氫氣生產(chǎn)、貯存與分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范書，2012.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]