王晨晨，莊亞平，葉　成，王　岳，顧先青，姜旭東，曹衛(wèi)榮

核電廠制氫站氫氣制備及儲運方案設(shè)計

王晨晨1，莊亞平2，葉成1，王岳1，顧先青1，姜旭東1，曹衛(wèi)榮1

（1. 上海核工程研究設(shè)計院股份有限公司，上海 200233；2. 山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

核電廠機組生產(chǎn)的富余電量可用來電解水制氫，氫氣的收益可以提高經(jīng)濟性。核電制氫也是大規(guī)模、低成本、高效零碳制備綠氫的最佳選擇。通過參數(shù)計算和流程設(shè)計，為核電廠制氫站配置合理的設(shè)計方案。經(jīng)研究論證，按照20 MW用電量規(guī)劃，配備4臺規(guī)格為1 000 Nm3/h的堿性制氫設(shè)備，氫氣運送至壓縮站壓縮成20 MPa的高壓氫氣，運往儲氫區(qū)或運氫區(qū)。運氫區(qū)設(shè)有8臺氫氣充裝柱，可將高壓氫氣充入長管拖車，送至用戶處。同時，對輔助設(shè)施系統(tǒng)也給出了詳細的設(shè)計方案。本設(shè)計方案具有工程可實施性，為核電廠制氫提供了設(shè)計參考和借鑒。

核電廠；制氫及儲運；方案研究；流程設(shè)計

對于核電機組，推行冷熱電氫氣淡水聯(lián)供的全新極高效核能綜合利用。制氫，是核能綜合利用中重要的一環(huán)。核電廠機組生產(chǎn)的富余電量可用來制氫，制取氫氣的收益可以提高核電機組的經(jīng)濟性。氫能作為可存儲的二次能源和清潔能源，正加快成為全球能源替代的重要發(fā)展方向。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是我國能源高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，可再生能源制得的氫氣為綠氫，相較于化石燃料制氫，可有效減少碳排放?？稍偕茉粗饕酗L能、光伏、生物質(zhì)、核能等，長期看，風光具有不穩(wěn)定性，生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模較小，使用核電電解水制氫將是大規(guī)模、低成本、高效零碳制備綠氫的最佳選擇。相對于工業(yè)電或火電制氫，核電有更低的制氫成本；核電布局與沿海重點工業(yè)、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)高度重疊，可降低儲運成本；相對于風光制氫，核電制氫可提供大容量、穩(wěn)定的能源供給，滿足用戶規(guī)?；瘧谩?/p>

目前，國內(nèi)核電廠大規(guī)模制外銷氫仍處于起步階段，缺乏相關(guān)工程設(shè)計經(jīng)驗。本文提供的設(shè)計方案，具有工程可實施性，為核電廠大規(guī)模制氫提供了設(shè)計參考和借鑒。

1 制氫及儲運系統(tǒng)方案設(shè)計

經(jīng)研究，由于核電廠可以提供大量的電，因此制氫最合適的方法為電解水制氫?，F(xiàn)階段，電解制氫主要有三種方法：堿式電解制氫（AEL）、質(zhì)子膜電解制氫（PEM）和固體氧化物電解水蒸氣制氫（SOEC）?？紤]核電廠制氫項目規(guī)模較大，選用傳統(tǒng)成熟，單機制氫規(guī)模大且商業(yè)應用廣的堿性電解水制氫技術(shù)路線較為合適。

目前市場上常用的堿性電解槽制氫設(shè)備規(guī)格可達1 000 Nm3/h·臺，制備的產(chǎn)品氫氣壓力為1.6～2.0 MPa，工作溫度為（95±5）℃，額定電壓為10 kV，可配套加純化設(shè)備，制氫的純度可高達到99.99%，電耗共計約為5 kWh/Nm3。核電廠制氫規(guī)模較大，可分期進行建設(shè)，經(jīng)論證，每期制氫方案中機組提供功率為20 MW 較為適宜，得出這一結(jié)論主要有以下兩個依據(jù)。

（1）目前國內(nèi)最大電解制氫項目，其規(guī)模即為供電功率20 MW；

（2）20 MW用電量每天可制備氫氣量約為8 t，計算方法：根據(jù)設(shè)備資料，1 000 Nm3/h的電解制氫裝置（配套純化設(shè)備）的功率約為5 MW，20 MW的功率可相應配置4臺1 000 Nm3/h電解制氫裝置。根據(jù)下式可得出24 h滿功率運行的氫氣產(chǎn)量。

本文中的核電機組其主要應用為民用供暖和工業(yè)供熱，主要布局在北方。夏季無需供暖，此時機組產(chǎn)生的富余電量可以用來制氫，氫氣的收益可以提高核電機組的經(jīng)濟性。正常工況下，電解制氫可24 h滿功率運行，機組每年在夏季運行約3 000 h，這段時間的多余電量可用來制氫，其余時段制氫站不制氫。

制得的氫氣將不斷輸送至用戶處，不在制氫站內(nèi)大量存放氫氣產(chǎn)品?？蓳?jù)氫氣站內(nèi)存放的氫氣量情況對制氫設(shè)備進行調(diào)節(jié)，使氫氣存儲量符合GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》3.0.2節(jié)中一級制氫站儲氫量小于8 t的要求。

制氫及儲運系統(tǒng)的系統(tǒng)流程為：水電解制氫裝置（含純化裝置）—氫氣壓縮機—運氫區(qū)（或儲氫區(qū)）—送至廠外各用戶。

1.1　氫氣制取系統(tǒng)的方案設(shè)計

制氫站的主要功能為制備1.6～2.0 MPa的中壓氫氣，通過電解氫氧化鉀溶液，產(chǎn)生氫氣和氧氣，將氧氣安全排放至大氣或收集，而氫氣則經(jīng)過冷卻、干燥、純化后，通過氫氣管道將氫氣運送至氫氣壓縮站壓縮成高壓氫氣。制氫系統(tǒng)設(shè)有4列1 000 Nm3/h的水電解制氫裝置，每套水電解制氫裝置配備電解槽、變壓器、整流器、氣液處理器、氫氣純化裝置、水箱、堿箱、加水泵、配堿泵、純氫控制柜、純化控制柜、配電柜各一臺。除控制柜布置在單獨的中央控制室外，這些設(shè)備都布置在單獨的制氫站內(nèi)。制氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1　制氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)

1.2　氫氣儲運系統(tǒng)方案設(shè)計

制氫站制備的氫氣主供外銷，每期制氫站按照4臺水電解制氫裝置進行規(guī)劃布置，每套水電解制氫裝置配備一套氫氣純化裝置，裝置的氫氣處理量也為1 000 Nm3/h/臺，氫氣純化裝置和電解槽可由設(shè)備廠家成套供貨。純化前的氫氣中會夾雜有氧氣、堿液等雜質(zhì)。經(jīng)站內(nèi)氫氣管道運送至氫氣壓縮站壓縮至20 MPa的高壓氫氣。

氫氣壓縮站設(shè)有10臺500 Nm3/h的膜式氫氣壓縮機，8用2備。每臺水電解制氫裝置配備兩臺氫氣壓縮機。每兩臺氫氣壓縮機前設(shè)置一臺氫氣緩沖罐，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備容量計算，氫氣緩沖罐的壓力約為1.6 MPa，單臺水容積為5 m3，外形尺寸為1.8 m×2.0 m。當氫氣注滿后，氫氣的質(zhì)量約為7.12 kg，氫氣緩沖罐及氫氣的質(zhì)量總重約1 750 kg。緩沖罐露天布置，北方廠址采取防凍措施。20 MPa的高壓氫氣通過氫氣管道去往儲氫罐區(qū)（按需）或運氫區(qū)。

根據(jù)氫氣的日產(chǎn)量，儲氫罐區(qū)設(shè)有3套儲氫罐，可儲存高壓氫氣。儲氫罐選用市面成熟產(chǎn)品，設(shè)計壓力為22 MPa，設(shè)計溫度-40～60 ℃，單套水容積為169.9 m3。3套儲氫罐共計可存儲氫氣約 8 t，可滿足GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》中對氫氣站內(nèi)氫氣存儲不超過8 t的限制要求。

正常運行工況下，制氫站內(nèi)制備的氫氣需源源不斷的輸送運氫區(qū)，運至用戶處，不經(jīng)過儲氫區(qū)，氫氣不大量存儲在儲氫罐中。當發(fā)生特殊情況時，氫氣制備系統(tǒng)可根據(jù)情況連續(xù)運行或間斷運行，未及時運出廠外的氫氣可暫存在儲氫罐中，當運輸條件滿足時，儲氫區(qū)設(shè)有高壓氫氣管道直接連接至運氫區(qū)，通過開啟閥門等安全附件，將儲氫罐的氫氣輸送至運氫區(qū)。極端情況下，若儲氫區(qū)氫氣存儲量接近滿瓶，運輸區(qū)無法正常運行，制氫系統(tǒng)需停止運行。

8臺氫氣壓縮機壓縮后的高壓氫氣通過8條主管道輸送至運氫區(qū)的氫氣充裝柱，運氫區(qū)設(shè)有8臺氫氣充裝柱，設(shè)計壓力為20 MPa，內(nèi)部不存儲氫氣，可將高壓氫氣直接充裝注入20 MPa的長管拖車。當發(fā)生一些異常工況時，可以邊制氫邊儲存至3套儲氫罐內(nèi)，同時從儲氫罐直接充裝長管拖車將氫氣運輸出去，這樣可以降低對長管拖車的在線充氫要求，解決因為長管拖車充氫不及時，而導致電解制氫機組被迫停機的情況。

根據(jù)拖車設(shè)備資料，單臺長管拖車滿載運氫量實際為0.281 t，制氫站每日氫氣產(chǎn)量約為8.57 t，日產(chǎn)量需裝滿30輛氫氣長管拖車來運輸。運氫站旁邊設(shè)計有長管拖車停車場，除正在充裝的8臺長管拖車外，其余備用車輛可在此停車場停靠等待裝運。如果距用戶距離較近，長管拖車可往返多次運輸。長管拖車的數(shù)量和每天往返用戶的頻次，根據(jù)制氫站業(yè)主實際需求和用戶具體距離而定。長管拖車在注滿后將沿指定路線駛出廠區(qū)，送至用戶處。

制氫站的用戶如大型的鋼鐵廠、化工廠等，一般需要當?shù)卣w配套進行規(guī)劃，按照目前氫氣輸運的經(jīng)濟性考慮，一般與制氫站距離不超過 50 km。距離越近、用戶越集中運輸成本越低。

氫氣制儲運工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 氫氣制儲運工藝流程簡圖

2 輔助設(shè)施系統(tǒng)方案設(shè)計

輔助系統(tǒng)主要設(shè)備和管道位于獨立的輔助設(shè)施廠房內(nèi)，并有獨立的設(shè)備間。冷卻水系統(tǒng)，為水電解制氫裝置，氫氣壓縮機提供冷卻水；儀表用壓縮空氣系統(tǒng)，為用戶動力柜提供氣源；除鹽水儲存和分配系統(tǒng)，為冷卻水提供水源和制氫裝置補充原料水源；吹掃用氮氣可用氮氣集裝格或臨時液氮車供應。

2.1　冷卻水系統(tǒng)方案設(shè)計

冷卻水系統(tǒng)是獨立的封閉回路冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移設(shè)備的熱量至冷卻塔，維持制氫系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備在安全的溫度范圍內(nèi)。

根據(jù)表2的系統(tǒng)容量及管徑計算，冷卻水母管流量約為730 m3/h，管徑為DN250?？偭髁颗c冷卻水用戶需求量匹配。

根據(jù)設(shè)備容量計算，波動箱容積為5 m3，足以容納熱脹冷縮導致的體積變化和可能存在的向系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)向外的泄漏（11.4 m3/h）至少30 min。冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖 2所示。

表2　冷卻水母管流量及管徑的參數(shù)計算

2.2　壓縮空氣系統(tǒng)方案設(shè)計

儀表用壓縮空氣系統(tǒng)為制氫站單獨配置，儀表空氣為整個制氫站的氣動閥提供壓縮空氣以支持制氫站的正常運行，提供經(jīng)過過濾的、干燥的、無油的儀表壓縮空氣。

圖2 冷卻水系統(tǒng)工藝流程簡圖

根據(jù)制氫站用戶需求，用氣采用儀用壓空標準，壓縮機排氣壓力0.85 MPa，排氣量2 Nm3/min。系統(tǒng)設(shè)計為兩個獨立的空氣壓縮機系列，每個系列包括一臺風冷噴油螺桿式空氣壓縮機、無熱再生吸附式干燥器、相關(guān)閥門和管道。在制氫站正常運行模式下，每臺儀表空氣壓縮機能連續(xù)提供100%容量的儀表空氣用氣。每個儀表空氣壓縮機系列都能滿足預期儀表空氣需求，根據(jù)用戶的需求量計算，壓縮空氣總需求量約為1.6 Nm3/min，設(shè)計量為2 Nm3/min，是需求量的1.25倍，有一定裕量以適應最高用氣和負荷增長的要求。

儀表空氣壓縮機系列能夠連續(xù)供應最小供氣壓力為 0.8 MPa，最大供氣壓力為1.0 MPa的儀表空氣。儀表空氣子系統(tǒng)各供氣系列中的主要能動設(shè)備（壓縮機和干燥裝置）有100%的冗余度。供氣總管將儀表空氣分配至制氫站、氫氣壓縮站、儲氫罐區(qū)、輔助設(shè)施廠房等。壓縮空氣系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖3所示。

圖3 壓縮空氣系統(tǒng)工藝流程簡圖

2.3　除鹽水系統(tǒng)方案設(shè)計

除鹽水儲存和分配系統(tǒng)有輸送除鹽水的能力，足以為相關(guān)系統(tǒng)用戶提供適量的除鹽水。除鹽水由除鹽水處理系統(tǒng)供給除鹽水貯箱。除鹽水處理系統(tǒng)與核電站共用，從核電站的除鹽水處理系統(tǒng)引入一路管道提供給制氫廠區(qū)的除鹽水儲存和分配系統(tǒng)。在所有的運行模式下，除鹽水從除鹽水貯箱輸送到除鹽水分配管網(wǎng)。供水需求如表3所示。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

表3　除鹽水供水需求

圖4 除鹽水系統(tǒng)流程圖

3 安全性評價

制氫站廠區(qū)內(nèi)滿足工藝流程、功能分區(qū)要求，滿足近、遠期結(jié)合，方便施工，有利于擴建的要求；廠區(qū)周圍設(shè)置高度為2.5 m的實體圍墻，廠區(qū)有三個出入口，滿足外來車輛運輸區(qū)與內(nèi)部生產(chǎn)區(qū)域分區(qū)管控的需求。生產(chǎn)辦公區(qū)域與長管拖車運輸區(qū)之間由道路連接，設(shè)置大門管控，不允許隨意通行，滿足生產(chǎn)及運輸安全要求。

制氫站內(nèi)的氫氣制備儲存及輸運區(qū)域的生產(chǎn)火災危險類別為甲類，耐火等級為一級，設(shè)計使用年限60年，抗震設(shè)防烈度6度。整體各設(shè)置一個防火分區(qū)，防火分區(qū)及疏散距離等滿足相關(guān)規(guī)范要求。

電解水設(shè)備間設(shè)置有5個安全出口，水堿箱間設(shè)兩個安全出口，低壓配電間長度大于7 m設(shè)兩個安全出口，其他房間均設(shè)一個安全出口直通室外。電解間與其他房間之間，設(shè)耐火極限不低于3.0 h的不燃燒體防爆防護墻；電解間上部空間設(shè)高窗及天窗進行通風，頂棚內(nèi)表面平整避免死角。電解間外設(shè)置除靜電裝置。

房間內(nèi)設(shè)氫氣檢漏報警裝置，并與相應的事故排風機連鎖。當空氣中氫氣濃度達到0.4%以上時，設(shè)置報警并自動開啟事故排風機，以便及時檢查處理。建筑物頂部設(shè)置風帽，排氣孔朝向安全地帶，室內(nèi)自然通風換氣次數(shù)每小時不得小于3次，事故排風裝置換氣次數(shù)每小時不少于12次。避免氫氣聚集發(fā)生爆炸。

本方案設(shè)計中，核電廠內(nèi)制氫站的設(shè)計均滿足GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》中要求。

在核電站與制氫站的總體布置上，考慮取水、消防等設(shè)施的共用，兩者距離不能太遠；考慮兩者安全性影響，距離也不宜過近。不同廠址情況不同，考慮周圍農(nóng)田與林地，以及工廠常年最小頻率風向等不確定性，論文暫對制氫站在核電站的具體位置不做限定，后續(xù)根據(jù)廠址周圍詳細情況再做選址和安全性評估。

4　經(jīng)濟性評價

根據(jù)已有的同類項目投資金額，按照規(guī)模進行測算，項目總投資約為3.8億元。包含范圍：工程費用（電解水制氫主設(shè)備、氫氣純化設(shè)備、輔助設(shè)備、純水裝置、壓縮機、儲氫瓶組、消防設(shè)備、站控系統(tǒng)等、廠房及室外工程、運輸車輛等）、工程其他費（項目場地征用費、建管費、設(shè)計費、技術(shù)服務費等）。

氫氣售價與制氫用電成本相關(guān)，電解水制氫的成本中用電成本占70%左右，大規(guī)模核電可降低用電成本，經(jīng)濟性好。氫氣售價也與氫氣用戶距離相關(guān)，若距離遠，則氫氣儲運成本高。

5 結(jié)論

本文對核電廠內(nèi)利用富余發(fā)電量電解水制氫，建造大規(guī)模外銷用氫氣站的設(shè)計方案進行了深入詳細的研究，提出了氫氣制儲運及配套輔助設(shè)施的綜合系統(tǒng)設(shè)計的詳細方案和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，估算了項目投資的總金額。方案具有工程可行性，滿足相關(guān)標準及工程要求，安全性高，經(jīng)濟性好。本研究方案可對后續(xù)核電廠內(nèi)制氫及配套輔助設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計等工程建設(shè)提供設(shè)計參考和借鑒。

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Design of Hydrogen Preparation, Storage and Transportation Scheme for Hydrogen Production Station of Nuclear Power Plant

WANG Chenchen1，ZHUANG Yaping2，YE Cheng1，WANG Yue1，GU Xianqing1，JIANG Xudong1，CAO Weirong1

（1. Shanghai nuclear engineering research & design institute CO. LTD，Shanghai 200233，China 2. Shandong Nuclear Power Company LTD，Haiyang of Shandong Prov. 265116，China）

The surplus electricity produced by nuclear power plant can be used to electrolyze water to produce hydrogen, and the income of hydrogen can improve the economy of nuclear power plant. And it is also the best choice for large-scale, low-cost, efficient and zero carbon production of green hydrogen. Through parameter calculation and process design, a reasonable design scheme is configured for the hydrogen production station of nuclear power plant. According to the 20 MW power consumption planning, the traditional alkaline electrolytic hydrogen production method can be adopted, and four equipment with the specification of 1000 Nm3/h are equipped. The hydrogen is transported to the compression station and compressed into 20 MPa high-pressure hydrogen.The hydrogen is sent to the storage tank area or the transportation area. There are 8 hydrogen filling columns in the area. The long tube trailer will send hydrogen to the users. Detailed designs scheme for the auxiliary facility system are also given. This design scheme has the feasibility of engineering implementation and provides design reference for hydrogen production in nuclear power plant.

Nuclear power plant; Hydrogen production; Storage and transportation; Scheme research; Process design

TL490

A

0258-0918（2023）05-1189-07

2022-08-26

王晨晨（1987—），女，甘肅山丹人，高級工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核能綜合利用氫能方面研究