谢国峰 张春玲 王玺廷 李建军 贺延枫 赵俊杰
国电内蒙古东胜热电有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017000
摘要：针对燃煤火力发电机组，分析FDQ-10-3.2型制氢装置中，氢气中氧气含量超标的现象，提出控制氧气含量的方法和措施，提高氢气纯度和制氢装置的安全性。结果表明，氢气中氧浓度超标的判断方法和流程包括确认氧浓度测量仪表显示数值偏高，排查传感器出问题的因素，排查制氢系统和氢气取样系统存在漏点的因素，检查碱液过滤器滤网、干燥器分子筛，排查碱液密度低或电解槽内存在杂质的因素。降低氢气中氧浓度措施包括除盐水在线冲洗和制氢装置离线清洗。采用除盐水在线冲洗后，氢气中氧浓度降低至0.34%；采用离线冲洗后，氢气中氧浓度降低至0.01%。制氢装置采用离线冲洗法，能彻底解决氢中氧超标、氢气纯度低的问题。
关键词：燃煤火力发电机组；制氢装置；氧含量超标；电解槽；氢中氧；离线冲洗法
1引 言
燃煤火力发电站中，氢气用以作为高效传热的气体介质，冷却发电机转子绕组和定子铁芯[1-3]。制氢装置长期运行中，由于系统中存在杂质，制氢装置运行中气路堵塞，分离效果不好，易造成制氢装置所产氢气中氧超标[2-4]。氢气纯度指标不合格，影响制氢设备及氢气用户的安全[3-5]。因此，有必要分析制氢装置中氧气含量超标的原因，提出降低氧气浓度的方法和策略，提高氢气纯度。
本研究拟针对燃煤火力发电机组，分析FDQ-10/3.2型水电解制氢装置中，氢气中氧含量超标的现象，提出控制氧气含量的方法和措施，提高氢气纯度和制氢装置的安全性。本文的分析有助于了解制氢装置中氧气含量超标的原因以及优化改进措施，从而提高制氢系统的可靠性和安全性。
2制氢装置和制氢原理
以FDQ-10/3.2型制氢装置为例进行分析，制氢系统由氢气制备及干燥系统、除盐水冷却系统、气体分配系统、储气系统和仪表气源系统五部分组成。系统采用加热再生的方法，将分子筛中吸附的水分解吸附至氢气中，从而达到干燥系统连续使用的目的。制氢的工作原理是以KOH水溶液作为电解液，将直流电通过KOH水溶液，将水分解为氢气和氧气，其化学反应如下：
阴极：2H2O+2e→H2+2OH-
阳极：2OH- +-2e→H2O+1/2O2
总反应式：H2O= H2+1/2O2
3氢气中氧浓度超标的判断
氢气中氧浓度超标的判断方法和流程包括：
（1）确认氧浓度测量仪表显示数值偏高。制氢装置运行中，氢气中氧浓度测量的在线仪表显示，氧气浓度逐步增加至0.15%~0.30%，最高达到0.40%。
（2）排查传感器出问题的因素。为了排除氢气中氧浓度测量传感器的问题，更换传感器，制氢装置运行10~12小时。结果显示氢气中氧气浓度仍增加至0.31%。
（3）排查制氢系统和氢气取样系统存在漏点的因素。排查制氢系统和氢气取样系统，并未发现泄漏点。检查制氢装置系统及仪表取样管路无漏点，用便携式氢气纯度仪测量产氢纯度为99.6%，运行中氢中氧含量最高增加至0.40%。
（4）检查碱液过滤器滤网、干燥器分子筛。
（5）排查碱液密度低或电解槽内存在杂质的因素。制氢装置退碱，更换原料水箱内的除盐水，并用除盐水对电解槽进行在线循环冲洗。冲洗24小时后，重新配置碱液，碱液浓度为1.274 kg/cm3，启动制氢装置后，氢气中氧浓度仍高达0.40%。降低碱液循环量最低至700 r/min，氢中氧浓度显示无变化。
4降低氢气中氧浓度的措施
降低氢气中氧浓度措施包括：
（1）除盐水在线冲洗。停运制氢装置，退出碱液，对制氢装置采用除盐水，进行在线冲洗。用补水泵补水后，启动氢、氧侧碱液循环泵，循环2小时，停泵，排污。冲洗2天后，启配碱泵向电解碱补水，并打开氢、氧侧电解槽排污阀，排放碱液。冲洗1天后，关闭氢、氧侧电解槽排污阀，用补水泵补水，启动氢、氧侧碱液循环泵，循环2小时，停泵。向制氢装置内充氮气至压力0.30 MPa，打开氢、氧侧排污阀排放碱液，排完后继续充氮至压力0.30 MPa，打开氢、氧侧排污阀排放碱液。如此反复冲洗2天后，配置碱液浓度至1.281 kg/cm3；启动制氢装置运行，氢气中氧浓度显示为0.34%，冲洗后电解电流能提高至920 A左右，最高至950 A。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
采用除盐水在线冲洗后，氢气中氧浓度降低至0.34%，比冲洗前下降了0.11个百分点。氢气纯度为99.66%，说明在线冲洗有效果，但氢气纯度仍低于制氢运行规程要求的99.7%，仍需进一步对制氢设备电解槽及管路进行检查及冲洗。
（2）制氢装置离线清洗。离线清洗的流程包括：1）停运制氢装置，制氢装置中采用气体置换，退碱。冲洗工作需24小时不间断进行。2）启动电解槽补水泵进行冲洗。3）电解槽氢侧正反冲洗。4）电解槽氧侧正反冲洗。5）电解槽氢侧排污口正反冲洗。6）电解槽氧侧排污口正反冲洗。电解槽氢侧、氧侧单侧冲洗时需保证氢侧、氧侧均有水，防止电解槽氢侧、氧侧产生压差损害隔膜。7）电解槽配碱泵冲洗。将电解槽氢侧、氧侧碱液管路，电解槽氢侧、氧侧排污管路恢复，启动配碱泵、打开电解槽氢侧、氧侧排污阀对电解槽冲洗12小时。冲洗结束后，停泵，排出电解槽内除盐水。8）电解槽正冲洗。启动配碱泵或补水泵对电解槽上水，循环2小时，停碱液循环泵，关闭氢侧、氧侧手动保压阀，向制氢装置充氮至压力0.3 MPa，打开电解槽氢侧、氧侧排污阀，排放废液。9）冲洗结束后，解体检查清理氢侧、氧侧过滤器，并用四氯化碳对电解槽氢侧及氧侧管路进行冲洗。
离线冲洗及配碱过程结束后，重新启动制氢装置，氢气中氧浓度降低至0.01%。制氢装置投运正常，结果表明制氢装置采用离线冲洗法，能彻底解决氢中氧超标、氢气纯度低的问题。
5制氢装置运行优化
制氢装置的运行优化策略包括：
（1）定期化验电解液浓度。防止电解液浓度过大或过小，影响氢气的分离。
（2）定期检测原料水箱的水质。防止原料水的水质变化影响氢气纯度。
（3）每隔6个月对仪表精度调校。用标气对氢中氧、氧中氢的仪表进行标定。
（4）每隔6个月对制氢装置进行冲洗。防止电解槽内碱液太脏，堵塞气体流动，使氢气纯度下降，冲洗时间不少于72小时。
（5）每年对制氢装置的外接管路进行冲洗。防止电解槽内碱液太脏，导致氢气纯度下降。
（6）制氢系统每月第一次启动运行时，值班人员应通知电气专业维修人员对制氢装置制氢小室进行电压测量。在制氢装置的小室电压记录表中，做好小室电压测量的记录，对小室电压进行分析，小室电压异常变化或逐步上高时，应及时分析并采取措施。
6结 论
本研究分析了燃煤火力发电机组中FDQ-10/3.2型水电解制氢装置，氢中氧含量超标的现象，提出控制氧含量的措施，提高氢气纯度和提高制氢装置的安全性。结果表明：
（1）氢气中氧浓度超标的判断方法和流程包括确认氧浓度测量仪表显示数值偏高，排查传感器出问题的因素，排查制氢系统和氢气取样系统存在漏点的因素，检查碱液过滤器滤网、干燥器分子筛，排查碱液密度低或电解槽内存在杂质的因素。
（2）降低氢气中氧浓度措施包括除盐水在线冲洗和制氢装置离线清洗。采用除盐水在线冲洗后，氢气中氧浓度降低至0.34%；采用离线冲洗后，氢气中氧浓度为0.01%。制氢装置采用离线冲洗法，能彻底解决氢中氧超标、氢气纯度低的问题。
（3）制氢装置采用离线冲洗法的内容包括停运制氢装置、启动电解槽补水泵进行冲洗、电解槽氢侧正反冲洗、电解槽氧侧正反冲洗、电解槽氢侧排污口正反冲洗、电解槽氧侧排污口正反冲洗、电解槽配碱泵冲洗、电解槽正冲洗、用四氯化碳对电解槽氢侧及氧侧管路进行冲洗。
（4）制氢装置的运行优化策略包括定期化验电解液浓度、定期检测原料水箱的水质、每隔6个月对仪表精度调校、每隔6个月对制氢装置进行冲洗、每年对制氢装置的外接管路进行冲洗、制氢系统每月第一次启动运行时测量制氢装置制氢小室的电压。
参考文献：
[1]王秋强, 韩冰, 步兵, 张笑华, 赵俊杰. 1.5 MW风电机组发电机的爆炸事故分析与优化[J]. 电力设备, 2017, (3): 154, 156.
[2]郑文军, 王兴, 储继礼, 罗立权, 赵俊杰. 600 MW燃煤火电机组仪用干燥器故障分析与优化[J]. 防护工程, 2017, (33): 285-286.
[3]王政翱, 杨光, 韩啸, 康佳, 柳霞霞, 赵俊杰. 330 MW机组低励限制与失磁保护配合的模型分析[J]. 防护工程, 2017, (36): 153, 155.
[4]谢国峰, 任杰, 李建军, 沈跃军, 杨伟才, 赵俊杰. 亚临界火电机组墙式再热器高温腐蚀分析及优化[J]. 防护工程, 2017, (36): 231.
[5]李孟周, 伏劲宇, 杜杰, 张毅龙, 兰俊生, 赵俊杰. 燃煤火电集控运行精益化管理提升策略研究[J]. 电力设备, 2017, (34): 230, 232.
论文作者:谢国峰,张春玲,王玺廷,李建军,贺延枫,赵俊杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/4
标签：氢气论文; 电解槽论文; 制氢论文; 装置论文; 浓度论文; 离线论文; 纯度论文; 《防护工程》2018年第9期论文;