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1、制氢站工艺流程及工作原理 京玉电厂制氢站设备由河北电力设备厂成套提供 1 主要学习内容 制氢系统主要用途制氢系统概述制氢系统工艺流程制氢系统工作原理制氢站系统调节控制分析仪表工作故障及定期维护说明主要设备简介 2 制氢系统主要用途 一般对于火力发电厂氢冷机组来说 发电机运转时要发生能量消耗 这是有一种能 机械能 转变为另一种能 电能 时所不可避免的 这些损耗的能量最后都变成了热量 致使发电机的转子 定子 定子绕组等各部件的温度升高 因为发电机的部件都是有铜质和铁质材料制成的 所以把这种能量消耗叫做铜损和铁损 为了保证发电机 能在绕组绝缘材料允许的温度下长期运行 必须及时地把铜损和铁损所产生的热
2、量导出 使发电机各主要部件的温升经常保持在允许的范围内 否则 发电机的温升就会继续升高 使绕组绝缘老化 出力降低 甚至烧坏 影响发电机的正常运行 因此 必须连续不断地将发电机产生的热量导出 这就需要采用氢气强制冷却 3 制氢系统概述 制氢装置和贮存系统为发电机提供氢气冷却系统所需的氢气 其纯度和湿度应满足发电机氢气冷却系统的要求 我厂设备为一套完备的制氢工艺装置以及氢气贮存和分配系统 包括氢发生处理器 含电解槽 框架一 干燥装置 碱液泵 框架二 框架三 含除盐水箱 碱液箱 注水泵 氢气贮罐 压缩空气贮罐 除盐水闭式冷却装置以及系统内的电气及控制设备 管道 阀门和仪表等 4 制氢系统工艺流程 电
3、解制氢装置可分为十个子系统 其中包括 气系统 氧气系统 碱液循环系统 气体排空系统 补水系统 冷却水系统 排污系统 储氢系统 充氢系统 除盐水箱补水系统 5 京玉电厂制氢系统工艺流程图 6 京玉电厂制氢站储氢工艺流程图 7 京玉电厂制氢站冷却系统工艺流程图 8 水电解制氢原理 一 氢气的性质 氢气是无色 无臭 无味和无毒的可燃气体 它同氮气 氩气 甲烷等气体一样都是窒息气 扩散性强 还原性强 导热系数高 氢气是一种易燃 易爆气体 在空气中的爆炸极限 上限75 5 下限4 在纯氧中的爆炸极限 上限94 下限4 氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化 爆炸条件 1 在爆炸的范围内2 有热源及明火
4、点 制氢系统工作原理 9 氢气的用途 氢气广泛用于电力 化学 冶金 电子等工业部门在电力工业中 氢气可作为汽轮发电机的制冷却剂 导热系数高 在化学化工方面 氢时合成品 氯化氢 有机合成的氢化反应 和油脂硬化等原料 在冶金工业中 氢气的使用颇为广泛 在有色金属 钨 钛等生产和加工中 使用高纯度的氢气作为还原气 氢气的优点 便于存储和运输 对环境无污染 被誉为 清洁 的新能源 10 氢气制取方法 1 水电解 设备体积小 流程简单 纯度高 杂质少且无污染 但能耗高 产量小 2 氨分解 产气量大 但纯度低 3 甲醇 天然气解列 能耗低 产量大 杂质复杂 不易分离 4 电解率 任何物质在电解过程中 在数
5、量上的变化都是服从法拉第定律 电解时 在电极上析出的物资数量 与通过溶解的电流强度和通电时间成正比 也就是说与通过溶解的电量成正比 G KeItG 化学反应生物量I 通过电流T 通过时间Ke 电化当量 11 水的电解 水的电离平衡式 水存在下面的电离平衡 H2O H OH 将一对电极插入水中 通以电流 氢离子逐渐向阴极移动 在阴极上取得电子被还原为H2 Na 或K 离子在电解液的浓度下 其析出要比氢析出电位负的多 因此阴极上H 先放电 析出氢 OH一逐渐移向阳极 阳极失去电子而被氧化为O2 纯水是极弱的电解质 H 及OH一离子浓度极少 在25 时 OH 1 10 7 M 可以说纯水几乎是不导电
6、的 所以在水电解时必须加入其它的强电解质 如Na0H或KOH 以增强导电能力 12 此时 阳极反应 4OH一 4e 2H2O O2阴极反应 4H2O 4e 2H2 4OH 总反应2H2O 2H2 O2 从反应方程式得出 1 水电解时 产生一份氧气和两份氢气 2 加入KOH或NaOH只起导电作用 在电解过程中不被消耗 13 电解槽分类 1 单极性电解槽 单极电解槽是由外部并联若干个电解槽组成的 而单元电解槽由若干个彼此交替的 彼此平行的阳极版和阴极版组成 对于一个电极而言只能做阳极或阴极 单极性电解槽安装 维修简便 效率低 体积大 14 2 双极性压滤式电解槽 双极性电解槽的极板也是垂直的 互相
7、平行排列 电流只从一端极板导入 通过电极经电解液 传到下个一块极板 由另一端极板输出 每个电极板即产生氢 又产生氧 每个电极既是阳极又是阴极 它使用有绝缘边的隔膜作为电解小室的中间层 这样具有压滤机的结构 所以称双极性压力式电解槽 双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流 槽内电压决定于相邻两电极的电位差 电解槽的总电压为各个小室电压之和 15 工人在组装电解槽 16 串联式 电流小 电压大 17 并联式 电流大 电压小中间接正极 两端接地 本厂使用这种方式的电解槽 电解槽放在框架上 若用串联式 会与框架形成回路 产生电流 而并联式由于两端接地 消除了这种隐患 18 外部结构 我厂电解槽为并联
8、双极性压滤式结构 由螺栓和两块端压板把极板夹在一起 呈圆柱体结构 1 大螺栓 大螺母 弹簧导套 蝶形弹簧等用来将各小室间的垫片压紧 使槽体能承受内压 保证槽体不漏 必须使各螺栓承受有一定的预紧力 而且各螺栓受力要均匀 2 端压板 两端的端压板的作用是承受电解槽的内部压力及密封垫片的密封压力 足够的厚度 电解槽在1 5 3 2MPa压力下工作 承受的压力很大 因此要有足够的厚度 以免变形并保证槽体的密封性 3 输电板 电解槽的中间极板和左右端极板上都焊有输电板 中间极板接直流输出正极 两个端极板接直流输出负极 一般工业上用的电解槽也可采用串联型式 即一端为正极 另一端为负极 正负端极板与端压板间
9、有良好的绝缘 19 内部结构 1 极板 极板是由主极板和极框焊接后镀镍而成 镍是非消耗性电极 在碱液里不会被腐蚀 极板上的乳头起支承副极网 隔膜布和输电的作用 2 阴副极网 用纯镍丝编织而成的 又用等离子喷涂法涂上活化层 使用前要用稀碱液进行活化处理 电化学反应时 在其表面上产生氢气 3 阳副极网 与阴副极网相同 电化学反应时 在其表面上产生氧气 4 隔膜 现行工业水电解槽通常采用石棉布作为隔膜 隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢 氧气体 而不阻止离子运动 石棉隔膜布在30 KOH溶液里长期使用时其工作温度不得高于90 20 5 绝缘密封垫 绝缘密封垫即起绝缘作用 又起密封作用 它是采用特制的塑
10、料模压而成的 也可与石棉布模压在一起 是比较理想的密封材料 6 压片 压片是用来保护极板上的进液孔和出气孔的 当垫片压紧时 保证各通道不被密封垫的塑料因填充而阻塞 7 电解槽内各种孔道的设置 水电解后 各阳极小室生成的氧气和碱液一起通过出气孔经气体环道一同流出氧气出口管 各阴极室生成的氢气和碱液一同流出氢气出口管 8 电解槽采用对角线循环路径 各电解小室碱液循环量均匀 小室电压均匀 21 制氢站系统调节控制 电解槽压力调节 压力变送器由氧气分离器上部空间取得压力信号 经转换输出4 20mA电信号 经过安全栅送给DCS系统 DCS系统将测量值与给定值进行比较和运算 输出4 20mA电信号给氧侧调
11、节阀 气动调节阀 从而调节氧气压力 使氧分离器的压力维持在设定压力下运行 氧分离器压力就是电槽压力 22 氢 氧分离器液位调节 设置液位调节的目的是控制氢 氧分离器的液位 使液位维持在400mm 500mm的高度 从分离器取液位信号送给DCS系统 DCS系统对氢 氧分离器液位进行比较 来控制氢 氧分离器压力调节阀开度 使氢 氧分离器液位维持在设定液位范围内 如氢分离器液位高于氧分离器液位则适当关闭氢分离器侧调节阀 如氢分离器液位低于氧分离器液位则适当打开氢分离器侧调节阀 23 电解槽温度调节 设置温度调节的目的是控制氢 氧侧电解槽的温度 使电解槽温度维持在85 左右 在碱液循环泵出口取得碱液温
12、度信号 送到DCS系统 DCS系统DCS系统将测量值与给定值进行比较和运算 输出4 20mA电信号给冷却水调节阀 来调节电解槽温度 24 氢发生处理器两位两通阀控制 系统运行时出现下列任何一种现象时 氢发生器两通阀打开 氢气排空 整流柜故障 气源压力超下限 电解槽压力超上限 氧气侧槽温超上限 氢气侧槽温超上限 碱液流量低开关动作 系统压力达到设定值时氢 氧液位超上下限 当氢气纯度 99 8 时 电解槽压力与氢管道压力之差大于其设定值且电解槽温度达到50 以上的设定值 整流柜正常运行 系统关闭氢发生处理器两位两通阀开始向储氢罐充氢 25 分析仪表工作故障及定期维护说明 1 电加热元件比较容易损坏
13、 当发现损坏时应及时更换 更换后用氮气试压并进行吹扫 2 长期使用后 2年以上 干操器内的干燥剂会有所减少 可从干燥器加料口填装干燥剂 然后氮气试压 吹扫 3 长期使用后 2年以上 过滤器会因尘粒堵塞造成阻力增加 应该更换滤芯 4 阀门在运行一段时间后会发生外漏或内漏 应定期维修 内漏严重的阀门应当更换 5 运行5年以上的装置 若干燥器的有效工作时间达不到24h 可考虑更换干燥剂 6 控制柜及各种分析仪表的故障处理按各自的说明书进行 26 其他主要故障及其处理 27 主要事项 a 纯化 干燥 装置间严禁明火 操作人员严禁穿钉子鞋入内 b 原料氢气含氧见超过0 5 时 严禁运转设备 以免发生意外
14、事故 c 再生进气温度不得超过350 再生加热终止温度不得超过300 d 当没有氢气流过电加热器时禁止长时间 15s 开启电加热器 以防烧毁电加热器元件 e 装置运行时必须有冷却水流过冷却器 f 各设备 仪表应有良好的接地 28 g 干燥器必须按时再生 尽量不让干燥器超负荷运行 h 设备和氢气管道维修时应在停车泄压 氮气置换后的情况下进行 i 汽水分离器 冷却器要定时排水 自动排水时注意阀门动作是否正常 29 几点补充 1 产品氢含氧量高时 提高脱氧器的伴热温度 如果无效可能由于催化剂失效 更换催化剂 2 产品氢露点不合格 拆开气体过滤器查看下面排污装置是否有水 如果有除去积水 检查干燥器再生
15、温度 时间是否正常 检查干燥器间三通阀是否内漏 防止两干燥器间串气 干燥剂失效 电加热器故障 a 断路器开关未关或损坏 b 继电器不能翕合 c 可控硅故障 d 加热器损坏 30 设备维护 1 当装置正常运转后 操作人员应注意观察装置的运转情况 并按规定的参数条件进行观察与操作 每两小时记录一次 同时注意各种报警 及时发现并处理异常现象 对所有附属设备 各检测仪表与各调节系统经常进行巡视 2 根据用氢量的需要情况 可随时调节整流柜输出电流 但整流柜输出电位器旋转时不能过猛 以防产生过流故障 损坏快速熔断器或可控硅元件 3 整流柜在正常运行中选择开关不可任意变换位置 否则也会发生2条的故障 如需改
16、变整流柜运行状态 则必须把输出电位器均置于零位 才能转换选择开关的位置 31 4 通过手动调节阀调节碱液循环量 注意循环量不能过大或过小 过大会导致氢气纯度下降 过小会使电解槽温度过高而降低隔膜的使用寿命 在正常情况下 经调整好后 不再进行调整 当装置运行一段时间后 若发现槽温较高 而碱温过低 碱液循环量明显下降 即表明碱液过滤器堵塞 需清洗过滤器 5 保持氢 氧分离器液位在液位计可视范围中部 观察自动加水是否王常 6 在正常开车情况下 补水阀处于开启状态 加水泵将水直接送入氢分离洗涤器上部 当氧气温度较高时 打开氧分离器上的补水阀 关闭氢分离器上的补水阀暂时向氧分离洗涤器补水 7 每隔二个月 需用比重计测定碱液浓度 使碱液浓度保持在所规定的范围内 如低于规定值时 需加入适量的碱 32 8 经常观察水箱有无原料水以及冷却水流量是否正常 定期分析原料水的电导率 应满足使用要求 9 经常观察分析仪一次仪表的气体流量是否处于规定的刻度上 干燥剂是否变色 及时调节流量和调换干燥剂及硼酸片 详见分析仪说明书 注意观察氢 氧分析仪所显示的氢 氧气体纯度 当氢气纯度氧气纯度发生明显波动时就需要进行检
