電解水制氫在核電站中的應用和運行要點

摘 要： 氫氣因其顯著特性在核電站有重要應用，制氫站包括氫氣生產、貯存及分配系統裝置。總結了系統操作要點，需注意通風禁火等安全事項、啟機時進行氮氣吹掃除氧、運行時重點關注氫氣純度、堿液溫度、堿液循環量和氫氧液位。

關鍵詞： 制氫站;氫氣;堿液

1. 氫氣在核電應用

某核電工程兩臺百萬千萬機組共用制氫站，用于發電機冷卻和化容系統脫氧。氫氣具有通風損耗小、傳熱快、不助燃、制取方便等優點，發電機采用氫氣冷卻具有較為廣泛的應用。氫氣通過發電機轉子上的軸流風機循環，汽輪機端的多級軸流風機可提供充足的壓力進行高效通風。熱氫通過軸流風機從汽端抽出后通到氫冷卻器，從冷卻器中冷卻的氫氣回到勵端，然后冷卻定子鐵芯和轉子。在化容系統中，氫氣以一定壓力覆蓋控制箱，用于向一回路冷卻劑加氫以降低溶解氧濃度。

2. 氫氣技術要求

氫氣質量要求如下：純度（H2+D2）大于99.95% （按體積計），最高供氣溫度45℃，露點溫度小于-65℃，氧含量小于5ppm（按體積計），氮含量小于100ppm（按體積計）。單臺核電機組運行時的年氫氣消耗量 650 Nm3，單臺核電機組按每年兩次啟動計的氫氣用量 140 Nm3，常規島單臺汽輪發電機組的-次充灌用氫量 810 Nm3，常規島兩臺汽輪發電機組正常運行時的 30 天補氫量 1200Nm3。按一臺汽輪發電機組一次充灌量和兩臺汽輪發電機組正常運行 30 天補氫量考慮，常規島正常貯存量 2010Nm3。

3. 制氫系統設備

根據以上氫氣技術要求、消耗量和貯存量，核電工程采用兩套制氫設備、三個中壓臥式氫氣貯罐和一個氫氣分配裝置。制氫設備按10Nm3/h的額定氫氣產量進行設計，由框架制氫裝置、氣體減壓分配裝置、補水配堿裝置、氮氣吹掃裝置、整流裝置、控制柜、配電裝置、計算機管理系統及冷水機組組成。制氫裝置由電解槽、氫、氧分離器、氫洗滌器、循環泵、堿液過濾器、干燥器、冷卻器、氣水分離器、氫氣過濾器等組成。以集氣管的形式對氫氣進行匯流與分配，其中一個集氣管匯流外購氫氣，然后送至中壓貯氫罐儲存以備使用;另一個集氣管對貯氫罐送來的氫氣經減壓后進行分配。

4. 制氫系統運行要點

在正常運行狀態下，操作人員需經常觀察運行情況，正確操作，及時記錄各參數及異常情況，一般每小時記錄一次，遇到異常情況應及時停機處理。

4.1 安全事項

制氫間應通風良好，并采取相應的防爆措施。如防爆燈和安裝報警器等。運行時不得進行任何修理工作，如若進行修理應先停車，分析制氫間的氫氣濃度是否低于爆炸極限，同時必須通氮氣排除裝置和管道中的氫氣和氧氣，分析合格方能作業。制氫間嚴禁明火、吸煙、穿釘子鞋，操作人員不宜穿合成纖維、毛料工作服。嚴禁金屬鐵器等物相撞擊，以免產生火花。

嚴禁氫氣、氧氣由壓力設備及管道內急劇放出，以免造成爆炸或火災。氫氣系統運行時，不準敲擊，不準帶壓修理，嚴禁負壓。保持電解槽表面清潔。嚴防任何金屬導體或其它雜物掉到電解槽上，以免造成短路。嚴禁堿液掉到極板間或極板與拉緊螺栓之間。

4.2 氮氣吹掃

啟機時，需進行氮氣吹掃。氮氣吹掃的目的是為了清除設備內的氧氣。將純化部分與外部連接的所有閥門關閉，內部閥門全部打開，向裝置內充入氮氣至0.5MPa。通過排氣閥將裝置內氮氣減壓至0.1MPa至0.2MPa。另需對氫氣減壓分配裝置和4氫氣儲罐進行氮氣吹掃。以上均需重復操作4次以清除氧氣。

4.3 氫氣純度

氫氣的含氧量不得高于0.2%，含氧量高于0.2%的氫氣不得進入純化部分。氫氣經氣水分離器濾除游離水后進入脫氧器，脫氧器內裝填有可催化氫氧反應進行的鈀觸媒高效催化劑，脫氧器內裝有電加熱元件，經加溫后，氫氧反應生成的水以氣態被氫氣帶出脫氧器，進入冷卻器。原料氫氣的干燥在干燥器內完成，采用三臺干燥器，在一個循環周期內，每臺干燥器都依次經歷工作、吸附、再生狀態，從而實現整套裝置工作的連續性。經純化后氫氣中氧含量小于5 ppm，方可進入儲罐，否則排空處理。

4.4 堿液溫度

電解槽正常運行溫度范圍為80℃至90℃。溫度過高會造成電解槽損壞，超過92℃時系統將自動停機。當氫、氧分離器中堿液溫度差大于10 ℃位，或槽溫與分離器溫度差30 ℃以 上時，應清洗堿液過濾器。清洗堿液過濾器應在停機時進行，首先關閉過濾器進蓋，取出濾芯用自來水沖洗干凈，再用原料水清洗一遍。如電解槽溫度過高，可能是冷卻水流量不足或冷卻水溫度過高，需調節冷卻水量，降低冷水機組的冷卻水溫度。

4.5堿液循環量

電解制氫裝置所采用的電解液為KOH溶液，溶液中的KOH起催化劑的作用，并不參與電解反應，故理論上并不消耗[1]，僅需進行補水。注意堿液循環量不能過大或過小，需保持0.45m3 /h至0.65m3 /h。堿液循環量過大，則氫氣分離器和氧氣分離器中氣體和堿液不充分分離即進行再循環，混合后重新進入電解槽。過小會使電解槽溫度過高而降低隔膜的使用壽命，可通過手動調節閥調節循環量。

4.6 氫氧液位

氫氧分離器正常液位范圍270mm至370mm。因氫氣分離器和氧氣分離器直接與電解槽連通，如二者液位差較大，使得高壓側液體滲透隔膜與低壓側液體混合，進而使得飽和氫氣堿液和飽和氧氣堿液在電解槽或氫氧分離器中混合[2]，可能會存在爆炸風險。

5結語

本文介紹了某核電站機組電解水制氫的用途和設備，能滿足核島一回路化學和容積控制系統和常規島汽輪發電機組氫氣冷卻系統對氫氣的需求，為機組的安全經濟運行提供了保障。結合在長期制氫工作經驗，總結了系統操作運行要點，可為同類電解水制氫設備運行人員參考。

參考文獻：

[1] 陳士英. 水電解制氫設備工藝流程及常見故障排除 [J] .內蒙古科技與經濟，2011（4）：93-94.

[2] 韋振華. QDQ2-1型水電解制氫設備常見故障分析及其維護 [J]. 氣象研究與應用，2012（33）：215-216.

【作者簡介】魏雷（1986.11～），工程師，研究方向為核電項目管理