干旱地區TDQ-80/0.5水電解槽的冷卻系統改進

＊黃登高 尹玉國 吳棟 阮皓

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

1.背景

氫氣廣泛應用于電力、化工、冶金和電子等行業，是一種重要的工業原料和工業氣體[1-2]。比如在電力行業，氫氣因質量輕、密度小、比熱容大、磨擦損耗小等優點被廣泛地用作發電機的冷卻介質[3-5]。在化工行業，氫氣是重要的還原劑和加氫原料。在能源領域，氫能做為一種綠色能源，因其高效、清潔、可再生，在未來碳中和的能源結構中將占有非常重要的地位。利用富余的廉價水電、核電、風電和太陽能來電解水制氫，再與燃料電池相結合，是實現氫能經濟的重要途徑。相對鋰電池汽車，氫能汽車有能量補給快，續航長和發動機動力大等優點。

因為能量密度大和使用過程無污染，氫能一直被認為是一種理想的能源之一，它的利用一直被全世界重視。早在幾十年前，發達國家就開展了氫能經濟發展宏觀戰略研究，并制訂了實現氫能經濟長期研發計劃。1990年國際能源署制訂了氫能和燃料電池研究開發和示范實施協議。同年，美國能源部（DOE）啟動了一系列氫能研究項目，并于2001年將發展氫能的重要能源政策，提出2040年美國將實現向氫經濟的過渡。歐盟在2001年啟動的“清潔能源伙伴計劃”氫能交通示范項目，撥款支持10個重點城市的燃料汽車示范項目。我國是世界上氫能利用的大國，在《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》中[6]，國家將氫能產業的發展放在重要地位。在氫儲能應用方面，我國計劃“十四五”在京津冀地區建設氫能應用示范區，同時2022年北京冬奧會已廣泛采用氫能源汽車。在商業上，由于太陽能和風能等可再生能源的間歇性和不易儲存及運輸等特點,需要氫能這種高效清潔的能源載體作為可再生能源和用戶之間的橋梁。同時，利用可再生能源所產生的電能作為動力來電解水是目前最為成熟和最有潛力的制氫技術，被視為通向氫經濟的最佳途徑。

與此同時，由于國際上對能源消費的碳中和追求，光伏發電和風力發電這兩種綠色電力在已有的大規模應用基礎上加速發展，在風電和光伏發電迅猛發展的同時，由于電網建設、電網運行調峰等技術的制約和光伏發電和風力發電的在時空分布的不穩定性，風電消納問題日益突出[7-8]，棄風電和棄光電越來越普遍。在2015年，全國棄風電量339億kW·h，平均棄風率高達15%[9]。到2017年，可再生能源發電量占全國發電量的26.4%，可再生能源與新能源發電棄電量1000億kW·h以上，其中棄風電量419億kW·h，棄風率12%；棄光伏發電量73億kW·h，棄光率6%[10]。顯然，棄電已然成為風電和光伏發電企業面臨的常態，需要尋求合適的方法解決可再生能源棄電問題。儲能是風電和光伏等可再生能源開發利用系統以及實現“智慧能源”的重要組成部分和關鍵支撐技術。目前電力儲能技術可分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能等3大類[11]。常見的物理儲能主要為抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等；電磁儲能主要為超導儲能等；化學儲能主要為各種電池儲能以及制氫儲能等[12]。作為化學儲能的一種，氫儲能不僅儲能容量大、響應時間長，而且沒有運行模式斱面的限制，非常適合用于解決大規模棄電，已成為風能、太陽能等間歇性可再生能源収電儲能領域研究的熱點[13-14]。氫能是最符合綠色開發、更適合普及利用和最可能技術突破的現有儲能技術[15]，配置一定容量的制氫系統能實現增大風電和光伏發電利用率、消納部分棄風、棄光，增加風光電機組利用小時數，得到高能力量密度的可存貯和運輸的高純氫氣[16]。目前，很多沙漠光伏制氫項目，如中石化庫爾勒650MW光伏綠氫示范項目[17-18]，正在全球范圍內展開。

現有的主要制氫技術主要包括化石燃料制氫、生物質制氫、光催化水分解制氫以及電解水制氫等。化石燃料制氫，主要是天然氣制氫、煤焦化和煤氣化制氫，是目前的主要制氫方法。但這些方法流程復雜、投資大、能耗高、碳排放高，制得的氫氣屬于灰氫。生物質制氫產物純度低、氣體提純難，技術尚未成熟。光催化水分解制氫還處于基礎研發階段，制氫轉換效率仍需要提高。水電解制氫憑借生產過程無污染、可規模化生產、低碳、產氫純度高等優點獲得較高市場定位[19]，特別適用于氫氣純度要求高和用量不多的企業[20]。太陽能發電-水電解制氫的成本也比直接光分解水制氫的成本低[21]。

水電解制氫的工作原理是當電解槽的電解小室通入直流電后，電解小室內的水被分解，在陰極析出氫氣，在陽極析出氧氣。水電解制氫是一種成熟的制氫方法。在水電解裝置中，堿性水電解制氫裝置是目前已經大規模應用的成熟制氫裝置。在堿性水電解制氫過程中，隨著電能的電流消耗，一部分電能轉化成熱能釋放到電解液中，會促使電解溫度不斷升高。為了電解裝置系統的穩定運行，需要控制電解槽內電解液維持穩定，多余的熱量就需要通過冷卻換熱帶出電解裝置，冷卻系統就是將富裕的能耗帶出裝置的設備。本文通過對堿性水電解制氫裝置的功耗進行研究，合理選擇了冷卻系統，保障了電解制氫裝置的穩定運行。

2.冷卻系統裝置改進

(1)堿性水電解槽

堿性水電解制氫裝置由蘇州競立制氫設備有限公司制造，設備見圖1。設備參數如下：型號TDQ-80/0.5，設計壓力1.0MPa，實際工作壓力0.5MPa，額定工作電壓115V，額定電流3400A，工作溫度＜90℃，氫氣產量80m3/h，氧氣產量40m3/h，堿液濃度30wt% KOH。

圖1 80m3堿性水電解制氫裝置

(2)舊冷卻系統及其問題

2015年調試TDQ-80/0.5水電解槽時，循環冷卻水系統采用開放式風冷蒸發換熱方式制冷（設備見圖2）。在設備運行十幾天后，發現制氫控制系統出現電解槽槽溫控制不住且持續升高現象。經現場排查發現，冷卻水供水壓力正常，電解槽冷卻水調節閥開度已最大，但電解槽氫氧側堿液溫度已超限值且還在上漲；冷卻水進口溫度升高但沒超過正常值，冷卻水出水溫度卻遠超過正常值。經檢查，電解槽堿液冷卻器板式換熱器內部堵塞，影響冷卻器換熱效果。

圖2 塔式風冷系統裝置

為了解決問題，保障TDQ-80/0.5水電解槽安全運行，當時只能停下實驗，拆開電解槽堿液冷凝換熱器的冷卻水進出水口，加入除垢劑進行浸泡疏通；同時更換冷卻水系統全部冷卻水。但這樣沒有根除問題，只能暫緩堵塞情況，TDQ-80/0.5水電解槽在運行約1個月后再次發生了板式換熱器堵塞問題。

經分析，冷卻水系統堵塞的根本原因是原循環冷卻水系統采用暴露在空氣下的塔式風冷冷卻系統作為冷卻水系統換熱設備（見圖2），以及采用硬水作為冷媒，從而導致冷卻水系統換熱器堵塞，熱交換效率下降。這產生的主要問題包括：①水垢問題：冷卻水系統采用的自來水是干旱區地下硬水，硬水熱交換后升溫后使得鈣和鎂的碳酸氫鹽分解，以及鈣和鎂鹽溶解度下降，在金屬表面沉積出結晶胚，并以此為晶核生長長大，形成在設備內難清理的結垢，再加上冷卻水水大量蒸發損耗和補充，使結垢物不斷增加，從而形成大量水垢堵塞冷卻水系統。在整個冷卻水循環過程中，水垢堵塞是一個重要的問題，不更換冷卻水就不能根治的問題，其形成、沉淀會使冷卻水循環系統運行受到嚴重影響。②腐蝕問題：在整個冷卻水循環系統中，冷卻水是熱交換介質，冷卻水內添加的除垢劑會腐蝕系統中的管道和熱交換設備，并形成新的雜質，加劇了結垢部位的堵塞問題。③菌藻問題：冷卻水在開放的空氣中流動會造成水體中氧含量足，加上空氣中飄來的菌藻種子，會有菌藻產生，再加上夏天氣溫較高，菌藻繁殖速度很快，加重了冷卻水系統堵塞。④污染物混進系統問題，開放式的風冷冷卻塔容易被風吹進沙塵、楊柳絮和草屑等雜質，加重了板式堿液換熱器內部堵塞，影響換交熱。

(3)新冷卻水系統

2020年，新項目準備重新啟用TDQ-80/0.5堿式水電解設備。為了解決該設備在2015年運行時冷卻水系統散熱和堵塞問題，重新采購冷水機和設計了新的冷卻水系統（流程圖見圖3a，設備圖見圖3b），以保障水電解制氫系統的穩定運行。新冷卻水系統有兩套封閉的制冷機，制冷機的制冷功率分別為65kW和120kW。兩臺制冷機組采用并聯結構，共用一個3m3的水箱，制冷機冷卻的冷卻水通過循環水泵和管道輸送至堿性水電解制氫裝置的熱交換器。

圖3 新冷卻水系統流程圖（a）和裝置圖（b）

(4)新冷卻水系統冷卻能力測試

為了測試制冷機和冷卻水的制冷能力，以及冷卻水系統維持水電解制氫裝置和其它設備運行的穩定性，對新冷卻水系統的制冷能力進行測試。

在測試中，制冷功率為65kW和120kW的制冷機單獨運行，分別考驗兩臺制冷機的制冷能力。測試設定冷卻水溫度為16±3℃，水電解槽的堿液冷卻目標溫度設定為65℃。啟動TDQ-80/0.5水電解制氫系統，運行電流分別設置為1000A、1500A、2000A、2500A、3000A、3400A（額定運行電流），監測冷卻水水溫變化情況。

65kW制水機制冷能力測試結果如下見表1。可以看出，TDQ-80/0.5水電解槽的運行電解電流不大于2000A時，65kW制水機的制冷能力能滿足水電解槽運行要求。當水電解槽的運行電解電流大于2500A時，制冷機的冷卻水出口溫度超過了最高設定值。這說明，水電解槽的電流大于2500A時，65kW制水機的制冷能力則不能滿足水電解槽冷卻要求。也就是說，65kW冷水機組只能滿足80m3/h電解制氫系統60%左右產能的換熱需求。

表1 不同電解電流下65kW制冷機的冷卻水出口溫度

120kW制冷冷機的制冷能力測試結果見表2。從表2可以看出，在水電解槽的任何運行電流下，制冷機的冷卻水出口溫度不超過最高設定溫度19℃。因此，120kW制冷機能滿足TDQ-80/0.5堿式水電解設備任何運行電流的制冷需求。

表2 不同電解電流下120kW制冷機的冷卻水出口溫度

總之，通過測試發現，兩臺冷水機組單獨運行情況下，120kW制冷機能滿足TDQ-80/0.5水電解槽的堿液溫度控制需求，65kW制水機可以作為備用制冷機，只能滿足TDQ-80/0.5水電解槽60%功率需求。在實際應用中，這兩臺制冷機很好的保障了TDQ-80/0.5水電解槽滿功率運行了1年。

3.結論

通過運行情況比較，本文發現，在水硬度高的干旱地區不適合采用敞開的塔式風冷制冷機作為水電解槽的冷卻裝置，硬水不適合作為冷卻水。塔式風冷制冷設備因為沙塵、菌藻、雜物和硬水結垢堵塞設備，造成冷卻水系統制冷能力不足，無法保障水電解槽穩定運行。本文采用制冷功率為65kW和120kW的兩臺制冷機并聯搭配使用來替代塔式風冷制冷機，用純凈水替代自來水做冷卻水，測試表明新冷卻水系統滿足了水電解槽的制冷需求。