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制氢系统设备及运行操作、事故处理
发布时间：2011/4/5  阅读次数：6608  字体大小: 【小】 【中】【大】
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10.4.1 水电解制氢装置用途
水电解制氢装置所制氢气可广泛用于电力、电子、冶金、化工、建材、宇航、原子、气象等需要氢气的行业，做为冷却气、保护气、原料气、还原气和燃料气。
10.4.2 水电解制氢装置工作原理
10.4.2.1 水电解制氢原理
电解水是直流电通过KOH或NaOH水溶液将水分解为氢气和氧气的过程，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+1/2 O2
10.4.2.2 氢气干燥工作原理
氢气干燥是把水电解制取的氢气，利用分子筛采用常温吸附法去除氢气中的水份。其原理如下：由于水分子具有很强的极性，利用分子筛对水的强亲和力的特性，当含有水份的氢气通过分子筛床时，其中所含的水份被分子筛吸附，达到氢气干燥目的。由于当分子筛吸附水达到饱和后，需要再生才能重新使用，故本系统采用加热再生的方法，将分子筛中吸附的水份解析，从而达到干燥系统连续使用的目的。
10.4.3   FDQG-10 /3.2-IV型水电解制氢干燥装置系统详述：
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、仪表气源系统五部分组成。
10.4.3.1 氢气制备及干燥系统
氢气制备及干燥系统主要由水电解制氢、干燥部分，供配电及控制部分和加水配碱部分构成。
10.4.3.1.1 水电解制氢、干燥部分（制氢干燥装置框架）
该部分由电解槽，氢、氧分离器，碱液过滤器，碱液冷却器，氢、氧气体冷却器，氢气、氧气捕滴器，氢气、氧气汽水分离器，氢、氧碱液循环泵，干燥器A，干燥器B，气体干燥冷却器A、B，氢气过滤器等和相关仪表、阀门组成。
10.4.3.1.2 供配电及控制部分
供配电部分由动力柜，配电柜和可控硅整流柜组成。
10.4.3.1.3加水配碱部分（补水配碱系统框架）
加水配碱部分由原料水箱，碱液箱，配碱泵，补水泵组成。
10.4.3.2   除盐水冷却系统
除盐水冷却系统主要是由除盐水箱、板式换热器、除盐冷却循环泵A、B、阀及相关仪表组成。它是保证制氢干燥系统中气体冷却器A、B、碱液冷却器A、B和干燥冷却器A、B冷却水的用水。
10.4.3.3   气体分配系统
减压系统主要由气动薄膜调节阀，自动球阀及相关仪表组成，为保证用户的正常供气该系统设置了两根供氢母管、和两个备用接口供给汽机房。
经干燥系统处理后的氢气通过气体分配系统进入储气系统，并通过相关仪表检测实现储气系统工作压力均衡。当用户需要用气时，通过相关仪表检测控制，从储气系统供给用氢单元。该部分内采用相关仪表检测用户供氢母管压力，实现供气母管的压力均衡及稳定。供气压力：0.8~1.0MPa，最大供气量:
10.4.3.4   储气系统
储气系统主要由氢气储罐及相关的仪表阀门组成，该系统由3台容积为13.9m3氢气储罐、组成，氢气储罐保证了非正常情况下用户用氢的要求。
10.4.3.5   仪表气系统
本系统主要由空气罐及相关仪表阀门等组成，为整个系统提供仪用压缩气源。
10.4.3.6   制氢干燥部分主要设备的功能简述
10.4.3.6.1 电解槽
电解槽是水电解制氢主体设备,在槽体内充入30%KOH电解质水溶液，在直流电解作用下水被分解,阴极表面产生氢气,阳极表面产生氧气。此设备为电解系统的核心部件。
10.4.3.6.2 氢/氧分离器
分离原理：氢气、氧气均为难溶于水的气体，碱液和气体凭借各自的重力和浮力进行有效的分离。
10.4.3.6.3 氢、氧气体冷却器
作用：通过热交换过程，把氢，氧气体的温度降下来，有利于下一工序的进行，并满足用户用气安全温度的要求。温度由90℃左右降至35℃左右。
10.4.3.6.4 氢、氧捕滴器
作用：氢氧气体经过冷却后，温度降低，使气体中的水蒸汽形成液滴，通过捕滴器除去液滴，降低气体的含湿量。
10.4.3.6.5 碱液过滤器
作用：过滤器主要是通过滤芯过滤掉碱液中的机械杂质，保护电解槽通道的畅通。过滤器的过滤精度：100目滤网。
10.4.3.6.6 碱液冷却器
作用：电解液经过碱液冷却器，冷却到70℃左右，使电解槽在额定温度下正常工作。
10.4.3.6.7 干燥器A、B
作用：分子筛（吸附剂）在常温下吸附氢气中的水份，使氢气露点达到-50℃的要求。再生采用电加热再生。再生温度控制在250~300℃左右。
10.4.3.6.8 氢气冷却器A、B
作用：干燥器再生时，由于温度较高，为保护阀内密封件和分子筛的吸附工艺要求，需要将气体的温度降下来。经冷却后的气体温度约为35℃。
10.4.3.6.9 碱液循环泵A、B
作用：碱液循环泵是为水电解制氢系统中碱液循环提供动力的专用设备。该泵的额定流量： ，扬程： 。
10.4.3.6.10 补水泵
作用：补水泵用于在水电解制氢过程中补充消耗的水和补充必需的碱，该泵为柱塞泵。型号为：BZ-210。输出压力大于系统压力。
10.4.3.6.11 配碱泵
作用：与碱液箱实现配碱功能，并有系统开车注碱、停车抽碱的作用。该泵为磁力泵。型号25CQ-15。额定流量： ；扬程: 15m。
10.4.3.6.12 原料水箱
作用：用于水电解制氢装置盛装原料水,以便及时的补水，配碱工作。
10.4.3.6.13 碱液箱
作用：用于水电解制氢装置盛装碱液或配置碱液。
10.4.3.6.14 阻火器
作用：用于氢气放空时阻挡外界明火，防止火焰回烧到系统内，保证设备安全运行。
10.4.3.6.15 氢气排水水封
作用：为湿式组火器，起切断火焰和安全排气作用。
10.4.4   制氢干燥系统工作流程
10.4.1 制氢干燥部分的主机电解槽由供配电部分提供直流电源，其具体连接顺序为380V，50Hz，三相五线电源接入供配电部分抽屉式配电柜，分别供给DCS系统、动力柜可控硅整流柜电。系统的电解电源由可控硅整流柜提供。输出电流为920A的直流电，单位直流电耗约为 。该过程完成了供配电部分给电解槽提供电解用直流电源的功能，并根据电解槽的负荷要求，通过调节可控硅整流柜的输出值，即可实现产氢量的调节。
10.4.2 制氢干燥部分的主机电解槽由配碱泵提供30%浓度KOH溶液，系统停车时由配碱泵完成碱液回收的工作。由补水泵提供在电解过程中消耗的水及系统损失的碱。
10.4.3 配碱：
在碱箱中加入根据系统用量而计算的水，启动配碱泵，进行碱箱中水的循环，进行系统的动态配碱工作，此时阀门的状态为：（此前系统中所有手动阀门处于关闭状态）碱箱出碱门、回碱门开启，若配碱泵的工作正常，水的循环正常，少量多次地加入配置30%KOH溶液所需要的KOH的量，直至配碱工作完毕。当碱液的比重达到1.281时，配碱工作结束。配碱结束时先停配碱泵，然后关闭碱箱出碱门、回碱门，至此配碱工作结束。KOH的量（按100%计算）=30%×溶液的体积×溶液的比重。所需要KOH 约52Kg;
注：30℃时，15%KOH溶液比重为1.18（系统稀碱开车时碱液浓度及比重）。
30℃时，30%NaOH溶液比重为1.281（系统浓碱开车时碱液浓度及比重）。
10.4.4 注碱
注碱前系统状态：停车、常压、纯水清洗、氮气置换完毕。
配碱完毕后，根据需要，配碱泵将配好的碱液打入系统中，且注意碱液在氢氧分离器中的液位。（液位通常控制在液位计的1/2处）此时阀门状态为：开启碱箱出碱门、配碱泵出口门、电解槽氢侧碱液进口二次门、电解槽氧侧碱液进口二次门、电解槽氢侧碱液进口一次门、电解槽氧侧碱液进口一次门、氢气气水分离器排气门、氧气气水分离器排气门（其他阀门关闭）。当液位达到氢、氧分离器磁翻转液位计指定高度（液位通常控制在液位计的1/2处）时关闭配碱泵并关闭阀门碱箱出碱门、配碱泵出口门、电解槽氢侧碱液进口一次门、电解槽氧侧碱液进口一次门。打开A、B碱液循环泵进口门。然后适当打开氢侧碱液过滤器顶部排空气门、氧侧碱液过滤器顶部排空气门，当阀门口有碱液向外溢出时关闭两排空气门，再打开碱液循环泵的排气阀门，以排除系统管线中的气体。最后关闭氢气气水分离器排气门、氧气气水分离器排气门，系统注碱完毕。
10.4.5 碱液从系统回收至碱箱
系统状态：停车、常压、氮气置换
当系统的设备需要维修或有其他要求，系统碱液需回收时，启动配碱泵将系统碱液抽回碱箱。此时阀门的状态为：开启退碱门 、回碱门、电解槽氢侧进碱一、二次门、电解槽氧侧进碱一、二次门、氢气气水分离器排气门、氧气气水分离器排气门，此时补水配碱及制氢系统中其余阀门关闭。当碱液完全回收后，停配碱泵，关闭退碱门、回碱门，结束碱液回收工作。
10.4.6 制氢干燥过程（该过程进行前必须用氮气置换）。
10.4.6.1 制氢过程
以下手动阀门为开启状态：电解槽氢侧进碱二次门、电解槽氧侧进碱二次门、A、B碱液循环泵进口门、氢氧分离器补水手动门、氧槽压力变送器进口手动门、氢分离器液位变送器上进口门、下进口门、氧分离器液位变送器上进口门、下进口门。
此时系统内充氮置换完毕，气动球阀、气动薄膜调节阀由PLC控制。
上述阀门状态开启无误，闭式循环冷却水装置、仪表气系统开始工作，且工作正常，启动碱液循环泵A、B，在泵的强制作用下实现制氢过程的碱液循环。
碱液循环流程如下：
碱液在碱液循环泵A、B作用下由氢、氧分离器经碱液泵A、B过氢侧碱液过滤器、氧侧碱液过滤器、氢侧碱液冷却器、氧侧碱液冷却器打入电解槽电解小室，经电解后形成氢气与KOH的混合液（或氧气与KOH的混合液）流回氢、氧分离器，混合液在氢、氧分离器经气液分离后液体经泵重新打入电解槽进行电解过程。
电解过程碱液的循环回路：
  

          

  
  
  
气体流程：
氧气经氧气体冷却器，氧气捕滴器过氧汽水分离器将冷凝水排放后，再经氧分离器压力调节阀调节开度，控制系统的压力；当系统压力达到设定值时，调节阀门将氧气放入大气。实现系统压力的自动调节。
注：（1） 其中氧气气水分离器排污一、二次门根据程序的要求，自动启闭，实现冷凝水的排放。
（2） 通过氧分离器压力调节阀的开度控制系统的压力，保持系统内的压力。
氢气经氢气冷却器，氢气捕滴器过氢气气水分离器将冷凝水排放后，再经氢分离器液位调节阀调节开度放入大气，实现制氢系统液位的控制。
注：（1）其中氢气气水分离器排污一、二次门根据程序的要求，自动启闭，实现冷凝水的排放。
（2） 通过氢分离器液位调节阀的开度控制氢、氧侧液位的平衡。
10.4.6.2 干燥过程
干燥部分按常温吸附法去除氢气中的水份，用电加热方法根据分子筛再生的原理实现系统内氢气干燥的目的。干燥系统主要由两台吸附干燥器A、B、氢气干燥冷却器A、B和氢气气体过滤器及相应的阻火器、仪表、阀门组成。
干燥部分两台吸附干燥器A、B一台工作，另一台再生（原料气再生，无氢气排放），互相切换，交替工作，连续供气。
10.4.6.2.1 干燥器A工作，干燥器B加热再生过程。
电解氢气经制氢系统干燥器B再生阀进入干燥器B进行内部分子筛的加热再生，气体经氢气气体冷却器B通过干燥器B工作入口阀、干燥器A工作入口阀进入氢气气体冷却器A后再进入工作干燥器A进行吸附干燥，通过干燥器A出口阀再经氢气气体过滤器过滤进入下一环节。氢气中的水份在气体冷却器中凝结经干燥器A、B排污阀定时排放，通过排水水封排凝。
10.4.6.2.2 干燥器A工作，B吹冷过程
上一过程阀门工作状态不变，停止干燥器B的加热，进行干燥器B的吹冷过程，氢气流程不变。
10.4.6.2.3 干燥器A工作，干燥器B自冷过程
在上述流程阀门状态下，关闭干燥器B再生阀、干燥器B工作入口阀，打开干燥器工作入口阀，氢气经干燥器工作入口阀进入干燥器A进行吸附。干燥后的气体通过干燥器A出口阀、氢气气体过滤器继续提供干燥的气体。
10.4.6.2.4 以下为工作流程：
a.           干燥器B加热，加热时间8~10小时，干燥器A吸附过程
b.         干燥器B吹冷，吹冷时间2~4小时，干燥器A吸附过程
c.         干燥器B自冷，自冷时间10~14小时，干燥器A吸附过程
d.         干燥器A加热，加热时间8~10小时，干燥器B吸附过程
e.           干燥器A吹冷，吹冷时间2~4小时，干燥器B吸附过程
f.             干燥器A自冷，自冷时间10~14小时，干燥器B吸附过程
10.4.7   N2置换流程
系统状态：停车、常压，纯水清洗（系统充水至分离器液位1/3处或更高，这样可减少氮气置换时的氮气用量，并减少相关阀门的操作数量）。系统外连阀门全部关闭，内部阀门打开。通过充氮气动阀向系统内充氮气，系统压力升至0.5MPa ，关闭充氮气动阀，打开氢、氧侧自动放空阀释放压力，当压力到达0.2MPa时, 关闭氢、氧侧自动放空阀，再次打开充氮气动阀向系统内注入氮气至0.5MPa，释放到0.2MPa，此工作重复3~5次，置换过程结束，进入下一程序阶段。
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