制氢设备氢气湿度高的原因分析及对策

【摘 要】本文针对制氢设备电解出来的氢气经干燥器处理后露点一直达不设计值的情况，从仪表、吸附剂以及冷却系统设计等方面进行分析，找到问题形成的原因，并提出了解决办法。经过对冷却系统的改造，使产氢露点达到了设计值要求，确保新鲜氢气露点满足发电机安全运行的要求。

【关键词】氢气；露点；冷却分离器；改造

茂名热电厂安装有5台3×100MW+1×200MW+1×300MW国产发电机组，发电机采用水-氢-氢冷却方式，与之配套的是两套由苏州竞立制氢设备有限公司生产的DQ10/3.2型制氢设备。

制氢设备生产工艺流程如下：原料水送入原料水箱，由原料水箱通过出口阀进入管道，经补水泵注入氢氧综合塔，再由氢氧分离器下部管道流经碱液循环泵、碱液过滤器等最终进入电解槽，由电解槽在直流电的电解下产生氢气及氧气。氢氧气分别经过管道进入碱液冷却器冷却、氢氧分离器分离、综合塔冷却、洗涤，进入气水分离器一级除湿，再进入装满13X型吸附剂的干燥塔进行二级除湿，至露点合格后进入贮存罐备用，氧气经氧出口管道由调节阀输出，根据用户的使用状况选择放空或储存使用。

1 概况

本套制氢设备于2003年建成投运。一年多来，因其自动化程度高，稳定性好，故障率低，运行可靠性较高，但存在氢气露点超标问题。根据DL/T 651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》，氢站产出氢气露点应不大于-50℃。但设备试运一年多来，从干燥塔出来的氢气露点一直达不到设计值，氢气露点长期在-35℃以上。

从保证机组安全可靠运行这一前提上讲，湿含量不合格甚至严重不合格的氢气，不允许充入发电机内。因为就发电机定子短路事故而言，谁也不能保证在湿氢气经循环干燥由不合格达到合格这段时间内机组不会发生问题，而就发电机转子护环的应力腐蚀问题而言，即使护环是间断性地在湿氢气中运行，由于其危害作用具有“积累效应”，因而势必影响机组的安全运行和使用寿命[1]。

目前氢站产氢露点长期不合格的问题成为我厂发电机组安全运行的一个隐患。

2 原因分析

制氢机干燥除湿单元构成是吸附干燥器两组并联，一组吸附除湿，另一组被加热再生，吸附干燥塔在常温下工作，额定气量连续工作24小时。24小时自动切换阀门一次，上一运行周期投运失效的干燥塔切换为对13X分子筛加热去水，然后经氢气吹冷至常温，从而得以再生。

针对氢气露点长期不合格的问题，笔者进行深入细致的技术分析，原因有如下几点：

2.1 初步怀疑是在线露点仪测量不准，经过更换进口在线仪表以及用实验室便携仪表比对测量结果，发现从干燥塔出来的氢气露点还是在-35℃以上，说明在线仪表测量是准确的。

2.2 其次从吸附材料方面查找问题，将两个干燥塔内13X分子筛全部卸出，对分子筛外观进行显微镜观测，颗粒粒径、外观颜色基本正常。为慎重起见，换上新购的13X分子筛，装复后进行试运，问题依然存在。

2.3 从干燥冷却单元设计方面分析，出现露点不合格的原因有以下两种情况：一是，冷却分离器冷却面积不足，经过反复测量，符合设计规定；二是，冷却水水温过高，设计要求冷却分离器进水温度≤25℃。实际情况是，我厂工业冷却水温度全年约3/4时间水温>25℃，氢气中水蒸气经过该冷却分离器无法冷凝成水珠是有可能的。因此必须对原设计的冷却系统进行改造，由于我厂处于南方地区，工业水采用开式循环冷却，致使冷却水温无法降到25℃以，为了要达到同等冷却效果，必须增加冷却面积，让水蒸气充分冷凝，以满足机组用氢的质量要求。

3 对策

3.1 改造方案

经过对原有设计系统图的详细研究，笔者认为在气水分离器与干燥塔之间增加一个冷却分离器，进行预除湿以及分离氢气中残余碱液，减轻后级干燥塔吸附工作压力，从而达到降低氢气中含湿量的目的，同时也可以避免残余碱液对后级气动阀门的腐蚀。

图1 改造前系统图

3.2 方案实施简介

3.2.1 停止电解槽运行，排尽系统压力，关闭冷却水。

3.2.2 用氮气吹扫系统，直至氢气含量低于2%。

3.2.3 切断原有汽水分离器至干燥器的氢管路，引两根Φ14不锈钢管至新增加的冷却分离器的进出口。

3.2.4 在冷却水母管加装1个Φ14的三通，引一路冷却水至新增加的冷却分离器入口，出口接一段管子排入地沟。

3.2.5 切断原有汽水分离器至水封槽的疏水管，加装一个三通，在汽水分离器底部排水口加装一个DN10针形阀，引一段Φ18的不锈钢管至三通。

3.2.6 改造完毕后，系统充氮气试压。在1.05倍工作压力下，保持30分钟压力不下降，说明系统严密性良好。

图2 改造后系统图

4 改造效果

干燥塔冷却系统改造后，经试运，氢气进入原干燥塔前，先经过新增加的冷却器冷却并定期疏水，在进入原有干燥塔除湿，新鲜氢气露点约1小时可达-50℃以下，干燥塔失效转再生运行约需2小时氢气露点也可达-50℃以下，改造后氢气露点有关运行参数详见表1：

从表1的数据看，经过此次改造，制氢机产氢露点满足发电机用氢质量要求。

5 结束语

该制氢设备配置的干燥系统对南方地区过高温度的工业冷却水考虑不周，原设计仅有一套冷却器，无法满足运行要求，同时氢气中存在的残余碱液对后级气动阀门产生腐蚀，造成维护成本高。本次改造针对南方地区常年高温的实际情况，增加了一套制氢冷却系统，使制氢机性能更加完善。对其他工业水温度高的电厂类似问题有很好的参考意义。

【参考文献】

[1]李佩瑾，李文秀.如何解决氢冷汽轮发电机的氢气湿度问题[J].东北电力技术，1998（1）.

[2]陈国平.发电机氢气湿度高的原因及处理[J].电力安全技术，2006，8（2）：44.

[3]周鹏飞，梁平，汪立军.氢冷发电机新型氢气干燥技术[J].电力情报，1999（1）.

[4]陶北平，黄伟民，张汇霞.气体的吸附干燥[J].低温与特气，2003（01）.

[责任编辑：刘帅]

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