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发电机的氢冷却
日期：2024-05-04 10:14
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摘要：
发电机的氢冷却
早期制造的发电机组大都采用空气冷却，由于空气的导热能力小、摩擦损失大，故随着单机容量增大，必须加大空气流量，导致发电机的尺寸相应增大。如在二十世纪三十年代原苏联制造的一台100MW的空冷发电机组，铁芯尺寸达到了⒍0m左右。二十世纪中期以后，人们采用了氢外冷技术，由于氢气轻，热容量大和摩擦损失小，使单机容量从100MW提高到200MW。如美国肯斯顿电站曾安装了一台200MW的氢外冷机组，并认为这是定子、转子采用氢外冷的*大极限容量。直到二十世纪五十年代末期，人们在转子和定绕组上采用了直接冷却技术，并将氢气压力加大到0.4~0.5Mpa,才使单机容量从200MW提高到1000~1200MW以上。因此，掌握发电机的冷却技术，对维护发电机的**、经济运行是非常有益的。
湖南 阳电厂现有两套DQ-4型制氢装置，因设备老化出力不足（大约⒉5~3Nm2/台·h），而200MW机组耗氢量*大约为60Nm3/d。为保证氢冷发电机组**运行，本期工程考虑对原制氢站进行扩建。
本期工程扩建的机组为300MW，其冷却方式为定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷的水——氢——氢型，额定氢压为 允许*大氢气压力为 ，要求氢气纯度，氢气湿度，启动前一次充氢气量。发电机和管路系统漏氢量：在额定氢气压力下保证值为 。
制氢站的扩建工程为一台 ，供二期工程发电机正常补氢及运行起动充气之用，原一期设备两台 型作为备用。但制氢站按两台制氢及装置容量规划，土建分期建设。考虑到电厂在施工及检修期间需要氧气量较大，故考虑回收利用氧气。本期设计设置一套 型制氢装置，配容积为 的氢气储罐 个和 的氧气储罐 个。其主要技术性能如下：氢气产量 、氧气产量 ；氢气纯度 、氧气纯度 ；电解槽工作压力为。
**节 发电机的冷却方式与热量传递
一、 电机的冷却方式
由于提高发电机的单机容量，靠增大发电机体积以增加铜线绕组和铁芯容量的办法，受到了加工、运输、安装等条件的限制，所以只有增加铜线绕组的电流密度。而绕组的电流密度愈大，由它所产生的热量也愈多。因此，只有采用有效的冷却介质，才能提高发电机的功率。
汽轮发电机的冷却介质主要有氢气和冷水两种，而其冷却方式又分为外冷式和内冷式汽轮发电机两种。有关冷却介质的性质在下面介绍。
1外冷式汽轮发电机
外冷式又称表面冷却式，其冷却介质为气体（空气或氢气），气体在绕组导线和铁芯的表面流过时与发热体接触，吸收发热体表面的热量后随流动的气体带走。所以，表面表面冷却只有发热体产生的热量全部导至物体表面时才能被气体冷却，为提高冷却效果，应尽量增大接触面积。
外冷式发电机是由安装在转子轴上的风扇压入（称压入式）或抽出（称抽出式）后，通过各部分的冷通道，对发电机进行冷却。被加热了的气流又经过热通道进入水冷却器，热量由水带出，冷却后的气体再经过冷通道被风扇压入或抽出，在发电机内部形成一个密闭式的循环通风系统。其中抽出式冷却系统常用于定子，转子线圈均采用水冷而铁芯采用氢外冷的发电机组。
如果按气流沿定子流动的主要方向来分，氢外冷又分为轴向通风、径向通风和周向分区径向通风三种。
目前氢外冷常用于单机容量为100MV以下的汽轮发电机组，氢压一般为0.15~0.20Mpa，其冷却效率比空气冷却提高0.6%~1.0%。所以，100MW以上的汽轮发电机组多采用氢内冷或水内冷。
2内冷式汽轮发电机
内冷式又称直接冷却式，其冷却介质为气体（空气或氢气）或液体（水或油）。它是将定子和转子的绕组导线做成中空式，让氢气或水通入导线内部直接将热量带出。而定子和转子的铁芯内冷则是利用开孔和开沟槽，将冷却气体用风扇压入各个被冷却部位，以提高冷却效果。因为单机容量提高以后会伴随着电压等级提高和绝缘层厚度增加，从而使绝缘层上的温降上升，绕组温升增大，影响机组的长期**运转。
内冷式不仅能提高冷却效果，而且扩大了冷却介质的种类，如氢气和纯水，也可两者同时应用。目前有以下四种类型的发电机组：
⑴定子氢外冷，转子氢内冷式的发电机组
⑵定子和转子都是氢内冷式的发电机组
⑶定子水内冷，转子氢内冷的发电机组
⑷定子和转子都采用水内冷式（双水内冷式）的发电机组
下面介绍几种氢内冷的通风系统：
⑴全轴向氢内冷通风系统。这种通风系统是冷却气体（氢气）在高压风扇的作用下，从定子线圈的一侧进入轴向风道，流入定子线棒全长后，从线圈另一端排出，并进入水冷却器降温。降温后的氢气一部分进入定子线圈轴向风道，**部分进入铁芯轴向风道，第三部分从互环下面进入转子线圈的轴向风道，如图
⑵半轴向氢内冷通风系统。这种通风系统是将风扇安装在轴的两端，从轴向的两端进入冷却气体，同样分三部分，沿轴向分别进入定子、转子线圈和铁芯，然后从发电机中部排出进入水冷却器降温，如图
⑶经一轴向氢内冷通风系统。这种通风系统是冷却气体在高压风扇的作用下被压入水水冷却器降温后分成二路：一路由互环下进入转子轴的各风道，另一路进入定子铁芯背部。后者又分为三路：**路进入经向风沟冷却铁芯后由气隙排出；**路进入定子轴向风道冷却定子绕组线圈；第三路从转子轴的另一端互环下进入轴向风道，在转子中部由经向风沟排至气隙，再回到水冷却器，如图
热量传递方程：
1表面冷却的热量传递
如前所述，表面冷却只用于气体做冷却介质，从发热体（铜导线）到冷却气流的冷却传热过程，如图
⑴△T1。△T1是从发热体（铜导线）到绝缘层表面的温差，其热量传递属于固体传热，是导热，固体导热的基本方程是傅立叶方程：
Ф=λA△T1/δ 或 △T1=Ф·δ/A·λ
式中Ф——热流量，即单位时间的导热量，W；
λ——导热系数，W/（m·K）;
A——垂直于导热方向的截面，m2;
S ——固体平衡厚度，m;
△ T1——从发热体到绝缘层表面的温差，K
由式可知，单位时间内的导热量与导热系数，截面积和温差成正比，导热系数与导热材料有关，是表征导热性能好坏的一个参数。
⑵△T2。△T2是从绝缘层表面到冷却气流之间的温差，它们之间的热量传递主要是依靠气流与绝缘层表面的相对位移，将热量从一端带到另一端，称为对流传热，即热对流与导热同时进行。对流传热的基本方程是牛顿冷却定律：
Ф=αΑ（Ts-Tp）=αA△T2
式中α——对流传热系数，w/(m2·k);
Ts——绝缘层的表面温度，K；
Tp——气流平均温度，K;
其他符号同式（22-1）
由式（22-2）可知，对流传热的热流量与对流传热系数、截面积和温差成正比。对流传热系数简称传热系数，它不仅与流体的物理性质有关，而且还与传热表面形状及流体流速有关。对流传热分为自然对流传热和强制对流传热两种：自然对流传热是由流体冷热各不部分的密度差引起的；强制对流传热是由水泵、风机等设备提供动力引起的。
⑶△T3。冷却介质在从入口到出口的整个风道上吸收热量Φ后，平均温差上升了△T3，即
（22-3）
式中C——流体的比热容，J（ kg·k）;
ρ——流体的密度，kg/m2;
Qv——流体的体积流量，m3/s;
因此，在进行表面冷却时，出口处的发热体相对入口处冷却介质的温差△T应为上述三个温度差之和，即
(22-4)
一般情况下，△T1=30K；△T2=15K；△T3=20K，即绝缘层的表面温差△T1*大，而且随着单机容量和电压等级的提高，发热量Ф和绝缘层厚度δ还要增大，而散面积A却增加有限，从而使△T1进一步上升，其值可达到总温差△T的60%~70%，使大容量机组的制造增加了困难。
2直接冷却的热量传递
直接冷却也称内部冷却（简称内冷却），其冷却介质（水或氢气）是在发热体内部直接与发热体接触进行热量传递的，因此其热流量不再通过绕组的绝缘层消失，而是通过对流表面被冷却介质带走。因此，可以认为式（22-4）中的△T1=0，即△T=△T2+△T3
当氢气做冷却介质时，氢气进入冷却沟时的温度与发电机内经过水冷却后的冷风温度（测量的温度）还有一个温差△T3ˊ，所以在发电机发热体终端处与氢气入口风温之间的温差△T为
△T1=△T2+△T3+△T3ˊ （22-5）
对于水内冷式发电机组，△T3ˊ≈0，对氢内冷式发电机组 △T3ˊ≈5∽15K。
**节 发电机的冷却介质性能比较
发电机的冷却介质有液体和气体两类：液体类有纯水和绝缘油两种；气体类有空气和氢气两种。
虽然氮气和二氧化碳也可作为冷却介质，但由于二氧化碳的密度是空气的1.52倍，表面传热系数是空气的0.638倍，所以尽管它的对流作用比空气的强，却仍难以提高发电机的单机容量。氮气的密度、导热系数和表面散热系数与空气的基本相当，而且常含有一些腐蚀性介质。因此，在一般情况下，是利用二氧化碳或氮气与空气或氧气混合不会形成爆炸性气体的特点，把它们作为发电机的中间置换气体，而不做为发电机的冷却介质。绝缘油虽有较高的导热能力和绝缘性能，可作为定子绕组的直接冷却介质，但由于黏度大，容易产生层流，影响表面传热，所以只是原苏联曾设计过100MW以下的机组，我国和其他国家都很少采用。
一、 氢气的传热性能
氢气的相对原子质量*轻，为1.008，按质量计在地壳中只占1%左右。在自然界中氢存在*多的地方是水中，占11%，其次是泥土中，另外石油、煤炭和动植物中也含有氢。按原子个数计占17%，所以氢在自然界中大多数是以化合物的状态存在。
氢气是一种无色、无味、无毒的气体，在标准状态下其密度仅相当于同体积空气14.5分之一（或6.68%），所以用氢气作发电机的冷却介质时，其通风损耗可减少到空气冷却时通风损耗的6.69%，从而可使温升减少，发电效率提高。
在气体中，氢气的导热能力很好，其导热导数是空气的1.5倍表面散热系数越大，在相同温差下所散发的热量越多，这有利于降低
△ T2，提高冷却效果。
所以，在气体中，纯氢气是发电机*理想的冷却介质，表22-1
几种气体的特性参数与空气的相对值。
除此之外，氢气还有很强的渗透性和扩散性。随着温度和压力升高，其渗透能力增大。在一定的温度和压力之下，它可渗入钢铁晶格内部，并与晶格间碳元素反应生成甲烷气体，产生内应力和裂纹，使钢铁和机械性能降低，严重时可引起“氢脆”。氢气的扩散性也很强，而且速度很快，它在空气中的扩散系数为0.654m2/s。因此，当氢气系统有泄露时，只要距泄露点0.25m以外，就难以找到准确的泄露点。
表1 几种气体的特性参数与空气的相对值
气体特性参数 | 空气 | 氢气 | 二氧化碳 | 氮气 | 备注 |
导热系数λ | 1 | 6.69 | 0.638 | 1.08 | |
相对密度ρ | 1 | 0.0696 | 1.52 | 0.966 | |
表面散热系数α | 1 | 1.51 | 1.132 | 1.03 | |
比定容热容Cv | 1 | 0．996 | 1.29 | 1.02 | |
比定压热容Cp | 1 | 14．3 |
氢气有很广泛的用途，除在电力工业中作为发电机的冷却介质外，在化学工业中常用于合成氨、尿素和盐酸；在焊接工艺中利用氢氧火焰焊接易氧化的金属铝或铅；在能源工业中利用液态氢作为火箭的动力原料；在气象领域中利用氢气球作为探测高空气象的气象的工具等。
但用氢气作发电机的冷却介质时，也有一定的缺点，就是氢气与空气或氧气容易形成爆炸性气体，表2列出了氢气的燃烧、爆炸性能。
表2 氢气的燃烧、爆炸性能
氢气在空气中的燃烧范围（体积%） | 4.0-75.0 | *小着火能量（mJ） | 0.02 |
氢气在空气中的爆炸范围（体积%） | 18.0-59.0 | 燃烧热（KJ/mol） | 68 |
氢气在氧气中的燃烧范围（体积%） | 4.65-94.0 | 火焰温度（°C） | 2045 |
氢气在氧气中的爆炸范围（体积%） | 18.3-58.9 | 灭火距离（cm） | 0.06 |
氢气在空气中的着火温度（°C） | 585 | 火焰速度（cm/s） | 270 |
氢气在氧气中的着火温度（°C） | 560 |
从表2可知，氢气在空气（或氧气）中的着火温度虽然很高，达到560~585℃，但着火能量只有0.02mJ。另外，只要氢气在空气中体积含量在4.0%~75.0%或氢气在氧气中的体积含量在4.65%~74.0%之间，都属于爆炸范围，显然，这个范围很宽的。所以，只要现场有轻微的金属摩擦或很小的火源，就可能引起着火、燃烧、爆炸。
二、 水的热传性能
水的密度，热容量和热传系数都比空气和氢气大，所以用水进行直接冷却，可明显冷却效果和单机容量。
表3列出水和氢气导热能力的相对值，由3可知，水的表面散热系数为氢气的16.8倍。因此，对降低表面温差△T2来说，水比氢气更有效。
表3 水和氢气导热能力的相对值
冷却介质 | **压力 （Mpa） | 吸热能力 | 表面散热系数 | ||
相对体积流量 | 相对吸热量 | 流速（m/s） | 表面散热系数 | ||
氢气 | 0.3 | 1 | 1 | 40 | 1 |
水 | / | 0.05 | 69.3 | 2 | 16.8 |
根据式（22-3），当热流量Ф和冷却介质的体积流量Qv一定时，介质本身的温升△T3和冷却介质的密度ρ和定压比热容Сp成反比。ρ·Сp的乘积越大，△T3越小。在氢气和水中的温度都为15℃和**压力都为0.1Mpa的情况下，氢气的ρ·Сp=1.064，水的ρ·Сp=4.19,所以水比氢气有利降低△T3。但由于氢气的流速比水大6.0倍，其综合效果，氢气比水更有利于降低△T3。
第三节 水电解制氢设备简介
一、制氢系统设计说明
1 水电解制氢设备的设计由天津大陆制氢设备有限公司成套生产。
2 水电解制氢系统具备完整的氢气制取、冷却、干燥、贮存及分配功能，制氢装置采用分立式循环水电解制氢装置，整套设备采用组装单元式设计。
3 水电解制氢系统的产品氢达到如下指标：
a).产品氢气纯度： ≥99.9%
b).干燥后的氢气的湿度：露点≤－50℃
c). 产品氢气的温度：≤35℃
4 水电解制氢装置设压力调节装置，电解槽出口氢气与氧气之间的压差<0.5kPa。
5 每套水电解制氢装置的氢气、氧气排出口与总管之间，设置放空管、切断阀和取样分析阀。氢气放空管设1Cr18Ni9Ti波纹板阻火器。阻火器设在管口处。
6 水电解槽的碱液管道上设置碱液过滤器。
7 水电解制氢系统中，氢气设备及管道内的冷凝水，经排水水封排至室外。水封上的气体放空管，分别接至室外。
8 水电解制氢系统的冷却水系统及所有排水设置水流观察装置，系统还设冷却水断水保护装置。
9 整个系统内所有管道材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢，系统内阀门材质为316不锈钢。整个制氢系统内所有设备具有防止产生电火花的措施。所有电气及仪表为防爆型。
二、主要工艺设备的技术要求及参数：
1 电解槽
a). 氢气产量： 5Nm3/h, 产氢量连续可调范围为额定出力的50-120%。
b). 数量： 2套
c). 材质：碳钢镀镍
d). 电解槽工作压力： 3.2MPa(可在0.5~3.2 MPa之间任何压力下运行)。
e).工作条件下槽温基本稳定，其波动范围不大于±2°C。
f). 电解槽检修的时间间隔不少于10年，电解槽的使用寿命不低于30年。
g). 电解槽隔膜的技术要求：
1). 气泡不能透过；
2). 能被电解液润湿，使溶液中的离子能顺利地通过；
3). 有足够的机械强度；
4). 在电解液中不被碱液腐蚀，不能影响电解液的纯度，且化学稳定性强。
2 框架一（气体冷却及分离装置）
框架一的重要作用是将电解产生的气体洗涤分离、冷却，使其含湿量降到4g/Nm3H2以下。同时强迫系统中的碱液按一定的速度和方向循环，保证电解过程不断进行。
a). 数量： 2套
b). 结构形式：组装框架式
c). 组成：氢分离洗涤器、氧分离洗涤器、碱液过滤器、氢气冷却器、碱液循环泵、气水分离器、阻火器、排水器、管路、阀门及配件、一次仪表(如氢中氧分析仪、氧中氢分析仪、氢气报警仪)等。
d). 氢气处理量：5 Nm3/h，处理量连续可调范围为额定出力的50-120%。
e). 出口氢气含湿量： <4 g/Nm3H2
f). 氢气纯度： ≥99.9%
g). 氧气纯度： ≥99.5%
h). 氢、氧分离器液位差：≤5mm
3 氢气干燥装置
氢气干燥装置的作用是去除氢气中的水分。
a). 数量：2套,每台干燥装置中包括2个干燥吸附器，一运一备。
b). 结构形式：组装框架式
c). 组成：吸附器、冷却器、排污器、管路、阀门及配件、一次仪表(如氢气露点仪、氢气报警仪)等。
d). 氢气处理量：5 Nm3/h，处理量连续可调范围为额定出力的50-120%。
e). 工作压力：3.2MPa
f). 系统工作压力降：≤0.1MPa
g). 经过干燥后的氢气的露点温度≤－50C.
h). 再生气来源：原料气(无氢气排放)
上述电解槽、框架一、干燥装置组成一体化形式。
4 框架二（氢气分配减压装置）
a). 数量：1套
b). 减压后压力： 0.8MPa-1.0MPa
c). 组成：管路、阀门、减压阀、仪表等
5加水配碱装置（框架三）
a). 数量： 1套
b). 结构形式：组装框架式
c).组成：除盐水箱、碱液箱、补水泵、管路、阀门、仪表等
（1）除盐水箱
I．数量： 1台
II．材料： 1Cr18Ni9Ti
III．容积： 能满足2套制氢设备在额定出力下连续运行24小时的补水量。
V．除盐水箱上设进水口、出水口、排污口、手孔和液位计接口。
（2） 碱液箱
I．数量： 1台
II．材料： 1Cr18Ni9Ti
III．容积： 能满足2套制氢设备在额定出力下连续运行5天的补充量。
V．碱液箱上设进水口、出液口、排污口、投药口（手孔）和液位计接口。
VI．碱液箱的对外接口处（除活动盖和注水口外）设置滤筒，防止固体颗粒堵塞管路系统。
（3） 补水泵
I．数量： 2台
II．类型： 三缸柱塞泵
III．过流部分材质：1Cr18Ni9Ti
IV．工作压力： 6.0MPa
V. 电机为防爆电机，并保证能在空气湿度大于95%的情况下**、连续运行。
6 氢气排水水封
a). 氢气排水水封上设一根排空管、一根补水管、一根溢流管、2根冷凝水管接管。除排空管外，补水管、溢流管、冷凝水管与水封筒体的内接管均采用插入式，且补水管、溢流管的内部管端比冷凝水管内部管端低。
b). 数量： 2套
c). 材质： 1Cr18Ni9Ti
7 贮氢罐
a). 数量： 4台
b). 材质： 16MnR
c). 容积： 13.9m3
d). 工作压力：3.2MPa
e). 工作温度：-36°C~45°C
f).贮氢罐上设有人孔、进出气口、放空口、排污口、**阀接口、压力表接口及备用接口.
8 压缩空气贮罐
a). 数量： 1台
b). 材质： 16MnR
c). 容积： 6m3
d). 工作压力：0.8MPa
e). 工作温度：-10°C~70°C
f). 压缩空气贮罐上设有人孔、进气口、出气口、排污口、**阀接口、压力表接口.
9 氮气瓶
a). 数量： 8台
b). 容积： 40L
c). 氮气瓶上设压力表和减压阀
d). 制氢系统中留有氮气吹扫的接口。
三、制氢系统仪表及其控制
整个制氢控制系统按照无人值守来进行设计.
a.系统采用集中全自动控制方式，PLC+HUB（交换机）+PC控制模式就地，并与辅助车间网络联网，能够实现自动补氢及自动启停，并达到就地无人值守的要求，实现网络监控，按工艺要求保证系统及各设备的启、停及事故情况下的工艺参数显示及运行状态显示。系统能使合格的氢气自动进入氢气贮存系统，不合格的氢气自动**排入大气。系统在贮氢系统压力超过设定值时能自动停运，并在低于设定值时能自动启动。系统设有必要的事故报警、自动联锁和保护功能。控制系统设置设备停运状态时信号报警的闭锁功能，避免误报警。
b.对于整个制氢系统的参数采集、过程控制、联锁保护和报警采用具有全开放通讯功能的可编程序控制器实现，供方提供用以实现控制功能的全套硬件和软件以及各种接口。其控制方案的设计符合工艺系统的控制要求。
c.采用操作站PC和PLC对整个系统进行监视和控制。即使用CRT画面和键盘通过PLC对整个工艺系统进行监控。运行监视具有数据采集、CRT画面显示、参数处理、越限报警、制表打印等功能。
d.PLC具有网络通讯接口，通过交换机实现与辅助车间网络连接成统一的集中控制网络。其通讯规约符合以太网TCP/IP标准，并提供相应的接口软件和设备
工艺检测、联锁、控制和保护的详细说明及功能：
1）对电解槽工作温度、工作压力、氢氧分离器液位、氢气纯度、氧气纯度、直流电压、直流电流、氢气湿度进行显示及相应的用户需要的显示。
2）对电解槽工作温度超高，工作压力超高，氢氧分离器液位上下限、氢氧侧碱液循环量下限，氢氧气纯度下限、气源压力下限、氢阀后压力上限、整流系统故障进行声光报警；
3）对电解槽工作温度超高、工作压力超高、氢氧分离器液位上下限、氢氧侧碱液循环量下限，整流系统故障进行联锁。
4）对于制氢设备运行比较重要参数的报警与联锁，采用不同的仪表进行发讯。如温度调节系统中，调节系统测量值选用循环碱温，报警选用氧槽温；在压力调节系统中，报警由单回路调节器发讯，联锁由现场电接点压力表发讯。
5）对干燥器上部温度进行现场测量并由控制柜内的单回路调节器调节加热电流的大小以达到控制加热速度的目的。
6）干燥器的下部温度进行现场测量，在控制柜上进行显示，根据予先设定的温度进行联锁，以避免分子筛的再生温度过高而使分子筛烧结。
7）干燥器的中部温度进行现场测量并显示。
8）根据测量发电机供氢母管的压力，实现充补氢系统的自动补氢或停止。
9）通过测量储氢罐的压力的高低来自动调节可控硅整流柜的工作电流和工 作电压，实现产量的自动调节和制氢装置的自动开停，保证储罐连续稳定地供气。
10）通过测量氢气纯度是否超标或其它故障的判断来实施自动放空。
11）根据水箱内的液位高低来自动控制向水箱内补水与否。
12）通过测量循环碱的温度来调节系统温度，实现水阀的自动调节，保证制氢系统的温度。
13）通过测量氧槽的压力来调节系统压力，实现氧侧阀的自动调节，保证制氢系统的压力。
14）通过氢、氧分离器液差调节系统液位，实现氢侧阀的自动调节，保证制氢系统的液位平衡。
15）根据氢分离器液位的高/低控制补水泵的停止/启动。
16）硬件：下位控制采用可编程控制器。
f. 工艺检测、联锁、控制和保护的有关压力、温度等参数的设定值
序号 | 测点名称 | 设定值 | 连锁 | 报警 | 备注 |
1 | 氢氧液位差 | 5mm | 5mm | 5mm | |
2 | 槽压上限 | 3.24MPa | 3.4MPa | 3.3MPa | |
3 | 氢氧碱流量 下限 | 0.5-1m3/h | 0.3m3/h | 0.4m3/h | |
4 | 循环碱温 | 75℃ | |||
5 | 干燥器上部温度 | 450℃ | |||
6 | 干燥器下部温度 | 300-350℃ | 350℃ | 350℃ | |
7 | 储罐压力下限 | 3.24MPa | 0.8MPa | ||
8 | 储罐压力上限 | 3.24MPa | 3.24MPa | ||
9 | 槽温 | 90℃±2 | 92℃ | 92℃ | |
10 | 气源压力下限 | 0.4MPa | 0.4MPa |
第四节 水电解制氢装置及工艺流程
一、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。
二．水电解制氢装置工作原理
1．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
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合后，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。
三．FDQG5/3.2-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、储气系统四部分组成。
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。
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（1-01），氢、氧分离器（1-03、1-02），氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04），氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06），氢气、氧气冷却器（1-09、1-08），氢气、氧气捕滴器（1-11、1-10），氢气、氧气气水分离器（1-13、1-12），氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）和相关仪表、阀门组成。
1.2供配电及控制部分
供配电部分由，MCC柜（7），PLC控制柜（6），动力柜（5）和可控硅整流柜（4）组成。
1.3加水配碱部分（补配水碱系统框架）
加水配碱部分由原料水箱（3-01），碱液箱（3-02），配碱泵（3-03），补水泵（3-04）组成。
1.4 水电解制氢干燥部分工作流程：
1.4.1 制氢干燥部分的主机电解槽（1-01）由供配电部分提供直流电源，其具体连接顺序为380V，50Hz，380V三相五线电源接入供配电部分抽屉式开关柜（7），由抽屉式开关柜（7）分别供给PLC控制柜（6）、动力柜（5）可控硅整流柜（4）。系统的电解电源由可控硅整流柜（4）提供。输出电流为1020A电压为57V的直流电，单位直流电耗约为4.7kwh/Nm3H2。该过程完成了供配电部分给电解槽（1-01）提供电解用直流电源的功能，并根据电解槽（1-01）的负荷要求，通过调节可控硅整流柜（4）的输出值，即可实现产氢量的调节。
1.4.2 制氢干燥部分的主机电解槽（1-01）由配碱泵（3-03）提供30%浓度KOH的电解质，系统停车时由配碱泵（3-03）完成碱液回收的工作。由补水泵（3-04）提供在电解过程中消耗的水及系统损失的碱。
a. 配碱：
系统状态：在碱箱（3-02）中加入根据系统用量而计算的水，启动配碱泵（3-03 ），进行碱箱中水的循环，进行系统的配碱工作，此时阀门的状态为：（此时系统中所有手动阀门处于关闭状态）BV-18、BV-19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，直至配碱工作的完毕。当碱液的比重达到为1.281时，配碱工作结束。配碱结束时先停配碱泵（3-03），然后关闭BV-18、BV-19阀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。
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）
b. 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（3-03）将配好的碱液打入系统中，且注意碱液在氢氧分离器（1-03、1-02）的液位。（液位通常控制在液位计的1/3处）此时阀门状态为：
SV-04、SV-05、BV-05、BV-06、BV-03、BV-04、BV-01、BV-02、BV-19、BV-24、当液位达到氢、氧分离器（1-03、1-02）磁翻转液位计指定高度时关闭配碱泵同时关闭阀门BV-03、BV-04、BV-19、BV-24。然后适当打开阀门SV-01、SV-02，当阀门口有碱液向外溢出时关闭阀门SV-01、SV-02，以排除系统管线中的气体，系统注碱完毕。
c. 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（3-03）将系统碱液抽回碱箱。此时阀门的状态为：SV-04、SV-05、BV-05、 BV-06、BV-01、BV-02、BV-03、BV-04、BV-23、BV-18 打开，此时补水配碱系统中所有阀门关闭。碱液回收后，停配碱泵（3-03），关闭阀门BV-23、BV-18、BV-03、BV-04结束碱液回收工作。
1.4.3 制氢干燥过程（该过程进行前必须用氮气置换，置换流程详见此章节（1.6）。
a. 制氢过程
制氢部分由电解槽（1-01），氢、氧分离器（1-03、1-02），氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04），氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06），氢气、氧气冷却器（1-09、1-08），氢气、氧气捕滴器（1-11、1-10），氢气、氧气气水分离器（1-13、1-12），氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）和相关仪表、阀门组成。
以下手动阀门为开启状态：
BV-01、BV-02、BV-05、BV-06、BV-09、BV-10、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，启动碱液循环泵（1-19、1-20），在泵的强制作用下实现制氢过程的碱液循环。
按氢、氧碱液流程分述如下：
1） 氧碱液在氧碱液循环泵（1-19）作用下由氧分离器（1-02）经泵（1-19）过氧碱液过滤器（1-04）、氧碱液冷却器（1-06）打入电解槽（1-01）氧侧、经电解后形成氧气与KOH的混合液流回氧分离器（1-02）、混合液在氧分离器（1-02）经气液分离后液体经泵重新打入电解槽进行电解过程，气体经氧气体冷却器（1-08），氧气捕滴器（1-10）过气水分离器（1-12）将冷凝水排放后，再经气动薄膜调节阀（PV-1）调节开度，放入大气，实现制氢系统压力自动调节。
注：（1） 其中AV-05、AV-06在一定时间内交替启闭，实现冷凝水的排放要求。
（2） 通过调节阀PV-1的开度控制系统的压力，保持系统内的压力。
2）氢碱液在氢碱液循环泵（1-20）作用下由氢分离器（1-03）经泵（1-20）过氢碱液过滤器（1-05）、氢碱液冷却器（1-07）打入电解槽（1-01）氢侧，经电解后形成氢气与KOH的混合液流回氢分离器（1-03），混合液在氢分离器（1-03）经气液分离后液体经泵重新打入电解槽进行电解过程，气体经氢气冷却器（1-09），氢气捕滴器（1-11）过气水分离器（1-13）将冷凝水排放后，再经气动薄膜调节阀（LV-1）调节开度放入大气，实现制氢系统产氢量的自动调节。
注：（1）其中AV-03、AV-04在一定时间内交替启闭，实现冷凝水的排放要求。
（2） 通过调节阀LV-1的开度控制氢、氧侧液位差。
电解过程的循环回路
b. 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（1-15、1-16）氢气冷却器（1-17、1-18）和气体过滤器及相应的阻火器、仪表、阀门组成。
干燥部分设两台吸附干燥器（1-15、1-16）一台工作，另一台再生，互相切换，交替工作，连续供气。
1）干燥器（1-15）吸附（1-16）加热再生过程。电解氢气经AV-24进入干燥器（1-16）进行内部分子筛的加热再生，气体经氢气气体冷却器（1-18）通过阀门AV-14、AV-13进入氢气气体冷却器1-17进入吸附干燥器1-15进行吸附干燥再经气体过滤器1-14过滤进入下一环节。氢气中的水分在气体冷却器中凝结经阀AV-16、AV-15定时通过排水水封（12）排凝。
2）干燥器（1-15）吸附（1-16）吹冷过程
上一过程阀门工作状态不变，停止干燥器（1-16）的加热，进行干燥器（1-16）的吹冷过程。氢气流程不变。
3）干燥器（1-15）吸附（1-16）反吹过程
在上流程阀门状态下，关闭AV-23、AV-17、AV-16打开AV-14、AV-24阀门关闭，SV-08阀门状态根据再生气用量已调好。（常开）
氢气经AV-23、AV-13过氢气冷却器（1-17）进入干燥器（1-15）继续进行吸附工作，产出干燥后氢气一部分经氢气过滤器供给下一系统。另一部分经SV-08调节流量后，过AV-17、反吹进入干燥器（1-16），使干燥器（1-16）入口端及内部充入干燥后的产品气，充入氢气经氢气冷却器（1-18），经AV-16阀排入氢气排水水封。
4）干燥器（1-15）吸附，（1-16）自冷过程
在上**程阀门工作状态下，关闭AV-17，氢气经阀AV-23、AV-13、氢气冷却器（1-17）、干燥器（1-15）、氢气过滤器继续供气。此过程由于干燥器（1-16）的进出口阀门均为关闭状态，所以工作在自然冷却状态。
5）干燥器（1-15）、（1-16）吸附过程
在上**程阀门工作状态下，打开AV14，使氢气分别经氢气冷却器（1-17）（1-18）冷却、干燥器（1-15）（1-16）吸附后，进入氢气过滤器。产出产品气，供给下一系统。
6）以下工作流程为：
a. 干燥器（1-16）加热，（1-15）吸附过程
b. 干燥器（1-16）吹冷，（1-15）吸附过程
c. 干燥器（1-16）反吹，（1-15）吸附过程
d. 干燥器（1-16）自冷，（1-15）吸附过程
e. 干燥器（1-16），（1-15）吸附过程
1. 5制氢干燥部分主要设备的功能简述
a. 电解槽(1-01)
电解槽是水电解制氢主体设备,在槽体内充入30%KOH水溶液,在直流电解作用下水发生分解,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。
b. 氢氧分离器（1-03）（1-02）
分离原理：碱液和气体凭借各自的重力和浮力进行有效的分离。
氢氧分离器的尺寸及构成参见设备外形图。
c. 氢氧冷却器（1-09）（1-08）
作用：通过换热过程，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**温度的要求。
d. 氢氧捕滴器(1-11、1-10)
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。
氢氧捕滴器的尺寸及构成参见设备外形图。
e. 氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04）
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。
碱液过滤器的尺寸及构成参见设备外形图。
f. 氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06）
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。
碱液冷却器的尺寸及构成参见设备外形图。
f. 干燥器（1-15、1-16）
作用：吸附剂--分子筛在常温下吸附氢气中的水份，使氢气露点指标达到用户的要求。
干燥器的尺寸及构成参见设备外形图。
g. 氢气冷却器（1-17、1-18）
作用：干燥器的冷却器，再生时，由于温度较高，保护阀内密封件和工艺要求气体温度。
气体冷却器的尺寸及构成参见设备外形图。
h. 氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）。
作用：碱液循环泵是水电解制氢设备中碱液强制循环的专用设备，该设备主要用于碱液的循环。
技术参数：扬程2.2m 流量2.0m3/h 功率2.2KW 防爆等级dIICT3
i. 补水泵（3-04）
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。
技术参数： 理论流量：9.83L/min，工作压力：6.0Mpa，电机功率：1.1KW，
j. 配碱泵（3-03）
与碱液箱实现配碱功能，并有系统开车注碱的作用。
技术参数：扬程15m 流量6.6m3/h 功率1.1KW
k. 原料水箱（3-01）
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。
原料水箱的尺寸及构成参见设备外形图。
l. 碱液箱（3-02）
作用：用于水电解制氢装置盛装碱液或配置碱液。
碱液箱的尺寸及构成参见设备外形图。
m. 阻火器
作用：用于氢气放空时阻挡外界明火，保证设备**运行。
n. 氢气排水水封
作用：起切断和**排气作用。
1.6 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）。打开自动阀（AV-02、SV-03、BV-10、LV-01、AV-23、AV-13、AV-14、AV-12、AV-17、SV-08、向制氢系统充入氮气至0.3MPa后关闭AV-02，打开AV-10、AV-18，氮气释放，当压力到0.1MPa时，关闭AV-10、AV-18，重新打开AV02向系统注入氮气至0.3MPa后关闭AV-02，打开AV-10、AV-18释放氮气压力至0.1MPa重复以上过程3~4次。置换过程结束，进入下一个阶段。
2. 除盐水冷却系统
除盐水冷却系统主要是由除盐水箱、换热器、泵、阀及相关仪表组成。它是保证制
电解水制氢系统图
氢干燥系统中气体冷却器（1-08、1-09）碱液冷却器（1-06、1-07）和干燥冷却器（1-17、1-18）冷却水的用水。
3. 气体处理系统
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管、供给汽机房。
经干燥系统处理后的氢气经阀AV-20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。
4. 储气系统
储气系统主要由氢气储罐、空气储罐和相关的仪表及阀门组成，该系统由四台13.9m3氢气储罐、一台6 m3空气储罐组成，氢气储罐保证了非正常情况下用户用氢的要求。
第五节 水电解制氢的运行
一、制氢装置开车前准备：
1.1 制氢机的清洗：水电解制氢机在投运前，应用原料水清洗。
1.1.1 置所有阀门为关闭状态。
1.1.2 开自动球阀AV-01将原料水箱（3-01）注满原料水，关自动球阀AV-01 （此过程可通过热备状态自动实现）。
1.1.3 开BV-21、BV-24、BV-03、BV-04、BV-01、BV-02、SV-04、SV-05各阀，关闭BV-05、BV-06球阀，开配碱泵3-03直至氢、氧分离器（1-03、1-02）中液位达到要求，停配碱泵3-03，关闭法门BV-24、BV-03、BV-04，然后启阀门SV-01、SV-02适当打开，当阀门有纯水溢出时关闭阀门SV-01、SV-02，以排除系统管线中残留气体，打开阀门BV-05、BV-06。开启碱液循环泵（1-19、1-20），使原料水在制氢机内循环，冲洗制氢机一小时，停泵，打开阀BV-07、BV-08排污，排污后，关严阀BV-07、BV-08。
1.1.4 重复上述操作3~4次，直至排液清洁为止。
1.2 气密检验
1.2.1 按1.1 操作将原料水打入制氢机，至分离器液位计中部。
1.2.2 关闭制氢机所有外连阀门，打开机内所有阀，通过AV-02阀门向制氢机充氮，使压力缓慢升至3.2MPa，关阀AV-02，用肥皂水检查各气路连接部位和阀门是否漏气，并观察液路有无漏液，确认不漏后，保压十二小时，泄漏率以平均每小时小于0.5%为合格。
1.2.3 启动氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19），清洗一小时后，停泵、排污、泄压。
1.3 电解液的配制
30℃时，10%NaOH、15%KOH溶液比重分别为1.1043、1.180。
30℃时，26%NaOH、30%KOH溶液比重分别为1.28、1.281。
1.3.1 置所有阀门为关闭状态
1.3.2 开阀BV-14，注原料水于碱液箱(3-02)内，注原料水量按工艺要求，如碱液箱容积小，可分成2~3次注入，关阀BV-14。
1.3.3 打开阀门BV-18、BV-19启动配碱泵，实行配碱循环。
1.3.4 按工艺要求的碱量进行配碱，缓慢加入KOH（化学纯）待完全溶解后，加入碱液重量的2‰V2O5添加剂（按工艺要求添加），则电解液配好。
1.4 对微氧仪、露点仪进行调校。
1.5 检查各极框之间，正负极输电铜排间有无短路或有无金属导体，或有无电解液泄漏现象，发现后必须排除。
1.6 仔细检查整流变压器各个接点、可控硅整流柜各回路及正极输电铜排对地的绝缘性，严防短路。
1.7 用15%KOH溶液试车二十四小时（开停车操作同正常操作规程），然后将其排污。
1.8 检查制氢装置的冷却水阀门处于开启状态。
二、装置开车前准备
2.1 控制柜通电，检查装置是否处于正常状态。
2.2 设定干燥器（1-15、1-16）上下部温度，各为400~450℃和300~350℃。
2.3 系统进行氮气置换
2.4. 气动部分
a. 接通气源后，分别检查过滤减压器的输出是否为0.14Mpa，然后用肥皂水检查气动管路及仪表接头是否漏气（每三个月定期检查一次）。
b. 通过现场电磁阀的手动操作方式进行对气动球阀及气动管路的测试，按下此开关看相应的气动球阀是否作出相应的动作。
c. 分别旋松差压变送器正前方的螺钉，进行排气，气相排干净液，液相排气，然后将螺钉旋紧。
d. 在同一信号值下，分别检查气动调节阀开度，通过触摸屏或上位机手动方式进行变化信号值（0-100%方向变化），相应的气动调节阀开度（氢氧侧调节阀的开度从小到大增大，水阀调节阀的开度从大到小减小）。可适当进行零点调节。无误后切换到自动调节位置，看其调节的灵敏度，相应的动作。
e. *后证实所有有关的设定值是否正确。以备开车。
三、开车顺序
3.1 接通配电柜总电源及控制柜上各仪表电源。
3.2 接通控制柜及框架的气源。
3.3按1.1.3步骤将配好的碱打入制氢系统。通过阀AV-02向系统充氮至0.3MPa，关闭阀AV-02。
3.4将液位调节系统切至“手动”加水位置，开阀BV-15、BV-21、BV-22、BV-11。将液位记录调节仪、槽压记录调节仪切换开关均置于“自动”位置上，调好给定值，此时三只调节阀均应处于自然状态。将液位联锁开关放在“消除”位置。
3.5 打开冷却水阀BV-12。
3.6 打开阀BV-01、BV-02、BV-05、BV-06，启动碱液循环泵（1-19）（1-20），调节阀开度，使碱液循环量逐渐达到工艺要求。
3.7 开阀BV-09、BV-10、BV-14，并通过自动阀AV-07、AV-10控制气体排出，以便产出的气体排空。
3.8 将整流柜电流调节电位器反时针方向旋到“0”位，再将选择开关放在稳压档；送上系统电源，主回路指示灯亮；合主令开关，控制电源指示灯亮；按下运行按钮，运行指示灯亮；缓慢地按顺时针方向旋转电流调节电位器，调输出总电压，保持工艺要求的总电压，此时电解开始，分离器中液位上升，槽温逐渐升高；总电流不断升高，直至达到表1额定电流（总电流）；将自动电位器反时针旋到“0”位，将选择开关改在稳流档，顺时针转动自动电位器使电流稳定在工艺要求的额定电流（总电流）。
3.9 当槽温升至50℃后，将槽压给定调至工艺要求操作压力，待槽压开到额定值（操作压力）后，将液位调节切换至“自动”补水位置。将液位联锁开关旋到联锁位置。
3.10随着槽温上升，适当调整碱温给定值（给定值约为75~80℃左右），使氧槽温稳定在90±2℃。
3.11观察槽压、液位、温度调节系统的调节质量，当参数波动较大时，可重新整定记录调节仪的比例度、积分时间和微分时间。
3.12开车后半小时可进行氢气、氧气纯度分析，打开阀AV-08、AV-09，压力调节器或流量控制器，分别给氧分析仪、氢分析仪送气，分析仪具体操作按该仪器说明书，如气体质量合格，可关阀AV-10向下一系统供气，装置投入正常运行。
3.13氢气合格后，送到干燥系统。
干燥系统设有两台吸咐干燥器（1-15）（1-16），一台工作，另一台进行再生，互相切换，交替工作，连续供气。其具体工作流程参见1.1.5中（3）项b
四、正常操作及维护
4.1 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操作。
4.2 注意报警，发现并处理异常现象。
4.3 如需调整整流柜直流输出，操作不可过猛，且注意将电位器旋至“0”后，才能改变选择开关运行状态。
4.4 过滤器的清洗：当碱液循环量明显下降时，需清洗氢氧碱液过滤器。
（1-04）（1-05）
4.4.1 停车。
4.4.2 退碱。
4.4.3 拆开顶盖，取出滤芯清洗。
4.4.4 清洗完毕，将滤芯和顶盖装好。
4.4.5启动配碱泵将碱液打入制氢系统，然后充氮置换，启动氢氧碱液泵（1-19）（1-20），调节上述阀门开度至需要的碱液循环量，可按正常开车顺序开车。
4.5 控制氢分离器（1-03）的液位在分离器液位计中部，注意自动加水是否正常。
4.6 经常注意碱液循环量，调节阀BV-01、BV-02、BV-05、BV-06开度，使碱液循环量控制在工艺要求的范围内。
4.7分析仪表出出较大的误差必须进行调校。
4.8 为了使气动仪表长期、可靠、稳定地工作，应注意保持压缩空气的清洁和干燥。应定期打开空气过滤减压器底部的放水阀，排放水和油。应注意保持仪表气源压力为0.14±0.014MPa。应定期检查气动管路和接头的气密性。
4.9 差压变送器负压室内的准凝液应定期排放，排放时，为避免变送器随单向压力的冲击而损坏，应首先关闭贮罐上方的截止阀，然后旋开贮液罐底部的螺钉排放准凝液。排放后，应将螺钉旋紧，然后将截止阀打开。
4.10 加热功率出现故障时检查加热棒是否断路，如果是加热棒的问题及时更换。
五、正常情况下停车
5.1 停车时首先停止原料水的补充，使液位调节切换至“手动”，使分离器的液位处于下限位置。
5.2使SV-01、SV-02截止阀处于关闭状态。
5.3 将整流柜电流调节电位器旋钮反时针旋到零，切断主回路电源和同步电源。
5.4 观察水阀调节阀的开度是否*大，使水阀TV-1完全打开，开大BV-01、BV-02、BV-05、BV-06使碱液循环量到*大，加快降温速度。
5.5 在降压过程中，应保持氢、氧分离器内液位差压相差不大于150mm。
5.6 当槽压降到0后，切断氢氧碱液循环泵（1-19）（1-20），接着切断配动力柜的电源，关闭压缩空气，装置停车完毕。
六、非正常情况下停车
6.1 紧急停车时，立即切断整流柜主回路电源，迅速用手动方法使补水泵（701）停止工作。
6.2 手动令氢、氧调节阀开度*大且迅速放空，但要密切注意使液位均衡，严防氢氧混合，压力降为0时，关闭所有阀门。
6.3 切断动力柜电源，切断气源。
6.4 做完紧急停车记录后，听候有关部门的检查和处理。
6.5 非正常停车后，装置如需重新开车，应对槽体、附属设备及各配套件、各仪表进行必要的检查，确认良好后方能开车。
七、自控仪表的检修
1．每半年检查一次仪表的零位。
2．装置运行一年后，应对仪表的精度做一次调校。
3．对拆下的仪表进行检修时，必须注意，仪表中与介质接触的部位必须确认无油脂后才能安装。
4．仪表的检修和调校参照各自说明书。
八、水电解制氢装置**注意事项
1．如装置停车时间较长，超过半年不启动，应将电解槽内碱液排出，并使水电解制氢机充满原料水。
2．鉴于电解槽系带电操作，在槽体前操作地面上应放置一块绝缘橡胶板。
3．鉴于电解槽产生氢气与氧气，并带有压力运行，因此要求操作者严格遵守操作规程。
4．电解间内安装防爆照明灯，室内要有良好的通风，并安装氢气测爆仪。
5．凡是和氢气、氧气接通的管道、阀门等都需要经过脱脂处理，以除油污。
6．在装置运行时，不得进行任何修理工作，若必须修理需停车。迫不得已时，需在制氢间焊接，必须对制氢间空气中氢气浓度进行分析，看是否低于爆炸极限值，同时必须在装置和管道内通入氮气吹扫，已排除氢气和氧气，分析合格后方许焊接。
7．制氢间严禁明火、吸烟、穿钉鞋，操作人员不宜穿合成纤维、毛料工作服，严禁金属铁器等物相互撞击，以免产生火花。
8．制氢 置防火器材如干粉灭火器、砂子、石棉布等。
9．为防止出现装置漏碱、漏气等事故，需预备防护镜和2%硼酸溶液，在配制氢氧化钾、氢氧化钠电解液时要戴上胶手套及防护镜。
10．严格禁止氢气、氧气由压力设备及管道内急剧放出，当氢气急剧放出时，由于静电原因可能引起自动燃烧和爆炸。当氧气急剧放出时，管道的氧化层可能引起火花，这些都可能引起管道设备的燃烧或爆炸。当气体从制氢机系统放入大气时，将阀AV-07、AV-10打开，通过自控系统放空。
11．动植物、矿物油脂和油类不应落入有可能与氧气接触的设备上，在操作和维修装置时，手和衣物不应沾油油脂。
12．不允许碱液掉在极板和拉紧螺栓之间，防止引起短路或降低电流效率，严防任何金属导体掉在电解槽上，以防引起极板之间短路，保持电解槽表面清洁。
13．万一出现事故或设备管道等大量泄漏碱液或气体时，应立即切断整流柜主回路的电源和同步电源，渐渐泄掉装置压力，分析原因，采取措施，排除故障。
14．制氢间禁止存放易燃、易爆物品，禁止无关人员入内。
第六节 水电解制氢设备的自动控制
一、概述
1、系统构成
本制氢设备的控制系统由PLC（可编程序控制器）及上位监控站、现场操作触摸屏三部分组成。
其中PLC为主要部分。本系统全部的控制逻辑均放置在PLC中，通过PLC的模拟量和开关量输入设备，采集现场数据及状态并根据预置的控制逻辑作出响应，通过模拟量和开关量输出设备完成对控制对象的操作。
上位监控站为控制系统的主要人机界面，操作人员通过上位监控站屏幕上显示的数据及状态掌握整个系统的运行情况，并可通过在监控站屏幕上设置的开关、按钮、数值输入域等，控制制氢设备的启动、停止，同时随时对系统的控制参数作出修改和调整。在系统维护运行时，可在上位监控站上对系统中的各个泵、阀等设备进行单独或联动操作。为保证上位监控站与PLC之间通讯的*大可靠性，本系统采用了双通路热备冗余通讯模式。
现场操作触摸屏安装在现场控制柜面板上，为小型液晶触摸屏，其功能及作用与上位监控站相当。因为其屏幕为黑白图象且尺寸较小，所以显示效果和易操作性不能和上位监控站相比，但因其安装在设备现场，所以在对设备进行维护及调试时，有其独到的作用。
2、主要技术指标
2.1． PLC（可编程序控制器）
硬件：
CPU：GESeries 9030 CPU Model 350 1块
通讯： Ethernet Interface2块
开关量输入：16路24VDC输入3块 共48路 实用39路
开关量输出：16路继电器输出9块 共144路 实用 116路
模拟量输入：16路4~20mA输入5块 共90路 实用75路
模拟量输出：8路 4~20mA输出2块 共16路 实用12路
软件：
编程软件VersaPro
2.2． 上位监控站
硬件：Advantech工业机
PⅢ900/ 128M / IBM40G/21”/双Ethernet Card
软件：Interlltion iFix2.6
2.3． 现场操作触摸屏
GE Fanuc Series 90 SNP 5”黑白& PMGR1
二．上位监控站
上位监控站操作界面由２０个图形界面组成。可分为数值显示、流程显示、控制参数调整、报警、维护及选择显示画面等五大类。
1．数值显示类画面
监控站开机后，自动进入初始界面，在此界面做短暂停留后，自动进入《综合数据显示及常用控制》画面（见下页图1）。
图1
在此画面上，包括了系统正常运行时的各项数值采集结果和主要设备的运行状态，并提供对可手动控制的泵、阀的控制按钮和控制结果的状态显示。
此类画面中还包括各种历史趋势显示画面。在该画面中将系统在过去所发生的工作状态按照预先设定的时间间隔进行记录的结果，用曲线进行显示。见以下图2
图2
上图中主要部分显示了过去工作状况的曲线。下部显示了该画面中所包含的显示对象的列表。通过点击不同的显示对象，曲线坐标轴发生变化，即可更准确查阅地所希望观察的数据对象的准确值。
在显示对象列表的行中显示的数值为图中白线所处时点的当前值，拖动白线可改变显示时点。利用次功能可直接观察到各个显示对象在某个时点的准确数值。
点击画面*下部的箭头按钮，可以调整画面显示的时段，点击左侧的箭头显示时段向后退，反之向前进。点击双箭头按钮，可以更快地进行调整。
2．流程显示画面
此类画面中将制氢设备的实际工作流程，采用形象的图象方式显示，其中全部数值显示的采样位置基本与设备中的实际情况一致。利用各种不同的颜色表示各泵、阀的实际工作情况，如泵（阀）颜色为红色，则表示该泵（阀）为停止（关闭）状态。如泵（阀）颜色为绿色，则表示该泵（阀）为工作（打开）状态。通过此类画面，可以直观、**的掌握整个系统中制氢、干燥、储罐及环境设施中所有设备所处的工作阶段及各控制对象的当前状态。该类画面除报警灯消除功能以外，不提供任何输入功能。即只能观察、不能操作。
此类画面包括《装置1制氢工艺流程》、《装置2制氢工艺流程》、《装置1干燥工艺流程》、《装置1干燥工艺流程》、《制氢装置工艺流程（储罐部分）》、《制氢装置工艺流程（环境部分）》等（见图3、图4、图5、图6）
图3（上） 图4 （下）
图5（上）图6（下）
3．参数调节及控制画面
此类画面包括PID参数调节和其他各种预置参数、报警/联锁限位值设定画面。其中预置参数、报警/联锁限位值设定画面为弹出式画面。（见图7、图8）图7（上） 图8（下）
在使用中，PID参数调节画面中的P、I、D、SP参数可根据实际情况在限定范围内任意设置。其他预设参数亦可任意输入。 输入方法为：点击需要调整的数值的显示区域，该区域即出现黑色方框，此时可将新的数值输入，输入后必须按〈ENTER〉键后，该新输入值方有效。
点击<报警&预置设定>按钮，即可进入上页所示《设定值输入画面》（图8）。在此画面选择需要设定的项目后，即可按照以上说明的输入方法进行输入。
输入结束后，点击〈关闭〉按钮可返回上**〈控制调节画面〉。
4． 正常操作画面
正常操作画面包括系统启停车及动力柜2的各种泵、阀的控制。
系统启停车画面为弹出式窗口画面。见 右图。点击启动或停车按钮，即可对系统进行正常的启停车操作。动力柜2的操作画面见图10。
在该画面上排列着全部动力柜2 中所有的泵、风机、电动门等操作 图9（右）
对象。通过点击相应的开、关按钮，即可进行操作。操作结果在画面上同时显示。
图10 5． 维护操作画面
当系统控制柜中的维护开关处于“维护”位置，可在上位监控站的维护画面上，手工对制氢系统中的所有泵、阀进行单独的维护操作，以检验其动作是否正常。本系统中对制氢装置1、制氢装置2分别设立了维护操作界面。以下显示的图10为装置1的维护操作画面，装置2的画面与装置1完全相同。
点击该画面中的手动/自动字样，即可对该设备的操作方式进行切换。当该处显示“手动”时，可以点击开关按钮，对相应的泵阀进行开/关或启/停操作，操作结果通过相关的指示灯显示。
注意：在此画面中有几个装置之间存在关联，对其中某个装置操作时，可能引起其他装置动作。
图10a. 分析仪表与分析取样
当分析取样处于自动状态时，打开分析仪表时，控制程序将首先打开分析取样阀，3秒钟后，在打开分析仪表。关闭分析仪表时，不对分析取样阀做任何操作（即保持其打开状态）。
当分析取样处于手动状态时，分析仪表将不在与其存在关联关系。
b. 湿度仪供电与CSV12
湿度仪供电与CSV12的关联关系和分析仪表与分析取样的关系相同。
c. 干燥再生与CSV2~CSV14
点击<干燥A再生>或<干燥B再生>按钮后,将引起干燥装置的连续再生过程，此时若有与之相关的阀处于“手动”状态，该阀将不能按照正常的工作时序开闭，而是保持手动设定的开闭状态。
7．报警画面
在各个运行画面中，都带有报警指示灯。在系统各有关参数达到预定的报警、预报警设定值时，该指示灯点亮，显示系统中有报警状态。但具体报警位置需进入报警画面予以确认。
该画面中正在闪动的报警行为尚未经确认的报警，此时可点击相关行后，再点击〈确认选中的报警〉按钮对该报警内容进行确认，或点击〈确认全部报警〉按钮确认当前未经确认的所有报警。
报警被确认后，如报警条件并未消失，则该报警行依然存在，只是不再闪动，同时报警音消失。如报警条件已消失，则该报警行将不复存在。
该画面下部将显示到目前为止的所有报警的累计情况。见图9。
图11
在报警画面中深灰色背景的报警行为高优先级报警内容。此类报警一般会引起系统的连锁动作，导致系统停车。浅灰色背景行为中优先级报警。
白色背景的报警行为低优先级报警行，大多为预报警。
1.2．画面切换画面
除弹出式窗口以外，各画面右下角有一个《切换画面》按钮（各画面中此按钮位置、作用相同），点击此按钮后弹出画面选择窗口，点击所希望观察的画面的按钮，即可进行画面切换。（见上页图12） （ 图12）
三．现场操作屏本系统中，除上位监控站以外，还提供了另外一个软操作界面，即现场操作屏。现场操作屏安装在现场控制柜1面板上，为小型液晶触摸屏，其功能及作用与上位监控站几乎完全相同。
右侧的图13即触摸屏上显示的初始画面，点触相应的按钮，即可到达所希望的显示或操作画面。但是，在非维护状态的时候，即使点触维护画面按钮，也没有任何反应。
因为触摸评尺寸较小，所以每屏上显示的内
图13
容比较少。因此，在上位监控图站上，一个屏幕即可
显示的内容，在此可能被分割为多个画面。
下面按照该画面上按钮排列的顺序，逐一进行说明。
1． 制氢装置显示画面
显示画面共包括6个画面，装置1和装置2各有3个画面。分别为制氢、干燥、报警显示。见图14、15、16。点击画面左上角的〈HOME〉键可直接返回初始画面。
点击左上角的〈前画面〉〈后画面〉键变换当前画面。
以上三个键的用法，在所有画面均相同。
在报警画面中报警显示灯为白色时，表示没有报警发生。显示灯为黑色时，显示报警发生。
图14
图15 图16
2． 制氢装置参数调节画面
参数调节画面包括PID参数调节与报警及其他预置参数输入两个画面。见图17、18。
在以上两个画面中，包含许多数据输入区域，下面就数据的输入方法进行说明：
a. 点触要输入新值的数据的显示区域。在听到短促的蜂鸣音后，该区域颜色应立即反转，
表示输入状态打开，此时可以开始输入。
如颜色不反转，则一定另有一个数据处于输入状态，找到该数据，将其输入状态关闭。此处即可进入输入状态。
若在此前曾点触过多处可输入区域，则可能是另一个被点触过的可输入区域进入输入状态。 图17 图18
反复以上过程，直至希望输入新值的区域的输入状态打开为止。
b. 点触画面*下部的数字键，即可输入新的数值。
c. 当新值输入完成后，点触ENTER〉键，使输入值有效。
d. 再次点击该输入区域，关闭该区域的输入状态。
e. 至此，数值输入过程全部完成。
在本系统所采用的触摸屏上的所有输入全部按以上方法操作。
3． 制氢装置操作
制氢装置操作画面上，显示了在系统正常运行时可操作的装置的操作按钮、开关及当前状态。见图19、20。图19 图20
4． 母管压力调节
该画面显示了供气母管压力调节所需要的全部参数，并可以在此画面上对以上参数进行输入。见图21
5． 储罐状态显示
该画面中显示了4个储罐的压力值以及4个充氢阀、4个补氢阀、2个母管供气阀的工作状态。见图22图21 图22
6． 维护画面
维护画面共6个画面，装置1和装置2各有3个。其功能与上位监控站的维护画面功能完全一样。即通过改变各个泵、阀的自/手动状态和泵阀开闭动作，即可对各个泵阀的工作情况进行检测。见图23、24、25
图23 图24
7． 环境参数显示
8． 该画面中显示了制氢设备周边环境的检测结果。见图26动力柜2操作
该画面中显示了动力柜2中所有设备的控制状态并提供了对这些设备进行控制的开关和按钮。利用该画面，即可以对动力柜2中的设备进行开关控制。
见图27、28
图25 图26
图27图28
四、正常运行操作
1．开车操作
打开上位监控站的启停车画面，按下“开车”按钮，也可通过触摸屏的装置操作画面进行操作。
控制系统将自动检测制氢系统是否符合开车条件。检测内容主要包括：气源压力下限、槽压上限、槽温上限、液位上下限等内容。其中液位上下限报警连锁功能可人为消除。请参见上位监控站的数值显示画面及现场操作屏的装置操作画面。
如一切正常则进入系统启动程序，画面显示制氢系统工作状态为“启动过程”。
否则画面将出现报警，此时可通过调阅报警画面，确认报警点。并根据报警情况到现场解除故障后，再进入下一程序；
1.1． 当系统进入启动程序后，检测到压力为0.2MPa以上，则可直接进入1.3程序，不足0.2Mpa则进入1.2程序。若还检测到循环泵在运行，则可直接进入1.4程序）。
1.2．充氮置换、启动液位水箱阀门的控制：
a.充0.2MPa氮连续2次，由干燥系统放空。
在此过程中阀的开关状态： 氧侧调节系统自动将设定值设为0，308、G109、G110、G103、G104开启，控制501、G121、413的开关进行两次充氮置换，然后维持0.2MPa系统压力]
b.702阀的控制启动。其控制根据水箱的液位上、下限进行控制
1.3．启动循环泵，5秒后,阀107、207同时开启。
1.4．启动整流柜、干燥系统开始投入运行：
a. 413、308开启。
b. 启动整流柜，整流柜的电流开始从零升高，同时分离液位上升，液位在上限报警范围内电流逐步升高，进行电解，水电解制氢装置投入运行。
c. 1.1.2a过程中的阀门都复位，当槽温达到50℃后，则自动加压状态，调节阀（601、307、407）开始正常工作。温度调节值、压力调节值可在触摸屏上，也可在CRT上设置。
d.干燥系统开始工作，可通过上位监控站也可触摸屏对再生时间进行设置。干燥系统包括两个干燥塔，始终保持一个塔正常工作，另一个再生塔的方式。其再生的工作时序详见如下：
再生时包含加热、吹冷、反吹、升压、自冷五个阶段。
加热阶段：加热棒的控制及阀门的控制。
吹冷阶段：断加热电源，通过阀门的控制，进行吹冷。
反吹阶段：通过阀门的控制，进行反吹。
升压阶段：通过阀门的控制，进行升压。
自冷阶段：通过阀门的控制，进行自冷。
在上位监控站及现场操作屏上可同时观察到再生塔所出的时段。同时在上位监控站的流程画面上也可以看到各个相关阀门的开闭状态。
1.5．分析仪投入：
a. 系统正常运行15分钟（从整流柜投入开始计时）后，304、404、G125开启；15分钟后给分析仪供电。
b.正常开车过程中，也可在上位监控站和触摸屏上手动控制氢、氧、露点分析仪的投入。
１.6. 至此，制氢系统启动过程正常完成。画面显示制氢系统工作状态进入“自动运行”阶段。
2．系统正常自动运行
2.1.氧、露点分析合格后、（氢气纯度高于99.7%，氧气纯度高于98.5%，露点低于-50度），制氢系统压力需达到3.2Mpa，才可送罐（关G121）。
2.2.两套制氢系统分别对应全部四台氢储罐，送罐之前，首先应对两台储罐压力进行判断，对压力低的储罐进行补氢，直到达到3.0Mpa时再进行另一储罐补氢。
2.3制氢装置产气量设定有手动、自动两种状态，这两种状态在上位监控站和触摸屏可选择。
在自动状态，每一台制氢装置产气量由四个储罐的压力决定（根据所送罐的当前这台氢储罐压力进行调节）。
当充氢储罐压力都达到了设定值时，则整流柜自动进入以30%额定电流运行状态，所产生的氢气由干燥系统排空，不影响干燥系统正常的运行，以备随时进入额定条件下运行（即整流柜以100%额定电流运行）。若8小时内未进入额定条件下运行，则装置进入正常停车程序。如停车需人工干预。
在手动状态下，产气量可在上位监控站和触摸屏上进行手动输入。
2.4参数调整
系统正常运行过程中，随时可以进入控制调节画面，对各个PID控制回路中的控制参数进行调整。具体操作方法参见本手册的**、第三部分。
３. 正常停车顺序
人为按下“停车”按钮，可在触摸屏和CRT上进行操作。
3.1．检测干燥系统再生过程中是否在自冷阶段，若不在则有画面提示“是否继续？”（此时干燥塔的再生状态在流程图上有所显示。正常停车时*好是在干燥系统再生的自冷阶段）。
如回答“是”或干燥系统再生过程中处在自冷阶段，则正常停车过程启动，画面显示制氢系统工作状态进入“正常停车”。
3.2． 停分析仪、补水泵、加热管加热电源、降温
a. 停分析仪的供电电源。
b. 停补水泵，使分离器液位处于下限。
c. 停加热管加热电源。
d. 温度调节系统设定值自动设为0，601调节阀完全打开，实行系统降温。
e. 正常停车过程启动5秒后，关分析仪的取样阀（关闭304、404、G125）
3.3 停止补氢（3秒后）
阀413关闭
a. 101、B102、B103、B104的阀门都关闭。
b. 若此时干燥系统在由G121放空，则关闭G121
3.4 停整流柜（5秒后）
3.5 泄压
a.当氧槽温为50度时，G121、413开启，开始泄压。
b.泄压时，系统自动将槽压调节设定值设为0.5MPa。
c.当系统压力为0.5Mpa时,触摸屏和CRT上位弹出一个提示框“是否需完全泄压”的提示。
d.若选择否，则停循环泵（停循环泵时，5秒前首先关闭自动阀107、207）、系统所有阀门都关闭，进行保压。
e.若完全泄压，则系统自动将槽压调节设定值设为0。
f.此时，干燥系统停止工作，413、308、G109、G110、G103、G104、G121开启进行完全泄压。
g.当系统压力降为0时，降压完毕，进行下一程序。
3.6 停循环泵
3.7 充氮置换：操作同1.2的充氮置换操作程序。
3.8 整个系统停车完毕。所有的自动阀处于关闭状态。
4. 报警连锁
4.1． 一般报警处理
在各个运行画面中，都带有报警指示灯。在系统各有关参数达到预定的报警、预报警设定值时，一般性报警发生。上位监控站上各个画面上的报警灯点亮，并发出报警音。同时现场控制柜上的报警灯亦点亮。具体报警位置需进入报警画面予以确认。
上位监控站的报警画面中正在闪动的报警行为尚未经确认的报警，此时可点击相关行后，再点击〈确认选中的报警〉按钮对该报警内容进行确认，或点击〈确认全部报警〉按钮确认当前未经确认的所有报警。
报警被确认后，如报警条件并未消失，则该报警行依然存在，只是不再闪动，同时报警音消失。如报警条件已消失，则该报警行将不复存在。
此时报警指示灯仍然点亮，只有点击该指示灯后，其才会发生变化。
在现场，可在确认报警位置后，直接按压复位按钮，进行报警确认。
在上位监控站上确认报警并点击报警指示灯、或在现场按下控制柜上的复位按钮后，如报警指示灯熄灭，则表示此时系统已没有任何报警存在。否则，则表示系统中至少存在一个以上的报警。
4.2．连锁报警
当制氢装置发生联锁故障时，则自动进入正常停车状态。同时显示报警状态。
连锁报警检测点为：氢、氧分离器液位下、下限、槽温上限、氢、氧碱流量下限。
4.3． 制氢装置发生槽压超高联锁故障时，系统立即泄压：
a.停整流柜、停补水泵、停加热电源、停分析仪取样（电气都停）。
b. 调节系统自动将压力、温度调节设置为0。
c. 干燥系统停止工作，开启413、308、G109、G110、G103、G104、G121进行快速泄压。
d. 泄压完毕后，停循环泵（停循环泵时，5秒前首先关闭自动阀107、207），进入充氮置换程序（同上一充氮置换程序）。
五、维护操作
当系统控制柜1中的维护开关处于“维护”位置时，可以进入上位监控站及现场操作屏的维护画面，在此，可以对制氢系统中的各个泵、阀进行单独或成组操作。
具体操作方法可参照本手册**部分和第三部分说明。
其中储罐冲补所涉及到的8个阀，只有在制氢装置1和制氢装置1的维护开关全部处于“维护”位置时，放可进行手动操作。
六、部分单回路控制逻辑
1.补水泵的控制
a.补水泵的控制有手/自动两种方式，只有在设备进行维护和系统开车前的备用状态下才能够在上位监控站和触摸屏上进行选择。设备正常开车时，程序控制复位到自动状态。
b.补水泵的自动控制（根据氢液位进行补水上、下限设置）。
c.补水泵自动控制时的联锁：氢氧分离器液位上、下限、槽温上限、槽压上限、氢、氧碱流量开关、整流柜故障。
d.控制柜面板可对补水泵开、停控制。
2.循环泵的控制
a.正常开车自动启动循环泵。
b.系统停车时自动停循环泵。
c.循环泵的联锁：当氢、氧流量下限时，15秒后停循环泵。
d.控制柜面板可对循环泵开、停控制。
3.配碱泵的控制
可随时上位监控站和触摸屏及控制柜面板上对配碱泵的开、停进行控制。
4.系统温度调节（水阀的控制）
a. 水阀为气闭式
b.根据循环碱温进行调节
c.可在触摸屏和CRT上进行PID值设定。
d.在系统维护状态时可进行手动/自动切换。
5.系统压力调节（氧侧阀的控制）
a. 氧阀为气开式
b.根据槽压进行调节
c. 可在触摸屏和CRT上进行PID值设定。
d.在系统维护状态时可进行手动/自动切换。
6.系统液位调节（氢侧阀的控制）
a.氢阀为气开式
b.氧液位为测量值
c.氢液位为给定值
d.可在触摸屏和CRT上进行PID值设定。
e.在系统维护状态时可进行手动/自动切换。
7.氢母管压力调节（母管调节阀的控制）
a.母管阀为气开式
b.根据母管压力进行调节
c.可在触摸屏和CRT上进行PID值设定。
d.在系统维护状态时可进行手动/自动切换。
8.自动阀B117、B118为供氢母管的外供氢阀、两条母管为一用一备，工作母管的自动开启，非工作母管的自动阀关闭。
