电解水制氢在核电站中的应用和运行要点

摘 要： 氢气因其显著特性在核电站有重要应用，制氢站包括氢气生产、贮存及分配系统装置。总结了系统操作要点，需注意通风禁火等安全事项、启机时进行氮气吹扫除氧、运行时重点关注氢气纯度、碱液温度、碱液循环量和氢氧液位。

关键词： 制氢站;氢气;碱液

1. 氢气在核电应用

某核电工程两台百万千万机组共用制氢站，用于发电机冷却和化容系统脱氧。氢气具有通风损耗小、传热快、不助燃、制取方便等优点，发电机采用氢气冷却具有较为广泛的应用。氢气通过发电机转子上的轴流风机循环，汽轮机端的多级轴流风机可提供充足的压力进行高效通风。热氢通过轴流风机从汽端抽出后通到氢冷却器，从冷却器中冷却的氢气回到励端，然后冷却定子铁芯和转子。在化容系统中，氢气以一定压力覆盖控制箱，用于向一回路冷却剂加氢以降低溶解氧浓度。

2. 氢气技术要求

氢气质量要求如下：纯度（H2+D2）大于99.95% （按体积计），最高供气温度45℃，露点温度小于-65℃，氧含量小于5ppm（按体积计），氮含量小于100ppm（按体积计）。单台核电机组运行时的年氢气消耗量 650 Nm3，单台核电机组按每年两次启动计的氢气用量 140 Nm3，常规岛单台汽轮发电机组的-次充灌用氢量 810 Nm3，常规岛两台汽轮发电机组正常运行时的 30 天补氢量 1200Nm3。按一台汽轮发电机组一次充灌量和两台汽轮发电机组正常运行 30 天补氢量考虑，常规岛正常贮存量 2010Nm3。

3. 制氢系统设备

根据以上氢气技术要求、消耗量和贮存量，核电工程采用两套制氢设备、三个中压卧式氢气贮罐和一个氢气分配装置。制氢设备按10Nm3/h的额定氢气产量进行设计，由框架制氢装置、气体减压分配装置、补水配碱装置、氮气吹扫装置、整流装置、控制柜、配电装置、计算机管理系统及冷水机组组成。制氢装置由电解槽、氢、氧分离器、氢洗涤器、循环泵、碱液过滤器、干燥器、冷却器、气水分离器、氢气过滤器等组成。以集气管的形式对氢气进行汇流与分配，其中一个集气管汇流外购氢气，然后送至中压贮氢罐储存以备使用;另一个集气管对贮氢罐送来的氢气经减压后进行分配。

4. 制氢系统运行要点

在正常运行状态下，操作人员需经常观察运行情况，正确操作，及时记录各参数及异常情况，一般每小时记录一次，遇到异常情况应及时停机处理。

4.1 安全事项

制氢间应通风良好，并采取相应的防爆措施。如防爆灯和安装报警器等。运行时不得进行任何修理工作，如若进行修理应先停车，分析制氢间的氢气浓度是否低于爆炸极限，同时必须通氮气排除装置和管道中的氢气和氧气，分析合格方能作业。制氢间严禁明火、吸烟、穿钉子鞋，操作人员不宜穿合成纖维、毛料工作服。严禁金属铁器等物相撞击，以免产生火花。

严禁氢气、氧气由压力设备及管道内急剧放出，以免造成爆炸或火灾。氢气系统运行时，不准敲击，不准带压修理，严禁负压。保持电解槽表面清洁。严防任何金属导体或其它杂物掉到电解槽上，以免造成短路。严禁碱液掉到极板间或极板与拉紧螺栓之间。

4.2 氮气吹扫

启机时，需进行氮气吹扫。氮气吹扫的目的是为了清除设备内的氧气。将纯化部分与外部连接的所有阀门关闭，内部阀门全部打开，向装置内充入氮气至0.5MPa。通过排气阀将装置内氮气减压至0.1MPa至0.2MPa。另需对氢气减压分配装置和4氢气储罐进行氮气吹扫。以上均需重复操作4次以清除氧气。

4.3 氢气纯度

氢气的含氧量不得高于0.2%，含氧量高于0.2%的氢气不得进入纯化部分。氢气经气水分离器滤除游离水后进入脱氧器，脱氧器内装填有可催化氢氧反应进行的钯触媒高效催化剂，脱氧器内装有电加热元件，经加温后，氢氧反应生成的水以气态被氢气带出脱氧器，进入冷却器。原料氢气的干燥在干燥器内完成，采用三台干燥器，在一个循环周期内，每台干燥器都依次经历工作、吸附、再生状态，从而实现整套装置工作的连续性。经纯化后氢气中氧含量小于5 ppm，方可进入储罐，否则排空处理。

4.4 碱液温度

电解槽正常运行温度范围为80℃至90℃。温度过高会造成电解槽损坏，超过92℃时系统将自动停机。当氢、氧分离器中碱液温度差大于10 ℃位，或槽温与分离器温度差30 ℃以 上时，应清洗碱液过滤器。清洗碱液过滤器应在停机时进行，首先关闭过滤器进盖，取出滤芯用自来水冲洗干净，再用原料水清洗一遍。如电解槽温度过高，可能是冷却水流量不足或冷却水温度过高，需调节冷却水量，降低冷水机组的冷却水温度。

4.5碱液循环量

电解制氢装置所采用的电解液为KOH溶液，溶液中的KOH起催化剂的作用，并不参与电解反应，故理论上并不消耗[1]，仅需进行补水。注意碱液循环量不能过大或过小，需保持0.45m3 /h至0.65m3 /h。碱液循环量过大，则氢气分离器和氧气分离器中气体和碱液不充分分离即进行再循环，混合后重新进入电解槽。过小会使电解槽温度过高而降低隔膜的使用寿命，可通过手动调节阀调节循环量。

4.6 氢氧液位

氢氧分离器正常液位范围270mm至370mm。因氢气分离器和氧气分离器直接与电解槽连通，如二者液位差较大，使得高压侧液体渗透隔膜与低压侧液体混合，进而使得饱和氢气碱液和饱和氧气碱液在电解槽或氢氧分离器中混合[2]，可能会存在爆炸风险。

5结语

本文介绍了某核电站机组电解水制氢的用途和设备，能满足核岛一回路化学和容积控制系统和常规岛汽轮发电机组氢气冷却系统对氢气的需求，为机组的安全经济运行提供了保障。结合在长期制氢工作经验，总结了系统操作运行要点，可为同类电解水制氢设备运行人员参考。

参考文献：

[1] 陈士英. 水电解制氢设备工艺流程及常见故障排除 [J] .内蒙古科技与经济，2011（4）：93-94.

[2] 韦振华. QDQ2-1型水电解制氢设备常见故障分析及其维护 [J]. 气象研究与应用，2012（33）：215-216.

【作者简介】魏雷（1986.11～），工程师，研究方向为核电项目管理