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            電解水制氫在電廠和氫能項目的設計應用

            發布時間:2021-09-08 09:41:50 點擊:54 來源:紅日電氣

            電解水制氫是一種清潔、高效、可持續的制氫 技術,其制氫工藝簡單,氫氣純度可達 99.999%, 產品純度高。電解水制氫不受電廠周邊有無可靠、合格外購氫氣條件的限制,設備壽命期內制氫成本低,已普遍應用于燃煤電廠、燃氣電廠和核電廠,為這些電廠的氫冷發電機持續提供可靠且滿足發電機純度、濕度要求及用量的氫氣。

            為了緩解傳統能源短缺和環境污染問題的加劇,國內正在陸續建設一批規?;娘L力發電廠、太陽能光伏發電廠和太陽能光熱發電廠。這些可再生能源發電廠配套的氫能一體化項目規模大,氫氣純度要求高,電解水制氫技術在大規模制氫中是 最具潛力,也是最成熟的技術之一。

            1、電解水制氫技術簡介

            電解水制氫技術是以除鹽水為原料,借助直流電的作用,將水分解為氫氣和氧氣的電化學過程。根據電解槽種類的不同,電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、PEM 質子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫三種技術。由于PEM 質子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽造價相對較高,應用實例相對較少,加上堿性電解水制氫的槽體結構簡單、易于操作、價格相對 便宜且技術最成熟,目前在傳統電廠應用最多的是堿性電解水制氫。堿性電解水制氫技術安全可靠、運行壽命長、經濟性能好,也比較適合應用于可再 生能源發電廠配套的大規模氫能項目。因此,本文中的電解水制氫是指堿性電解水制氫技術。

            2、電解水制氫在傳統電廠中的設計

            本文以某2×660 MW 機組燃煤電廠為例,來闡述其電解水制氫系統設計方案。

            2. 1 基礎數據

            1) 發電機充氫容積:120 Nm3。

            2) 發電機漏氫量:≤16 Nm3/24 h。

            3) 發電機運行氫壓:0.5 MPa (g)。

            4) 氫氣供應出口壓力:0.8 MPa。

            5) 補氫純度:≥99.9%。

            6) 補氫濕度:露點溫度≤-50 ℃。

            2. 2 工藝系統方案

            《發電廠化學設計規范》(DL 5068-2014) 規定:制氫設備的總容量,宜按全部氫冷發電機的正常消耗量以及能在7 天時間積累起最大一臺氫冷發電機的一次啟動充氫量之和設計。

            根據此標準規定及基礎數據,制氫設備出力計算如下:

            2 臺發電機 7 天正常氫氣消耗量:16×7×2=224(Nm3)。

            1 臺發電機置換氫氣系統所需氫氣量:120×3=360(Nm3)。

            1 臺發電機充氫至運行氫壓所需氫氣量:120×5=600(Nm3)。

            1 臺發電機一次啟動的充氫量:360+600=960(Nm3)。

            2×660 MW 機組制氫設備出力:(224+960) ÷7÷24=7.1(Nm3/h)。

            基于以上計算結果,該電廠電解水制氫站主要設備配置方案:

            1) 配置 1 套 10 Nm3/h 的電解水制氫裝置及附屬設備,包括電解槽、氫分離器、氧分離器、氫洗滌器、氫冷卻器、氫氣水分離器、氫排水器、脫氧干燥/純化器、堿液循環泵、堿液冷卻器、堿液過濾器等。

            2) 配置 1 套電解水制氫輔助設備,包括堿液箱、除鹽水補水箱、補水泵等。

            3) 配置 1 臺流量為 10 Nm 3/h, 出口壓力為3.2 MPa 的氫氣壓縮機;配置1 臺氫氣緩沖罐。

            4) 配置 4 臺標準水容積為 13.9 m3,充氫壓力為3.2 MPa 的氫氣貯存罐。

            5) 配置1 套氫氣分配盤,進口壓力為3.2 MPa,出口壓力為0.8 MPa。

            6) 配置1 臺氣動閥門用壓縮空氣貯存罐。

            7) 配置1 套氮氣瓶組。

            8) 配置在線分析儀器,包括氫氣檢漏儀、氫氣露點儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀;配置壓力表、壓力變送器、液位計和溫度計等儀表。

            9) 配置配電柜、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設備。

            2. 3 設備布置

            電解水制氫站總占地約 33 m×37 m,周圍設有不低于 2.5 m 的實體圍墻,圍墻內分為電解水制氫車間和貯存罐區。電解水制氫車間與貯存罐區間隔16 m,滿足規范所要求的安全距離。

            電解水制氫車間包括電解間、輔助間、壓縮間、配電間和控制間,電解水制裝置及附屬設備、氮氣瓶組布置在電解間,電解水制氫輔助設備布置在輔助間,氫氣壓縮機、氫氣緩沖罐和氫氣分配盤布置在壓縮間,配電柜和整流柜布置在配電間, 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。氫氣貯存罐和壓縮空氣貯存罐布置在室外貯存罐區。

            3、電解水制氫在氫能項目中的設計

            本文以某300 MW 風力發電及太陽光伏發電廠為例,來闡述其配套氫能一體化項目電解水制氫系統設計方案。

            3. 1 基礎數據

            1) 電解水制氫規模:30 MW。

            2) 氫氣貯存量:11 100 Nm3。

            3) 氫氣供應出口壓力:20 MPa。

            4) 氫氣純度:≥99.999%。

            5) 氫氣濕度:露點溫度≤-50 ℃。

            6) 氫氣中氧含量:≤5 ppm (體積濃度)。

            3. 2工藝系統方案

            根據以上基礎數據,該風電及光伏發電廠氫能項目電解水制氫站主要設備配置方案:

            1) 配置6 套1 000 Nm3/h 的電解水制氫裝置及附屬設備,每套包括電解槽、氫分離器、氧分離 器、氫洗滌器、氧洗滌器、氫冷卻器、氧冷卻器、氫氣水分離器、氧氣水分離器、氫排水器、氧排水 器、脫氧干燥/純化器、堿液循環泵、堿液冷卻器、堿液過濾器等。

            2) 配置3 套電解水制氫輔助設備,每2 套制氫

            裝置共用 1 套輔助設備, 每套輔助設備包括堿液箱、除鹽水補水箱、補水泵等。

            3) 配置 7 臺流量為 1 000 Nm3/h,出口壓力為

            20 MPa 的氫氣壓縮機,6 用 1 備;配置 2 臺氫氣緩沖罐。

            4) 配置15 臺標準水容積為37 m3,充氫壓力為

            20 MPa 的氫氣魚雷貯存罐,并配置3 輛專用魚雷貯存罐長管拖車,用于向各加氫站和氫氣用戶運輸高壓氫氣。

            5) 由于風電及光伏發電廠不設置除鹽水制備系統,其配套的氫能項目需在制氫站內設置除鹽水制備和貯存設備,向制氫設備提供電解用原料除鹽水。除鹽水制備系統的水源為市政自來水,采用全膜法處理工藝。

            配置3 套出力為4 t/h 的除鹽水制備裝置,2 用1

            備;并配置1 臺100 m3 除鹽水箱,滿足制氫設備連續運行12 h 除鹽水用量。

            6) 配置 1 套氣動閥門用壓縮空氣制備和貯存裝置,包括2 臺空壓機,1 套過濾凈化裝置和2 臺壓縮空氣貯存罐。

            7) 配置 3 套氮氣瓶組,每 2 套制氫裝置共用 1套氮氣瓶組。

            8) 配置在線分析儀器, 包括氫氣檢漏儀、氫氣露點儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀;配 置壓力表、 壓力變送器、 液位計和溫度計等儀表。

            9) 配置變壓器、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設備。

            3. 3 設備布置

            電解水制氫站總占地約 129 m×103 m,周圍設有不低于 2.5 m 的實體圍墻,圍墻內分為電解水制氫車間和長管拖車充裝站。

            電解水制氫車間與長管拖車充裝站間隔 40 m, 滿足規范所要求的安全距離。電解水制氫車間包括電解間、輔助間、壓縮間、氮氣瓶間、除鹽水制備間、空壓機間、變壓器間、整流柜間和控制間,電解水制氫裝置及附屬設備布置在電解間,電解水制氫輔助設備布置在輔助間,氫氣壓縮機和氫氣緩沖罐布置在壓縮間,氮氣瓶組布置在氮氣瓶間,除鹽水制備和貯存設備布置在除鹽水制備間,壓縮空氣制備和貯存裝置布置在空壓機間,變壓器布置在變壓器間,整流柜布置在整流柜間, 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。

            氫氣魚雷貯存罐每 5 罐為 1 組,按車位順序依次停放在3 個長管拖車充裝站內,長管拖車充裝站為敞開式建筑,上部設有頂棚。

            4 、結 論

            堿性電解水制氫技術的槽體結構簡單、易于操作、價格便宜且技術成熟,已普遍應用于燃煤電 廠、燃氣電廠和核電廠的氫冷發電機補氫。這些傳統電廠設置的電解水制氫裝置設計出力一般為 10 Nm3/h,配套設置相應貯氫容量的氫氣貯存罐, 能為電廠氫冷發電機持續提供可靠且滿足發電機純 度、濕度要求及用量的氫氣。

            堿性電解水制氫技術安全可靠、運行壽命長、經濟性能好, 在大規模制氫中是最具潛力, 也是最成熟的技術之一, 比較適合應用于風力、太陽能光伏、太陽能光熱等可再生能源發電廠配套的氫能一體化項目。這些大規模氫能項目設置 的電解水制氫裝置設計出力一般為 1 000 Nm3/h, 配套設置相應貯氫容量的氫氣魚雷貯存罐和專用 魚雷貯存罐長管拖車,能為各加氫站和氫氣用戶 持續提供可靠且滿足純度、濕度要求及用量的氫氣。


            本文摘自今日頭條 氫云鏈   編輯:氫氫我心 校對:風氫揚 審核:氫云小仙女

            來源:《南方能源建設》,作者單位,中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司

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