电解水制氢在电厂和氢能项目的设计应用

发布时间:2021-09-08 09:41:50 点击:26 来源:红日电气

电解水制氢是一种清洁、高效、可持续的制氢 技术,其制氢工艺简单,氢气纯度可达 99.999%, 产品纯度高。电解水制氢不受电厂周边有无可靠、合格外购氢气条件的限制,设备寿命期内制氢成本低,已普遍应用于燃煤电厂、燃气电厂和核电厂,为这些电厂的氢冷发电机持续提供可靠且满足发电机纯度、湿度要求及用量的氢气。

为了缓解传统能源短缺和环境污染问题的加剧,国内正在陆续建设一批规模化的风力发电厂、太阳能光伏发电厂和太阳能光热发电厂。这些可再生能源发电厂配套的氢能一体化项目规模大,氢气纯度要求高,电解水制氢技术在大规模制氢中是 最具潜力,也是最成熟的技术之一。

1、电解水制氢技术简介

电解水制氢技术是以除盐水为原料,借助直流电的作用,将水分解为氢气和氧气的电化学过程。根据电解槽种类的不同,电解水制氢主要分为碱性电解水制氢、PEM 质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢三种技术。由于PEM 质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽造价相对较高,应用实例相对较少,加上碱性电解水制氢的槽体结构简单、易于操作、价格相对 便宜且技术最成熟,目前在传统电厂应用最多的是碱性电解水制氢。碱性电解水制氢技术安全可靠、运行寿命长、经济性能好,也比较适合应用于可再 生能源发电厂配套的大规模氢能项目。因此,本文中的电解水制氢是指碱性电解水制氢技术。

2、电解水制氢在传统电厂中的设计

本文以某2×660 MW 机组燃煤电厂为例,来阐述其电解水制氢系统设计方案。

2. 1 基础数据

1) 发电机充氢容积:120 Nm³。

2) 发电机漏氢量:≤16 Nm³/24 h。

3) 发电机运行氢压:0.5 MPa (g)。

4) 氢气供应出口压力:0.8 MPa。

5) 补氢纯度:≥99.9%。

6) 补氢湿度:露点温度≤-50 ℃。

2. 2 工艺系统方案

《发电厂化学设计规范》(DL 5068-2014) 规定:制氢设备的总容量,宜按全部氢冷发电机的正常消耗量以及能在7 天时间积累起最大一台氢冷发电机的一次启动充氢量之和设计。

根据此标准规定及基础数据,制氢设备出力计算如下:

2 台发电机 7 天正常氢气消耗量:16×7×2=224(Nm³)。

1 台发电机置换氢气系统所需氢气量:120×3=360(Nm³)。

1 台发电机充氢至运行氢压所需氢气量:120×5=600(Nm³)。

1 台发电机一次启动的充氢量:360+600=960(Nm³)。

2×660 MW 机组制氢设备出力:(224+960) ÷7÷24=7.1(Nm³/h)。

基于以上计算结果,该电厂电解水制氢站主要设备配置方案:

1) 配置 1 套 10 Nm³/h 的电解水制氢装置及附属设备,包括电解槽、氢分离器、氧分离器、氢洗涤器、氢冷却器、氢气水分离器、氢排水器、脱氧干燥/纯化器、碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器等。

2) 配置 1 套电解水制氢辅助设备,包括碱液箱、除盐水补水箱、补水泵等。

3) 配置 1 台流量为 10 Nm ³/h, 出口压力为3.2 MPa 的氢气压缩机;配置1 台氢气缓冲罐。

4) 配置 4 台标准水容积为 13.9 m3,充氢压力为3.2 MPa 的氢气贮存罐。

5) 配置1 套氢气分配盘,进口压力为3.2 MPa,出口压力为0.8 MPa。

6) 配置1 台气动阀门用压缩空气贮存罐。

7) 配置1 套氮气瓶组。

8) 配置在线分析仪器,包括氢气检漏仪、氢气露点仪、氢中氧分析仪和氧中氢分析仪;配置压力表、压力变送器、液位计和温度计等仪表。

9) 配置配电柜、整流柜、制氢控制柜和DCS控制柜等电控设备。

2. 3 设备布置

电解水制氢站总占地约 33 m×37 m,周围设有不低于 2.5 m 的实体围墙,围墙内分为电解水制氢车间和贮存罐区。电解水制氢车间与贮存罐区间隔16 m,满足规范所要求的安全距离。

电解水制氢车间包括电解间、辅助间、压缩间、配电间和控制间,电解水制装置及附属设备、氮气瓶组布置在电解间,电解水制氢辅助设备布置在辅助间,氢气压缩机、氢气缓冲罐和氢气分配盘布置在压缩间,配电柜和整流柜布置在配电间, 制氢控制柜和 DCS 控制柜布置在控制间。氢气贮存罐和压缩空气贮存罐布置在室外贮存罐区。

3、电解水制氢在氢能项目中的设计

本文以某300 MW 风力发电及太阳光伏发电厂为例,来阐述其配套氢能一体化项目电解水制氢系统设计方案。

3. 1 基础数据

1) 电解水制氢规模:30 MW。

2) 氢气贮存量:11 100 Nm³。

3) 氢气供应出口压力:20 MPa。

4) 氢气纯度:≥99.999%。

5) 氢气湿度:露点温度≤-50 ℃。

6) 氢气中氧含量:≤5 ppm (体积浓度)。

3. 2工艺系统方案

根据以上基础数据,该风电及光伏发电厂氢能项目电解水制氢站主要设备配置方案:

1) 配置6 套1 000 Nm³/h 的电解水制氢装置及附属设备,每套包括电解槽、氢分离器、氧分离 器、氢洗涤器、氧洗涤器、氢冷却器、氧冷却器、氢气水分离器、氧气水分离器、氢排水器、氧排水 器、脱氧干燥/纯化器、碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器等。

2) 配置3 套电解水制氢辅助设备,每2 套制氢

装置共用 1 套辅助设备, 每套辅助设备包括碱液箱、除盐水补水箱、补水泵等。

3) 配置 7 台流量为 1 000 Nm³/h,出口压力为

20 MPa 的氢气压缩机,6 用 1 备;配置 2 台氢气缓冲罐。

4) 配置15 台标准水容积为37 m3,充氢压力为

20 MPa 的氢气鱼雷贮存罐,并配置3 辆专用鱼雷贮存罐长管拖车,用于向各加氢站和氢气用户运输高压氢气。

5) 由于风电及光伏发电厂不设置除盐水制备系统,其配套的氢能项目需在制氢站内设置除盐水制备和贮存设备,向制氢设备提供电解用原料除盐水。除盐水制备系统的水源为市政自来水,采用全膜法处理工艺。

配置3 套出力为4 t/h 的除盐水制备装置,2 用1

备;并配置1 台100 m3 除盐水箱,满足制氢设备连续运行12 h 除盐水用量。

6) 配置 1 套气动阀门用压缩空气制备和贮存装置,包括2 台空压机,1 套过滤净化装置和2 台压缩空气贮存罐。

7) 配置 3 套氮气瓶组,每 2 套制氢装置共用 1套氮气瓶组。

8) 配置在线分析仪器, 包括氢气检漏仪、氢气露点仪、氢中氧分析仪和氧中氢分析仪;配 置压力表、 压力变送器、 液位计和温度计等仪表。

9) 配置变压器、整流柜、制氢控制柜和DCS控制柜等电控设备。

3. 3 设备布置

电解水制氢站总占地约 129 m×103 m,周围设有不低于 2.5 m 的实体围墙,围墙内分为电解水制氢车间和长管拖车充装站。

电解水制氢车间与长管拖车充装站间隔 40 m, 满足规范所要求的安全距离。电解水制氢车间包括电解间、辅助间、压缩间、氮气瓶间、除盐水制备间、空压机间、变压器间、整流柜间和控制间,电解水制氢装置及附属设备布置在电解间,电解水制氢辅助设备布置在辅助间,氢气压缩机和氢气缓冲罐布置在压缩间,氮气瓶组布置在氮气瓶间,除盐水制备和贮存设备布置在除盐水制备间,压缩空气制备和贮存装置布置在空压机间,变压器布置在变压器间,整流柜布置在整流柜间, 制氢控制柜和 DCS 控制柜布置在控制间。

氢气鱼雷贮存罐每 5 罐为 1 组,按车位顺序依次停放在3 个长管拖车充装站内,长管拖车充装站为敞开式建筑,上部设有顶棚。

4 、结 论

碱性电解水制氢技术的槽体结构简单、易于操作、价格便宜且技术成熟,已普遍应用于燃煤电 厂、燃气电厂和核电厂的氢冷发电机补氢。这些传统电厂设置的电解水制氢装置设计出力一般为 10 Nm³/h,配套设置相应贮氢容量的氢气贮存罐, 能为电厂氢冷发电机持续提供可靠且满足发电机纯 度、湿度要求及用量的氢气。

碱性电解水制氢技术安全可靠、运行寿命长、经济性能好, 在大规模制氢中是最具潜力, 也是最成熟的技术之一, 比较适合应用于风力、太阳能光伏、太阳能光热等可再生能源发电厂配套的氢能一体化项目。这些大规模氢能项目设置 的电解水制氢装置设计出力一般为 1 000 Nm³/h, 配套设置相应贮氢容量的氢气鱼雷贮存罐和专用 鱼雷贮存罐长管拖车,能为各加氢站和氢气用户 持续提供可靠且满足纯度、湿度要求及用量的氢气。


本文摘自今日头条 氢云链   编辑:氢氢我心 校对:风氢扬 审核:氢云小仙女

来源:《南方能源建设》,作者单位,中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司

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