制氢系统氢氧分离器液位差增大原因分析.docx

制氢系统氢氧分离器液位差增大原因分析丽1 ，李贺全2刘( 1 国电承德( 滦河) 热电有限公司，河北承德 067102;2 华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045)摘 要: 制氢系统在运行中，氢氧分离器就地氢氧液位差不断变大; 这不仅超过了运行标准，而且存在氢氧连通的重大安全隐患。逐项分析查找原因，对氢氧两侧液位变送器、控制程序、就地液位计、系统管路污堵、电 解槽氢氧侧流动阻力差、氢氧控制阀泄漏等因素进行逐一试验排查; 确定主要原因是氢氧分离器就地液位计 在制氢运行时产生测量误差，经过改造后，氢氧侧液位差超标的现象彻底得到了解决，保证了安全生产。 关键词: 制氢系统; 氢氧分离器; 液位差; 密度中图分类号: TM621 9文献标识码: B文章编号: 1003-9171( 2013) 12-0057-03Cause Analysis on the Increasing of Level Difference betweenHydrogen and Oxygen Separator During theunning of Hydrogen GeneratorLiu Li1 ，Li He-quan21 Guodian Chengde( Luanhe) Thermal Power Co Ltd ，Chengde 067002，China;2 North China Electric Power esearch Institute Co Ltd ，Beijing 100045，China)Abstract: During the running of the hydrogen generator，the local level difference between hydrogen and oxygen sepa-rater continuously increases，which not only exceeds the running standard，but also may become a major source of hidden danger of mixing of the hydrogen and oxygen Through investigating various possible causes，such as the level transmitter，control program，local level meter，system pipeline pollution，flow resistance difference in both sides of the electrolytic bath and control valve leakage，etc，the main cause has been determined for the measurement error intro- duced by the local level meter of the separator during the running of hydrogen generating; after overhaul，the problem of over-standard level difference of the hydrogen and oxygen sides has been solved to ensure the production safety Key words: Hydrogen generator; hydrogen and oxygen separator; level difference; density回装后，系统出现了就地氢氧侧液位偏差超过了标准要求的 10 mm 以下( 最高达到 100 mm) ，严 重超标，且氧分离器水位随补水次数增加而逐渐上升，而控制电脑却显示正常的异常现象。氢氧 液位偏差大容易造成两侧氢氧混和，存在重大安全隐患。在液位差超过 50 mm 后，手 动 停 机; 制 氢系统启停频繁最后放 弃 运 行。发 电 机 组 用 氢不得不进行外部采购; 对全厂运行生产造成一定 影响。0前言国电承德 热电有限公司制氢系统是北京某 制氢设备厂生产的 DQ10 型中压水电解制氢设 备。该套系统于 2008 年 5 月投入运行，包括电解 槽、框架一( 主要设备为分离器、洗涤器、冷却器、 干燥器、碱液循环泵) 、框架二( 补氢气动门、减压阀、管路) 、框架三( 补水箱、补水泵、碱液箱、换热 器) 、硅整流柜、控制柜和电脑控制系统等几个部 分。设备运行至 2011 年 8 月份，由于产氢出力逐 渐降低和氧中氢含量逐渐升高，特委托设备厂家进行了电解槽的返厂解体大修。制氢系统运行 4 年时间，在电解槽返厂大修液位差变大原因分析制氢系统从电解槽到分离器基本流程为: 电 解槽内部的碱液在外部整流柜供电情 况 下 发 生158华北电力技术NOTH CHINA ELECTIC POWENo 12 2013电解反应，氢( 氧) 气在阴( 阳) 极电解小室产生，若干阴( 阳) 极小室汇集从电解槽两端出来，伴随 氢( 氧) 气的还有部分碱液，气液混合物通过电解槽管道进入氢氧分离器中进行气液分离，气体通 过分离器上部进入后续 工 序。分离后的碱液在 分离器的下 部，两 分 离 器 下 部 有 连 通 管，汇 合 后通过碱液循 环 泵、过 滤 器、冷却器回到电解槽内 形成内循环。制氢系统运行时，碱液在系统内循 环，氢气和氧气从碱液分离; 运行过程中，氢氧两侧液位变送器、控制程序、就地液位计、系统管路 污堵、电解槽氢氧侧流动 阻 力 差、氢 氧 控 制 阀 泄 漏等各因素都有可能使 得氢氧液位差变大。为查找原因，对上述各因素逐一进行了试验排查。出现的原因。1 3取样管路的影响可能导致 氧侧液位超高的原因是氧侧分离 器下部的管道堵塞导致分离器的液体 无 法 正 常和氢分离器的液体汇合后回流进入电解槽，导致 氧分离器的液位超高，我们在现场把前后的管道都拆下来，并没有发现管 路 有 异 物，同 时 我 们 还分别堵住氢( 氧) 侧出口让碱液全部通过氧 ( 氢)侧出口，碱液流量并没有 明 显 区 别，也 基 本 排 除 了是管道 堵 塞 的 情 况。另 外两侧就地玻璃液位 计也拆下进 行 了 冲 洗; 因 此，排除了该因素的影 响。氢氧分离器差压取样管内密度的影响氢氧液位计通过高压侧( 液相) 和低压侧( 气 相) 的压力差来检测碱液的高度。因 此，取 样 管内的液体密度必须和氢氧分离器内的密度一样，才能保证测量得到的差压值和氢氧液 位 的 高 度 一致。这可从下面的计算得到证明:对氧侧差压 变 送 器: 高 压 侧 压 力 为 P氧 + 氧gh氧 ，低压侧为 P氧 ，所 以 差 压 为 P氧 + 氧 gh氧 P氧 = 氧 gh氧 ，同样氢侧差压为 P氢 + 氢 gh氢 P氢 = 氢 gh氢 ; 两个差压变送器信号显示值相同，也就是说 氧 gh氧 = 氢 gh氢 ，既是 氧 h氧 = 氢 h氢现实的情况是氧侧的液位 h氧 高于氢侧的液位 h氢 ，也 就 是 h氧 h氢 ，那么可以推断出 氧 氢 ; 氧侧碱液密度小于氢侧密度的原因应做具体分析。首先，由于有补水的存在，可 能 导 致 了 氧 侧 碱液稀释，浓度的下降导致密度的下降。下面对上述可能性做具体分析:氧侧分离器补水一般是从 280 mm 开始补充 到 320 mm，筒体内径 203 mm，计算筒体内存在的碱液量为:3 14 ( 0 203 /2 ) 2 0 28 1 000 = 9 05 kg( KOH 碱液比重按 1 28 g / cm3 计算)单次加水量:3 14 ( 0 203 /2) 2 1 000 0 04 = 1 29 kg假定碱液原始浓度为 30% ，加水后浓度变为9 05 30% / ( 1 29 + 9 05) = 26%26% 的 KOH 碱液密度为 1 243 g / cm3 ，按静 态情况计算 1 28 320 = 1 243 h，h = 329 mm， 理论上补水在静态条件下氧侧应高出 9 mm。在 接下来的 15 分钟内电解槽的碱液会不断地进入1 4氢氧分离器变送器的影响控制电脑 接收到的液位信号是由就地液位 变送器传输过去; 安装于氢氧分离器上的差压变送器分别将氢分离器及氧分离器中碱 液 液 位 所形成的差压信号转换为标准的电信号 送 入 位 于 控制柜中的 PLC，PLC 对送入的氢氧液位信号进行比较及 PID 运算，并将结果转换为标准信号输出驱动执行机构氢氧控制阀，以保证氢氧分离器 内的液位平衡。对氢氧测差压变送器更换二次，问题仍然存在。差压变送器现场读数跟 PLC 一直显示一致，由此可以推断出差压变送器本身不 存在问题。1 2 电解槽氢氧侧流动阻力差的影响碱液进入 电解槽内还有一个充分的混合和 加热过程。从碱液系统的流向来看，进入电解槽时的碱液应该是经过充 分 的 混 合，其 密 度、温 度一致不会出现偏差，所以氢气所带的碱液和氧气 所带的碱液到分离器时应该不会产生 密 度 和 温度上的偏 差。但 是 液 位 差 变大的想象正好出现 在电解槽大修回来后，所以怀疑有可能电解槽检 修质量有 问 题。就 是 在 检 修后形成氢或者氧侧 堵塞，氢氧两侧的流动阻力不同; 在碱液循环时，氢氧两侧的碱液流速不同造成两侧出液偏差大， 液位不平。如果出现这种情况，由于氢氧侧流速 差异，会同时出现氢氧侧温差变大的现象。但通过解体发现，通 道 都 很 正 常，没有出现通道有堵 塞情况。同时电解槽的运行参数包括电流值( 氢 气产量) 、电压值( 直流电耗) 、小室电压、氢气纯度、氧气纯度、氢氧槽温均处于一个正常的状态，综上所述，我们认为电解槽本身并不是导致问题1 159No 12 2013华北电力技术NOTH CHINA ELECTIC POWE两个分离器中( 按碱液流量 600 L / h 计算，每分钟就有 10 L 的碱液进入分离器中，折算成质量就是12 8 kg) ，我们假定氧侧碱液 较 少，每 分 钟 只 有2 8 kg 碱液进入氧分离器，15 分钟也有 42 kg 的 碱液进入氧分离器，基本上都把分离器中碱液置 换了将近 5 次，氧分离器内碱液不会存在密度差 的问题。其次，由于补水的存在，可 能 除 盐 水 直 接 进 入到氧侧取样管内; 使得取样管内的密度小于氧 分离器内的碱液密度，形成碱液密度差。为了验证上述可能性，进行了下述试验:首先，启 动设备达到额定 状 态，设 备 补 水， 每次补水对液位计的实际液位进行测量。 每 补 一次水，液位有不 同 程 度 上 升，当达到偏离初始 内部液体无法进行交换混合，造成液位内部密度变小，从而相对液位变高。至此，上述试验完全证明氧侧差压取样管内 的碱液密度在运行中变小是形成氢氧 液 位 面 大 的直接原 因。而 导 致 取 样 管内密度变小的原因 则是由于设备运行中，补水( 除盐水) 不断进入取 样管内所致。解决方案针对上述原因，结合制氢设备已经运行 4 年 多时间，之前未出现类似 问 题，分析除盐水进入 取样管内的原因是氧分离器及补水系 统 使 用 时 间较长; 氧分离器内的布 水装置可能堵塞，除 盐 水不能畅通流入分离器 碱 液; 在 运 行 时，除 盐 水 喷溅进入取 样 管，随 时 间 的 累 积，进 入 的 除 盐 水 越多，其密 度 越 小。经 厂 家 同 意，将 系 统 补 水 口 从氧侧改为 氢 侧，通 过 运 行 观 察，氢 氧 侧 液 位 差 恢复在 10 mm 以下，系统安全运行至今。收稿日期: 2013-10-22作者简介: 刘丽( 1973) ，女，工程师，从事电厂化学生产技术管 理工作。( 本文编辑 季佳彬)2值 35mm时，对设备进行补碱 ( 碱 液 浓 度1 26 g / cm3 ，系统内碱液浓度 1 23 g / cm3 ) 。补碱2 个多小时过后，液位恢复初始值。在这个过程 中明显可以看到液位计上部有液体流入。重复试验，状态跟第一次相同。中间将液位 计上部阀门关闭( 防止液位计顶部进入液体) ，液 位无异常上升现象。试验观察进一步说明: 系统 液位只与液体密度有关。由于补水的纯水进入 液位计，液位计是一个相 对 静 止 的 死 区，与 容 器檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱( 上接第 56 页)“电压互感器供能”模式。随着激光技术及 光 电转换技术的 发 展，激 光 元 器件稳定性将更高、使 用寿命将更 长、光 电 转 换 效 率 将 更 大，而 激 光 供 能技术将因 其 简 单、稳 定 性、可靠性在串补装置 中得到更好的推广和应用。6结语在 500 kV 汗沽双回线串补工 程 中，ABB 公司首次在全球推出“电压互感器供能”模式，该工程投产后其平台供能系统故障率较高，供能变压 器、供能板卡多次发生故障，故障原因涉及到设 计失误、电磁干扰和元器件筛选等方面。500 kV 汗沽双回线串补装置虽经过多次改进，其运行稳 定性有所提升，但仍受制于高电压和强电磁干扰 等运行 条 件，难 以 保 证 串 补装置有较高的投运 率。目前，“CT 供能”、“激光供能”、“电压互感器 供能”等供能方式在国内超高压