氢冷却及制备系统培训课件

氢冷却及制氢系统主要内容

一、发电机的冷却介质二、氢气基本特性和用途三、制氢原理及设备简介四、氢气的控制参数与化学监督五、发电机气体系统与气体置换一、发电机的冷却介质

1、发电机对冷却介质的基本要求2、发电机的冷却介质和冷却方式1、发电机对冷却介质的基本要求⑴比热容大。比热容大则单位介质在同一温升下带出的热量就多，即带走同样的热量所需要的介质量小⑵黏度小。当速度不变时，黏度小则传热能力大，且流动摩擦阻力较小。⑶热导率大。当速度不变时，热导率越大，热交换能力越大，内部降温越小。⑷密度小。对于气体介质而言，密度小则通风损耗也小。⑸介电强度高。这可减少电晕，有利于安全。⑹无毒，无腐蚀性，化学稳定。⑺价格便宜。2、发电机的冷却介质和冷却方式⑴空气。空气冷却方式冷却能力很小，通风损耗和摩擦损耗很大，单机容量增大时，需要的冷却空气流量也相应增大，这就使空冷发电机的设计尺寸增大，给发电机的制造、安装、及运行管理带来很多不便。⑵氢气。氢气在各种气体中密度最小，传热最好，通风和摩擦损耗最小，清洁。在气体中氢气是最适宜作为发电机冷却介质。⑶水。纯水不仅有较高的绝缘性，而且有较大的热容量。此外，在实际允许的流速下，水的粘度小，这使表面易于传热，从而保证发电机绕组与水之间的温度降很小。水是很好的冷却介质，不仅具有很大的比热容和热导率，而且价廉、无毒、不助燃，无爆炸危险。冷却方式采用水作为冷却介质的汽轮发电机组一般有如下三种冷却方式：⑴定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷的水—氢—氢型。⑵定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁芯氢冷的水—水—氢型。⑶定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁芯空冷的水—水—空型。目前，国内外的大型发电机组基本采用定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷的水—氢—氢型冷却方式二、氢气基本特性和用途1、氢气的基本特性2、用途和缺点1、氢气基本特性⑴氢气是一种无色、无味、无毒的气体，在标准状态下，其密度为0.0697g/L,仅相当于同体积空气的1/14.3，是各种气体中最轻的一种，沸点为-253℃。⑵氢气微溶于水，在0℃时，每100体积的水只能溶解2体积的氢，而且随温度升高，溶解度减小。⑶氢气是窒息性气体，可使人体缺氧，当空气中含量达到50%时人有明显症状，浓度为75%即可使人死亡。⑷氢气的导热能力最好，其热导率是空气的6.69倍。⑸氢气有很强的渗透性和扩散性。随着温度和压力的升高，渗透作用增大。⑹氢气与氧气燃烧会化合成水2H2+O2→2H2O。氢气能自燃，不能助燃。氢气与空气或氧气容易形成爆炸性气体,混合气体点燃时有爆鸣声。2、用途和缺点在电力行业用作发电机的冷却介质。氢气由电解水制取。缺点，当氢气与空气或氧气容易形成爆炸性气体。下表列出了氢气的燃烧、爆炸性能在空气中的燃烧范围（体积分数，%）4.0～75.0在空气中的爆轰范围（体积分数，%）18.0～59.0在氧气中的燃烧范围（体积分数，%）4.65～94.0在氧气中的爆轰范围（体积分数，%）18.3～58.9在空气中的着火温度（℃）585在氧气中的着火温度（℃）560三、制氢原理1、氢气的工业制取方法简述2、电解水制氢的原理3、电解水制氢设备4、电解水制氢装置结构5、制氢设备的运行与管理1、氢气的工业制取方法简述⑴电解水制氢法这种方法是利用电解液中电离出来的氢离子H+和氢氧根离子OH-分别在阴极和阳极上进行电化学反应，析出O2和H2。由于这种制氢工艺的副产物是氧气，没有其他有害的杂质，氢气纯度可达99.5%以上，能满足发电机对冷却介质的要求，所以电厂都采用电解水制取氢气。⑵其他方法水煤气法、碳氢化合物裂解法、碱与硅反应、水与氢化钙反应、甲烷转化法、铁蒸汽法。这几种方法得到的氢气纯度不高，达不到要求。2、电解水制氢的原理⑴电解电解是指电解质溶液在直流电流的作用下所发生的一种化学反应过程。电解过程实际上是一种氧化还原过程，而且所得氧气与氢气的比列是1﹕2。⑵为什么制氢电解水过程要加入电解液由于纯水的电阻率很大，电流很小，产气率很低。因此在实践过程中通常加入电解质，增加水溶液的导电性能，以提高产气率。考虑到电解槽和电极板的防腐和盐类沉积，大都加入氢氧化钾,也有加入氢氧化钠的。⑶生产1m3氢气实际消耗电能大约为4.5～5.5kW·h，消耗水量大约为845～850g。3、国产中压电解水制氢设备①ZH②D③Q-④X/⑤X①表示中压②表示电解③表示制氢④表示氢气压力(MPa)⑤表示制氢量（m3/h）。我们今天主要介绍国产中压电解水制氢设备，这种制氢设备主要用于200MW及以上的氢冷发电机组，主要技术参数如下：⑴氢气产量一般10m3/h，也有5m3/h、12m3/h的⑵氢气纯度：≥99.8%⑶氢气湿度：≤-50℃⑷氧气纯度：≥99.2%⑸碱液浓度：氢氧化钠（20%～25%），氢氧化钾（26%～30%）4、比利时中压电解水制氢装置⑴电解槽。电解制氢⑵气体分离器。从电解槽电解出来的氢气和氧气，带有一定数量的碱液，所以必须气液分离。⑶气体洗涤器、热交换器和聚结过滤器。洗涤器主要洗涤氢气中残留的电解液，在洗涤器中，氢气与补给水逆向接触，使电解液由气态转为液态，回到电解液中；在热交换器中一除去氢气和氧气中的水分，二气体露点会降低到比冷却水高几度的露点温度。⑷脱氧装置。提高氢气纯度，使氢气中的微量氧气转化为水。4、比利时中压电解水制氢装置⑸干燥装置。提纯和除湿使氢气达到合格标准。⑹补水箱。定时注入除盐水到电解液中，补充电解过程中消耗的水。⑺汇流排（框架二）。用于氢气充罐及向发电机补氢。⑻储氢管。储氢⑼水封及阻火器。防止回火及火焰蔓延。电解水制取氢气的流程首先氢气从电解槽各小电解室电解出来汇集后，与携带的碱液一起由碱液循环泵送入分离洗涤器。在重力作用下，氢气与碱液分离，碱液由循环泵送回电解槽，氢气则沿氢气管进入气体冷却器，冷却至一定温度后进入气水分离器。在气水分离器中，氢气中的水分被冷凝液态分离排出，氢气再经过脱氧装置和干燥装置后通过汇流排（框架2）进入储氢罐，供发电机氢冷使用。5、制氢设备的运行与管理⑴应根据规定并参照同类型设备运行经验，编写出适合本单位的安全规程和运行规程。⑵制氢设备运行时应对关键参数有记录，做成报表形式。比如工作压力、槽温、槽电压、氢气产量、氢气纯度和湿度等。⑶当电解槽严重泄漏、气体纯度下降、极板腐蚀严重等严重影响安全生产时，必须进行检修。在检修时应区分动火和不动火检修，并有相关操作规程。⑷制氢设备应对各部件挂牌标示，氢罐及系统应统一着色。⑸制氢站应挂有安全警示标示。用水的电化学反应方程计算电解用水理论耗量2H2O→2H2+O2例题：生产1m3（1000L）氢气时的理论耗水量？22.4L-1mol氢气在标准状况下的体积。X/18=1000/22.4X=804g四、氢气质量的控制参数与化学监督1、氢气纯度2、氢气湿度3、氢气泄漏1、氢气纯度为使氢冷发电机组稳定、安全、经济运行、必须对氢气运行质量进行监督管理。氢气纯度的表示单位为%，氢气是易燃易爆气体，在密闭容器中，当氢气与空气混合，氢气的含量为4%～75%时，即易形成爆炸的混合气体。因此我国《汽轮发电机运行规程》规定：发电机内氢气纯度≥96%，低于此值时，应立即排污。氢冷发电机组保持高纯度氢气，其主要目的提高发电机的效率，保证机组安全运行。国外研究当发电机内混入空气或氢气纯度下降时，其通风摩擦损耗随氢气纯度下降而上升。氢气的纯度分析氢气纯度是氢气化学监督的指标之一，所以必须对制氢系统的氢气和从氢冷发电机内的氢气进行检测。以前氢气纯度检测使用奥式气体分析仪分析，这种分析属于手工化学分析。因为它是利用气体的某些特性，通过化学反应进行。其原理是当气体样品与吸收剂接触时，产生化学反应，使其中的某种气体被吸收不再逸出。由气体样品体积减少可计算出该种气体的体积百分比含量。这种分析检测的缺点：分析手段原始、落后、复杂，仪器分析时所需的化学试剂会失效要经常配制，分析结果准确性取决于分析人员对仪器操作熟练度。现在一般使用便携式氢气纯度仪分析检测，采用热导原理，基于氢气在气体中导热能力最好，因此当混合气体中背景气体或其它成分基本保持恒定时，混合气体的导热率基本上取决于氢气的多少，即通过混合气体的导热率的测量来决定混合气体中氢气的百分比浓度。

测量范围0～100%，有在空气中或二氧化碳中等几种测量模式。使用简单方便，检测准确，数据重现性好。造成氢气纯度降低的原因：①密封瓦安装检修质量不好或结构不合理，可导致氢气侧回流量偏大；密封油中溶解水分或空气混入氢气中，使氢气纯度下降。②由储氢管补充的氢气不合格。③密封油箱的油位过低，从主油箱补充的油中混入空气。保证氢气纯度的措施：①定期排污。即采用气体置换措施，当发电机内氢气纯度≤96%，就应进行排污。②保持正常氢压。防止外界空气进入机壳内。③定期检查发电机底部排污管是否有油污，并检查主油箱油位是否明显下降，防止发电机内部进油。④保证密封油压力在适当位置，维持在略高于发电机氢压。2、氢气湿度随着发电机容量越来越大，以及因氢气湿度超标引起的事故，对于发电机氢气湿度超标造成的危害和限制标准及降低湿度的措施相关专业人员做了很多研究和探讨。以前氢气湿度的单位一直采用绝对湿度，现在的单位为露点温度(℃)，而且对氢气湿度的上下限严格界定。氢气湿度超标可使发电机内氢气纯度相应降低，导致通风和摩擦损耗增加，使机组效率降低；可以引发发电机绝缘击穿事故；还容易引起转子护环产生腐蚀裂纹。氢气的湿度分析氢气湿度是影响氢冷发电机安全运行的重要因素之一，所以必须对氢气湿度进行分析。氢气湿度分析方法有很多，现在主要使用便携式氢气湿度仪检测分析。仪器一般采用露点传感器及先进的数字处理技术，实现对气体中水分含量的自动快速检测。氢气湿度的表示方法湿度是表示气体中水蒸气含量的一个物理量。氢气湿度的表示方法有以下三种：①绝对湿度是指单位体积气体中所含水蒸气的含量，单位为g/m3。②相对湿度指在某一温度下，每立方米气体所含水蒸气的质量与同温度下每立方米气体所能含有的最大水蒸气质量之比或某一温度下气体中所含水蒸气的分压与同一温度下饱和蒸汽的分压之比。相对湿度用%表示。③露点指气体在水蒸气含量和气压不变的条件下，冷却到水汽饱和结露时的温度，气体中的水蒸气含量越少，其饱和而结露的所要求的温度越低。反之，气体中水蒸气含量越多，降温不多就可出现结露。因此，露点的高低也是衡量气体中水蒸气含量的一种方法。造成氢气湿度超标的原因：①制氢系统氢气湿度不合格。②氢气干燥装置失效，没有起到去除氢气中水分的作用。③发电机密封油中微水超标，含有超标水分的密封油通过密封瓦窜入或渗入发电机内，使氢气湿度超标。④由定子绕组、氢气冷却器及其它冷却水系统渗入发电机内的水分。防止氢气湿度超标的建议：①发电机氢气去湿装置应正常投入使用，及时更换失效的干燥剂。②严格控制运行中密封油质量。③氢罐应定期排污，常用氢罐应1至3天排污一次。机组停机时加强对氢罐检测，发现湿度超标，及时置换。发电机氢气湿度相关标准根据规定氢气湿度的表示方法采用露点温度表示。对于氢冷发电机组的氢气湿度上下限国家也有规定要求。电力行业标准DL/T651-1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》，规定发电机内氢气湿度和供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气湿度均以露点表示氢气湿度。（06年和08年的全省氢冷机组运行氢气质量普查中发现有些电厂氢气湿度的表示单位使用老式绝对湿度单位）标准内容如下：①发电机在运行氢压下的氢气允许湿度高限。当发电机内最低温度（最低温度指氢气温度或氢冷却器进水温度）大于10℃时，氢气湿度不大于露点0℃；停机时，当机内温度低于5℃时，机内氢气湿度不大于露点-5℃。机内允许的氢气湿度的低限为露点-25℃。当机内氢气温度＞10℃时，氢气湿度0～-25℃。当进内氢气温度＜5℃时，氢气湿度-5～-25℃。②供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气正常压力下的允许氢气湿度。对于新建、扩建电厂，露点温度≤-50℃。一般情况下我们所说的发电机氢气湿度是换算成氢压下的数据。氢气的除湿氢气在电解制取过程中与碱液和水接触，所以氢气中含有水分是不可避免的；另外，氢冷机组在运行过程中，密封油中的水分也会扩散到氢气中。因此要保证氢气湿度在规定范围内，就必须不断除湿。在制氢系统设有干燥装置对氢气除湿。在发电机侧也有氢气除湿装置，一般采用冷凝和吸附除湿两种方法。①冷凝水在不同温度下有三种变化（固、气、液），如果将氢气先送入一个环境温度低于0℃冷凝干燥器，可使氢气温度下降到0℃以下，氢气中的水分就会冷凝而分离。主要由回热器、冷却器、储水箱组成。②吸附除湿吸附除湿也称吸附干燥，它不仅可去除水分，还可以用于气体的提纯和精制。吸附除湿采用的吸附剂适用于氢气除湿的吸附剂有分子筛和硅胶两种。分子筛。指具有均匀微孔并能选择性吸附直径小于其微孔的那些吸附剂。分子筛的吸附速度快，使用寿命长，而且性能稳定，且再生温度高。硅胶。又名氧化硅胶和硅酸凝胶。硅胶中的水以羟基的形式与硅原子相连后覆盖于硅胶表面，回热升温后又可释放出去，使硅胶能反复应用。硅胶的吸附容量随粒度的增大而减小；吸附容量随压力的升高而增大；吸附容量随温度的升高而下降。硅胶正常含水量为3%～7%，吸附水分后可达到40%左右。硅胶是分子筛的一种，是物理吸附。分子筛比硅胶吸附范围广、比硅胶再生温度高，效果更好。3、氢气泄漏造成氢冷发电机组漏氢的原因①机组机体庞大，结合面多及施工组装水平等因素，都会造成发电机漏氢。②由于密封瓦和瓦座的间隙调整不合格，以及氢侧密封油降低使氢气渗入油中，也会导致漏氢。③由于机内氢气冷却器严密性难以保证，也会造成漏氢。漏氢量：表示一昼夜内泄漏到发电机充氢体积以外的氢气量，用体积表示，单位m3/天。3、氢气泄漏有关漏氢量的大小，在GB7064-1986《汽轮发电机通用技术条件》中规定，在交接试验项目中需测定漏氢量；在额定氢压下，每昼夜整个机组转动的漏氢量不得超过发电机机壳内总氢气量的5%。漏氢率：指在额定氢压下，一昼夜时间内泄漏到发电机充氢容积以外的氢气量与发电机原有氢气量的比值。在每次机组大修后，必须作查漏试验。发电机大修后的查漏点和标准查漏部件和系统试验压力（MPa）合格标准定子0.35漏气率＜1%转子0.506h压降＜20%初压氢气冷却器0.500.5h无泄漏氢及二氧化碳管路0.604h平均压降＜666.610Pa氢控制盘0.604h平均压降＜666.610Pa定子内冷水系统0.60(水压)4h压力不下降线套管0.40无泄漏氢气泄漏检测当有氢气泄漏时，被检区域是开放的，氢气已泄漏到大气中。只能使用便携式氢气测报仪仪或氢气探测仪现场就地检漏。目前这类仪器很多，此类仪器的探头中装有敏感元件，与主机中的元件构成惠斯顿电桥，当无氢存在时桥路平衡，输出为零。有氢存在时，敏感元件阻值发生变化，桥路输出不为零。在0～4%氢气范围内，输出信号的大小与空气中含氢浓度成正比。在交接试验项目中需测定泄漏量机组大修后需测定泄漏量。氢气泄露量的计算下面介绍氢气泄露量的有关计算由于气体的体积与压力和温度有关，因此在计算泄漏量时，必须事先规定压力和温度。公式：L=240V/t（p1–p2），m3/天式中：L-漏氢量；V-氢冷发电机机壳内的容积，m3；t-试验时间；P1-试验开始时的机壳内的表压力，MPa；p2-试验结束时的机壳内的表压力，MPa；此公式是假设试验开始与结束时的大气与温度都不变的情况下。例题：一台发电机的充氢容积为100m3，漏氢试验从早上9点开始到第二天早上8点结束，发电机氢气表压力从0.4MPa下降到0.395MPa，试问在大气压力与温度不变的情况下这台发电机的漏氢量是多少？五、发电机气体系统与气体置换1、发电机气体系统2、发电机气体置换1、发电机气体系统氢冷发电机机外气体系统由气体分配系统，气体净化系统，参数测量、控制系统及安全系统组成。气体系统的主要作用：向发电机提供质量合格、气量足够的氢气，并通过压力调节自动保持发电机内的氢气压力在规定范围内；利用中间气体二氧化碳完成发电机内气体的置换；通过干燥器去除机内氢气水分；通过油密封系统保持机内氢气纯度在较高水平；利用相应表计对机内氢气的控制参数进行监视。2、发电机气体置换⑴气体置换方式发电机气体置换：当机组由运行转入停机检修，或停机检修转入启动运行，或氢气供应不足发生故障时，将机内氢气置换为空气或由空气置换为氢气的过程。