电厂制氢站培训教材

氢气的制取和发电机的冷却

第一节发电机的冷却方式

1.发电机冷却的重要性

发电机运转时要发生能量消耗，这是有一种能（机械能）转变为另一种能（电能）时所不可避免的。这些损

耗的能量，最后都变成了热量，致使发电机的转子、定子、定子绕组等各部件的温度升高。

因为发电机的部件都是有铜质和铁质材料制成的，所以把这种能量消耗叫做铜损和铁损。为了保证发电机能

在绕组绝缘材料允许的温度下长期运行，必须和时地把铜损和铁损所产生的热量导出，使发电机各主要部件的温升

经常保持在允许的范围内。否则，发电机的温升就会继续升高，使绕俎绝缘老化，出力降低，甚至烧坏，影响发电

机的正常运行。因此，必须连续不断地将发电机产生的热量导出，这就需要强制冷却。

2.发电机常用的冷却方式

发电机的冷却是通过冷却介质将热量传导出去来实现的。常用的冷却方式有：

2.1空气冷却。容量小的发电机（两万千乩以卜）多米用空气冷却，即使空气有发电机内部迪过，将热量带

出。这种冷却方式效率差，陆者发电机容量的增大已逐渐被淘汰。

2.2水冷却。把发电机转子和定子绕组线圈的铜线作成空心，运行中使高纯度的水通过铜线内部，带出热量

使发电机冷却。这种冷却方式比空气冷却效果好，但必须有一套水质处理系统和良好的机械密封装置。目前，大型

机组多采用这种冷却方式。

2.3氢气冷却。氢气对热的传导率是空气的六倍以上，加以它是最轻的一种气体，对发电机转子的阻力最小,

所以大型发电机多采用氢气冷却方式，即将氢气密封在发电机内部，使其循环。循环的氢气再由另设的冷却器通水

冷却。氢气冷却有可分为氢气及铜线直接接触的内冷式（直接冷却）和氢气不直接及铜线接触的外冷式两种。

当前除了小容量（25VW和以下）汽轮发电机仍采用空气冷却外，功率超过50MW的汽轮发电机都广泛采用了氢

气冷却，氢气、水冷却介质混用的冷却方式。在冷却系统中，冷却介质可以按照不同的方式组合，归纳起来一般有

以下几种：

2.3.1定、转子绕组和定子铁芯都采用氢表面冷却，即氢外冷；

2.3.2定了•绕组和定子铁芯采用氢表面冷却，转步绕组采用直接冷却（即氢内冷）；

2.3.3定、转子绕组采用氢内冷，定子铁芯采用氢外冷：

2.3.4定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁芯采用氢外冷，即水氢氢冷却方式；

2.3.5定、转子绕组水内冷，定子铁芯空气冷却，即水水空冷却方式；

2.3.6定、转子绕组水内冷，定子铁芯氢外冷，即水水氢冷却方式。

我厂2X600MW机组汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即发电机定子绕组采用水内冷，转子绕组采用氢内冷，

定了铁芯采用氢外冷。

第二节冷却介质的性能比较

1.冷却介质的种类和特性

氢冷发电机在正常运行时，使用氢气作为冷却介质，在发电机耳故和停机检修时，则采用空气作为冷却介质，

co八汽,则是气体宜换过程中的中间介质。对于直接冷却的发电机，除了使用氢气作为冷却介质外，也可以使用水

和油。下面分析比较冷却介质的特性：

1.1空气

空气优点是低廉，所需的附加设备简单，维修力.便：缺点是机组的容量受到限制，而口机组容易施污。

1.2氢气(H-

氢气冷却有如下优、缺点：

1.2.1优点：

1.2.1.1通风损耗低，机械(指发电机转子上的风扇)效率高。这是因为在标准状态下，氢气的密度是

0.08987kg//,空气的密度是1.293kg//,CO?的密度是1.977kg/n?,。的密度是1.25kg/m，由于空气的密度是氢气

的14.3倍，二氧化碳是氢气的21.8倍，氮气是氢气的13.8倍，所以，使用氢气作为冷却介质时，可使发电机的通

风损耗减到最小程度。

1.2.1.2散热快、冷却效率高。因为氢气的导热系数是空气的1.51倍，且氢气扩散性好，能将热量迅速

导出。因此能将发电机的温升降低10T5C。

1.2.1.3危险性小。山于氧气不能助燃，而发电机内充入的氢气中含氧又小于2%,所以一旦发电机绕组被击

穿时，着火的危险性很小。

1.2.1.4清洁。经过严格处理的冷却用的氢气可以保证发电机内部清洁，通风散热效果稳定，而且不会产生

由于脏污引起的事故。

1.2.1.5在氢气冷却的发电机，噪音较小，而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损坏。

1.2.2缺点：

1.2.2.1氢气的渗透性很强，易于犷散泄露，所以发电机的外壳必须很好的密封。

1.2.2.2氢气及空气混合物能形成爆炸性气体，一旦泄露，遇火即能引起爆炸。因此，在用氢冷却的发电

机四周严禁明火。

1.2.2.3采用氢气冷却必须发置一套制氢的电解设备和控制系统，这就增加了基建投资和维修费用。

氢气冷却虽有以上一些缺点，但只要严格执行有关的安全规章制度和采取有效的措施还是可靠的，而其高效

率冷却则是其它冷却介质无可比拟的，所以大多数发电机还是采用氢冷方式。

1.3二氧化碳(C02)

CO,的密度是空气的1.52倍，显然，使用加作冷却介质，将会使通风损耗成正比地增加，发电机的温度也会

显著升高。

C(X的表面散热系数是空气的1.132倍，且有较高的强行对流作用，但CO,的传热能力比空气弱，仅是空气的

0.638倍。两项综合比较，用空气冷却和用CO：冷却，对发但机的温升影响基本是•样的。

CP及机壳内的水分化合后，其反应的生成物会在发电机各部分结垢，使通风恶化，并弄脏机件，对绝缘有腐

蚀作用。所以，不允许使用co?作为冷却介质长时间运行。但是，我们可以利用co,及氢气或空气混合时不会发生爆

炸的特点，作为气体置换的中间介质。

1.4氮气(N2)

氮气的密度、热传导率和表面散热系数都接近空气，所以，作为冷却介质使用时，其允许的最大负荷值及空

气冷却时相同。另外，氮气具有比空气轻，比氢气重，并且不助燃的特点，可用来代替二氧化碳作为中间介质使用，

这时对其纯度的要求是：氮的含量在96%以上，氧的含量应低于4轧

氮气作为化工副产品，常含有腐蚀性杂质，对发电机的绝缘材料起腐蚀作用，所以，氮气作为发电机的冷却

介质不允许长期使用。

2.氢气和水的特性比较

发电机在采用直接冷却方式时，普遍采用氢气和水作为冷却介质。它们及空气的性能比较如下：

表13-1空气、氢气和水性能比较

吸热能力散热能力

冷却绝对压力

相对比热相对密度相对相对散热

介质MPa体积流量流速，m/s

吸热量系数

空气0.11111301

氢气314.350.2113405

水一4.ie10000.05208284

从式中的吸热和散热能力看，液体冷却介质比气体冷却介质好，水具有较高的散热性能、粘度小，能通过小

而豆杂的截面。水的化学性能稳定，不会燃烧，而且具有价廉的特点。但它增加了水路系统，容易腐蚀铜线和漏水,

使运行的可靠性降低。

氢气冷却具有通风功率和励磁功率低；装配方便，结构简单，负荷能力高，温度分布均匀等优点，使运行可

靠性大为提高。

第三节电解制氢原理和其系统、设备

1.电解制氢的原理和其工艺

1.1制氢原理

高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差，则需加入电解质溶液，以促进水的电解。

常用的电解质一般为NaOH或K0Ho

将宜流电通入加入NaOH水溶液的电解槽中，使水电解成为氢气和氧气。其反应式为：

1.L1阴极反应：电解液中的H(水电解后产生的)受阴极的吸引而移向阴极，最后接受电子而析出氢气，

其放电反应是：

2H+2e-*Hzt

1.1.2阳极反应：电解液中的OH受阳极的吸引而向阳极移动，最后放出电子生成水和氧气，其放电反应是:

20H--2ef比0+7At

1.1.3阴、阳极合起来的总反应式为：

2H力f2Hsi+0"

2.工艺流程

高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差，则需加入电解质溶液，以促进水的电解。

电解产生的氢气和氧气，分别进入氢气分离洗涤器和氧气分离洗涤器，使气体及携带的碱液分离：分离；1的碱液经

过滤、冷却后，通过碱循环泵打至电解槽。分离后的氢气进入冷却器冷却，及辄气一同经气动差压调节后，经冷却、

干燥进入贮存罐；氧气经过水封直接排入大气：电解消耗的水经过柱塞泵打入氢、氧分离洗涤器进入电解槽内。

3.氢氧化钠的作用

氢氧化钠等电解质是强的电解质，溶解于水后便电离，其电离反应式为：NaOH=Na'+0H这样是水溶液

中有了大量的Na.及01「。促进溶液的导电性能，便于水的电解。

氢氧化钠等电解质在水发生电解时，为何不被电解而仍留在溶液中呢？现简略说明如下：

3.1金属离子在水溶液中的活泼性是不相同的，我们将它们依活泼性的大小排列起来，得到下列活动顺

序：

K>Na>Ca>Mg>/\l>Mn>In>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

上面排列中，前面的金属比后面的活泼，越往后的金属活泼性越差。

在以上活动次序中，H之所以列为金属，这是因为它能起金属的作用，在水中常成H.存在，而且确实能被它前

面的的金属置换。例如：Zn+H：SO,=ZnSO,+H21

3.2电极电位。金属的活动次序说明越活泼的金属越容易失大电子，活泼性较差的金属则容易得到电子•（前

后金属比较而言）。从电化学理论上讲就是：容易得到电子的金属离子及不容易得到电子的金属离子相比较，因前

者的电极电位高能得到电子而转为原子，而后者的电极电位低不能得到电子转为原子。这种电位叫“电极电位”.

H.和Na.比较，Na的电极电位为-2.86,而H.的电极电位为T.7L所以在同一水溶液中若同时存在Na'和H'时,

H.先放电而成也。

3.3离子的水化。水是极底电离的，但水中溶解有NaOIl时，在Na.的周围。围绕着水的分子而成水合Na\

而且因Na.的作用使水分子有了极性方向。

当Na.带有极性方向的水分子迁向阴极时，H首先放电而成而Na.则仍存在于水中.

3.4电解液中加五氧化二钮的作用

电解液配制时，须加入一定量的五氧化二机（千分之二浓度），五氧化二锐的加入，可对电极的活化起催化

作用，能改变电极表面状态，增加电极的电导率；有利于除去电极表面的气泡，降低电解液的含气度：在铁、锲金

属表面产生保护膜，从而起到缓蚀作用。

4.制氢系统

电解水制取氢气的主要设备为电解槽。在电解槽后连有若干系统，其中主要是氢侧系统、氧侧系统和补给水

系统，另外还有碱液系统。

4.1氢侧系统。由电解槽各间隔分解出来的氢气汇集于总管，经氢侧分离器洗涤器、冷却器、压力调节阀，

再经两级干燥吸附后，存入氢罐备用。

4.2氧侧系统。山电解槽各间隔分解出来的氧气汇集于总管，经氧侧分离器洗涤器、压力调节阀和水封槽后，

排放大气或存罐备用。

4.3补给水系统。在电解水的过程中，水陆续地被消耗掉，所以必须连续不断地补充除盐水。系统通过加水

泵将除盐水打至氢分离洗涤器中，来补充电解消耗的除盐水.

4.4碱液系统。电解氢氧化钠水溶液时，各系统中的分离洗涤器中分离和洗涤下来的NaOH,经过过滤、冷却

后重新打回电解槽中，所以从理论上讲，NaOH是不消耗的，但实际上因为泄露、氢和氧的水量携带等，NaOH的浓

度在逐渐减小，因此每隔一定时期必须补充碱液。

5.我厂制氢系统的主要设各

我厂一期4X6Q0MW机组发电机冷却方式为水一氢一氢冷却，氢气由制氢站集中供给。

5.1系统概述

本期工程设置两套10Nm/h的水电解制氢装置和相应的设备。设置6台13的贮氢罐。制氢系统设备布

置在•独立的建筑区内，水电解制氢装置、氢气干燥装置、闭式除盐冷却水装置和电源控制装置布置在室内，贮氢

罐和压缩空气储存罐露天布置。

制氢系统的启动、停止和运行采用微机进行控制。各设备和系统在启停、运行和事故情况下有工艺参数显

示，系统各设备的正常启停、安全运行和事故设有报警功能，实现系琉和各设备自动控制和连锁功能，包括送、补

氢罐的自动切换等，及辅助车间水系统控制室进行通讯，能够执行远方监控。

电解水制氢系统的产品氢气达到如下品质指标：

纯度：N99.9%温度：W40c湿度：露点W-50c绝对湿度：WO.0949g/mA

水电解制氢系统中的碱液循环次数能达到每小时4'6次以上。制氢系统运行时氢（氧）气压力稳定，其数值

随各装苦的额定压力和运行情况而定：软、氧气压差的波动范围小干0.5kPa,必须装设压力调节器。

5.2系统组成

本工程制氢系统由三套装置组成。分别处制氢装置：氢气充罐和发电机补氢装置；加水、加碱装置。制氢装置

主要负贡制取氢气，由下述部件组成：电解槽、氢气干燥器、氢分离洗涤器、氧,分离洗涤器、氨气气体分离器、氧

气气体分离器、排水器、空气过滤器、碱液循环泵等。氢气充罐和发电机补氢装置由：管路、出口减压器、压力开

关、压力表等组成。加水、加碱装匿由：纯水箱、碱液箱、柱寒式注水泵等组成。

电解槽

电解槽的额定产氢量lONm/hr,运行氢压3.2Mpa.电解槽能在1.5~3.2MPa间压力下运行：电解槽的出力能在

50%-110%范围内可调。电解槽隔摸的技术说明：气泡不能通过；能被电解液润湿，使溶液中的离子能顺利地通过：

有足够的机械强度：在电解液中不被碱液腐蚀，不影响电解液的纯度.且化学稳定性强。

氢气干燥器

配备两套干燥系统，其中一套运行，另一套再生备用：再生方式选用原料气加热再生，且再生过程中无氢气

放空：由下述部件组成：吸附器，工艺管路、阀门和一次仪表等：操作压力及制氢系统的运行压力相匹配：氢气流

经该装置的阻力损失小于0.IMPao

注水泵

注水泉选用柱塞式，且其流量能自动可调节，电机选用防爆电机。

储气罐

设置有8台容积13.9m'氢气储气罐和1台容积为5m3的空气储气罐。

氢气排水水封（2台）

氢气排水水封上设有一根排空管、一根补水管、一根溢流管和一根冷凝水接管。除排空管外，补水管、溢流

管和冷凝水管及水封筒体的内接管均采用插入式，且补水管、溢流管的内部管端比冷凝水管的内管端低。

阻火器

一般设在氢气系统的设备放散管和用氢设备的氢气支气管上，以防止回火，阻止火焰蔓延，保证氢氧站和其

贮送系统的安全生产和正常供气。

氢气检漏测定仪

该仪器能对两个和以上样点的氢含量进行自动巡回连续分析。当检测出氢气浓度达到某一定值时，能自动送

出信号到控制系统，通过控制系统自动启动排风装置工作。当检测出的浓度已超过该定值，达到另一高值时，能送

出报警信号，在控制系统中进行声光报警。该设备的测点响应时间不大于10s,巡回周期不大于2min：凡有氢气设

备的房间或容易集聚氢气的地方都设置测点。

冷却系统

制氢冷却系统采用除盐水闭式循环冷却方式.该系统主要由螺旋板式换热器、循环冷却水泵、除盐水箱、

电控柜、工艺管路、阀门和配件、一次仪表等组成。该系统中除盐水的流量褥满足制氢系统冷却水总量的要求，为

lOmVho经循环冷却水泵后的除盐水压力应为0.3MPa0.5MPa,除盐水入口水温W45C,经闭式循环热交换后的除盐

冷却水温度应不超过33匕。工业冷却水流量需满足冷却系统设备所需冷却水量的要求，为20m,/h,工业冷却水进口

温度W30C。循环冷却水泵应为两台，有联锁装置，互为备用。当工作水泵出现故障时备用水泵自动投入，并发出

远传报警信号.

氮气系统（氮气瓶两组、8个）

提供制氢系统吹扫和置换用气：氮气瓶的最高工作压力为15”a,容积为40L,气瓶外径为219mm。

第四节技术指标

1.氢氧化钠的质量标准

电解质NaOH的纯度，直接影响电解后产生气体的品质和对设备的腐蚀。当电解液中含有碳酸盐和氯:化物时,

会在阳极上发生下列有害反应।

2CQr+4e=2C0.t+0.2C1+2e=Cl2t

这种反应不但消耗了电能，而且因氧气中混入了氯气，而降低其纯度。同时生成的二氧化碳立刻又被碱液吸

收，而乂弃原成碳酸钠，致使C0『的放电反应反复进行下去，白白地消耗了大量电能。另外，反应生成F勺氯气，也

可被碱液吸收变成次氯酸钠和氯化衲，它们又有被阴极还原的可能，也要消耗电能。

为了提高气体纯度，降低电能消耗，要求氢氧化钠的纯度达到如下要求：

表13-2氢氧化钠的纯度要求

KOH或NaOHKC1或NaCl

项目和名称硫酸盐含量碳酸盐含量其它金属离子

含量含量

规范287-90<0.1<0.5<0.1无

2.补充水的质量标准

电解液中的杂质除来源于药品外，若补充水不纯净也会带入杂质。常用的补给水是汽轮机的凝结水，其质量

要求如下：

外状：透明清洁：

电阻率：>10：'。.cm；

氯离子：<2mg/L；

铁离子：V1mg/L；

悬浮物：Vlmg/L。

3.电斜液的质量标准

电解液的主要质量指标是NaOH的浓度。在配制和运行监督中，为方便起见，重点是掌握其比重。因为NaOH

浓度越高比重越大。其具体标准如卜.：

NaOH电解液浓度：20〜26%：

含铁量：V3mg/L：

氯离子：V800mg/L。

为碱辂电解槽的腐蚀,在电解液中应加入0.2-0.3%的重铝酸钾或千分；二浓度玉氧化二钿…重铭段钾能在阴

极表面生成三氧化珞保护膜，从而保护了阴极，并可防止阳极生成的次氯酸盐和平共处氯酸盐而在阴极上还原而消

耗电能；五氧化二钮的加入，可对电极的活化起催化作用，能改变电吸表面状态，增加电极的电导率，有利于除去

电极表面的气泡，降低电解液的含气度，在铁、银金属表面产生保护膜，从而起到缓蚀作用。

4.制氢系统中的气体纯度指标

《电业安全工作规程》规定，氢气纯度不低于99.5%,含氧量不应超过0.5%。如果达不到标准，应立即进行

处理，直至合格。另外，氢气绝对显度不大于5克/米

5.氢冷发电机内的气体纯度指标

《电业安全工作规程》规定，发电机氢冷系统中氢气纯度应不低于96斩含辄量不大于2%：如果达不到标准，

应立即进行处理，直至合格。

6.氢冷发电机内的氢气湿度指标

发电机内氢气在运行氢压下的允许湿度的高限，应按发电机内的最低温度由表13-3查得；允许湿度的低限为

露点温度U=-25C°

供发电机充氢、补氢用的新鲜氢气在常压下的允许湿度为：新建、扩建电厂（站）：露点温度LW-50C：

已建电厂（站）：露点温度tdW-25'C。

表.3-3发电机内最低温度值及允许氢气湿度高限值的关系

发电机内最低温度，℃510

发电机在运行氢压下的允许湿度高限（露点温度td）,℃-50

注：发电机内最低温度，可按如下规定确定：

（1）稳定运行中的发电机：以冷氢温度和内冷水入口水温中的较低值，作为发电机内的最低温度值；

<2）停运和开、停机过程中的发电机：以冷氢温度和内冷水入口水温、定子线棒温度和定子铁芯温度中的最

低值，作为发电机内的最低温度值。

7.置换用中间气体的纯度

7.1氮气纯度不低于95%水分的含量不大于0.战。

7.2二氧化碳气体纯度不低于95%,水分的含量不大于0.1%,并且不得含有腐蚀性的杂质。

8.电解槽的运行控制标准

8.1氢气和氧气侧导气管内的温度不得超过80±5C,一般控制在60±5℃,正常运行中不得低于45C。

8.2电解槽的电流只允许在厂家规定范围内变化。

8.3电解槽的电压范围应控制在厂家规定的范围内，不得起过其最高值，相邻两极电压应控制在L8-2.4伏,

其差值不得超过0.3伏。

8.4两个压力调节器的水位差不得超过100宅米。

8.5电解系统的压力和贮氢辘的压力是相等的，其压力允许在1〜10公斤/厘米2的范围内变化。

第五节氢冷发电机的气体置换

1.气体置换的目的和方法

氢气及空气混合气是一种危险性的气体，在混合气体中，氢气含量达4%〜76%范围内，就有发生爆炸的危险，

严重时可能造成人身伤亡或设备损坏的恶性事故，因此，严禁氢气中混入空气。但在氢冷发电机由运行转入检修，

或检修后起动投入运行的过程中，以和在某些故障下，必然存在着由氢气转为空气或由空气转为氢气的过程。这时，

如不采取措施，势必造成氢所和空气的混合气体而威胁安全生产。

为防止发电机发生着火和爆炸事故，必须借助于中间气体，使空气及氢气互不接触。这种中间气通常使用既

不自燃也不助燃的二氧化碳气体或氮气。这种利用中间气体来排除氢气或空气，或最后用氧气再排除中间气体的作

业，叫做“置换”

另种方法是采用抽真空的办法，将发电机内的气体抽出，以减少互相混杂。

为了便于进行置换和抽真空的操作，在发电机外部装了一套系统，即所谓的氢冷系统。

2.机内气体的置换

2.1概述

气体宜换应在发电机静止或盘隼时进行，同时密封油应投入运行.如出现紧急情况，nJ在发电机减速时

进行气体置换，但不允许发电机充入二氧化碳气体在高速下运行。

2.2排除发电机内的空气

气体在爆炸范围的上限时，混合气体中氢占76%,空气占24乐而空气中的氧占21乐所以爆炸上限的混合气

体中，氧的含量为24%X21%=5.04%。因此在充氢前，必须用惰性气体排除空气，使气体中负气含量降低到小T5.04%o

按此规律进行气体置换，发电机内将不存在爆炸性的混合气体。

充入两倍发电机容积的C0,气体，空气的含量将降低到14乐因此氧的含量也随之降为21X14%=玳。在转子

梆止或盘车时，利用C0二比重为空气的1.