火电厂制氢站储氢罐系统隔离方法及需注意的问题

达海华

摘  要：分析了火电厂制氢站储氢罐系统隔离的必要性，介绍了氢气的基本特性和制氢站的基本构成，阐述了制氢站储氢罐系统隔离和恢复的方法，并详细叙述了隔离和恢复过程中的关键环节。

关键词：火电厂;储氢罐;气密性试验;隔离措施

中图分类号：TM621              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.119

目前，国内多数电厂都设有氢站，用制氢装置制备氢气储存在储氢罐内，以提供机组冷却用氢。2014-04，国家能源局颁布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》中“防止氢罐爆炸事故”规定了以下3点：①在制氢系统和氢罐的检修中进行可靠隔离;②氢罐应按照《压力容器定期检验规则》（TSG R7001—2013）中的要求定期检验;③应重点检查运行了10年左右氢罐的外形，尤其是上、下封头是否存在鼓包和变形现象。

根据上述规定，凡是设有制氢站的电厂都必须定期检验储氢罐是否进行了可靠隔离。该工作面临的最大问题是在发电机组正常运行的情况下，不仅要保质、保量地向机组供氢，保证机组的安全运行，还要绝对安全、可靠地隔离氢罐。如果在操作中出现失误，则可能会导致氢氧混合，进而造成恶性爆炸事故，后果不堪设想。根据实践经验，本文就氢罐隔离的方法、步骤和隔离过程中的一些注意事项进行了探讨，供有关人员参考。

1  氢气的特性和制氢站的构成

氢气无色、无臭、无味，具有较高的扩散速度和导热性，易积聚在设备、容器或建筑物的顶部，且不易被人们察觉。《氢气使用安全技术规程》（GB 4962—2008）中介绍，氢气在空气中的爆炸范围为4%～75%;在氧气中的爆炸范围为4.5%～95%.因此，氢气-空气混合物很容易发生爆燃，撞击、摩擦、不同电位之间的放电、各种爆炸材料的引燃、明火、热气流、高温烟气、雷电感应或电磁辐射等都可点燃氢气-空气混合物，爆燃形成的冲击波会造成人员伤亡和破坏周围设备、附近建筑物。

制氢站一般由框架一（制氢装置）、框架二、储氢罐、框架三和控制柜等组成，制氢装置由电解槽、氢发生器、氢氧分离器、碱液过滤器、碱液循环泵和干燥器等组成，用于制备纯度、湿度合格的氢气;框架二主要由管路、减压阀、压力开关和压力表等组成，用于氢气的充罐和给发电机补氢;框架三是辅助设备，主要包括补水箱、补水泵、碱液箱和压力表等部件。

2  储氢罐隔离的步骤

2.1  总体思路

某电厂的装机容量为2×330 MW，发电机采用氢气冷却，制氢站设有3台氢罐，每台氢罐的容积为13.9 m3，设计压力为3.2 MPa，正常工作压力在2.4～2.8 MPa之间。为了顺利进行氢罐的检验工作，必须有效隔离这3台氢罐。为了保证在隔离期间发电机组可正常供氢，考虑利用瓶装氢气暂时替代制储氢系统给发电机供氢，彻底隔离氢罐后且气体置换合格后，再开展相关的检验工作。

2.2  确定氢罐的隔离时间

氢罐的隔离时间具体可根据以下2方面确定：①隔离氢罐系统应尽量选择在机组漏氢量较小或单机运行、机组无启动大量用氢时。此外，由于需要对氢罐进行注水置换和水压试验，所以，实施时间应选择在防冻期结束后。②实施前应进行机组漏氢量试验，确认机组的补氢量是否正常，无漏氢或其他重大设备缺陷，以免氢罐在隔离期间发生大量用氢无法供给的现象。

2.3  准备阶段

准备阶段分为以下4步：①根据机组的补氢量情况购置或租用1台氢气集装格。所谓“氢气集装格”，是指由多个高压钢瓶组成的储氢单元。例如，该电厂外购了1台氢气集装格，其由20个钢瓶（V=0.04 m3、P=15 MPa）组成，钢瓶内充装氢气，氢气瓶出口的压力在12～15 MPa之间，补氢压力在0.5～0.8 MPa之间，氢气的温度在-50～-25 ℃（常压），氢气的纯度≥99.8%，1台氢气集装格的储氢量在100～120 Nm3之间。在单机运行的情况下，该电厂的正常补氢量<5 Nm3/d，每天补充约一两台氢瓶，可用1台氢气集装格代替3台储氢罐给发电机供氢，储氢量和氢气品质均能满足1台发电机组10～20 d的氢耗量。在实际应用中，各厂可根据本厂情况计算氢气集装格的数量。该厂外购的氢气集装格如图1所示。②准备系统连接用的管道和阀门（材质为不锈钢或铜质），比如三通阀、氢气减压阀和安全阀等。③预备足够数量的氮气和二氧化碳，以提供系统气体置换（在操作合理的情况下，30瓶二氧化碳可满足3台氢罐的置换用量）。④准备3台氢罐充水用的连接管道。

图1  氢气集装格

2.4  隔离步骤

隔离步骤分为以下10步：①停运系统。停运制氢装置，关闭框架二上3台氢罐的充氢门，停止框架二向3台氢罐充氢。②氢罐卸压。分别用3台氢罐对发电机进行补氢或置换，直至氢罐压力下降至无法维持补氢（该电厂氢罐的压力达到0.8 MPa时无法满足补氢的要求），关闭氢罐的出入门（该门位置在氢罐本体上，开启出入门后，框架二输出的氢气可通过该门充入氢罐;向发电机补氢时，氢罐内的氢气可通过该门经框架二补至发电机），关闭氢罐的补氢门。③氢罐排氢。逐台缓慢开启氢罐的排空门，直至压力下降至0.2 MPa后关闭该门。④气体置换。在氢罐排污口处连接二氧化碳置换管道，开启氢罐排污门，从氢罐底部向罐内充二氧化碳，并缓慢开启氢罐排空门，以达到边充边排的目的。在操作过程中，应始终控制氢罐内的压力在0.02～0.05 MPa之间，禁止大量、剧烈地排出氢气。⑤置换终点控制。从氢罐排空取样门处取样、分析氢罐内气体中的氢气含量，当氢气含量≤2%时，即气体置换合格。此时，关闭氢罐排污门、排空门，停止二氧化碳的置换。⑥充水置换。在氢罐排污口处连接充水管道，开启氢罐排污门向氢罐注水，控制氢罐的压力保持在0.10 MPa以上。当氢罐取样门连续出水时关闭排污门，停止注水。⑦采用上述方法置换3台氢罐。⑧气体置换充补氢管道并加装堵板;在框架二充氮口处接氮气瓶，开启充氮门、氢罐补氢门，向充、补氢管道充氮气，缓慢拆开氢罐的出入口门后法兰进行气体置换。当法兰处排出气体中的氢气含量≤2%时，即气体置换合格。此时，在框架二至氢罐的充补氢管道法兰处加装堵板，彻底隔离该氢罐。⑨采用上述方法将3台氢罐的充补氢管道全部置换合格并加装堵板。⑩排空氢罐存水，检测氢罐和周围的微量氢，合格后进行相关的检验工作。具体的隔离步骤如图2和图3所示。

图2  框架二

图3  储氢罐

3  临时补氢管道的汇接

临时补氢管道的汇接分为以下3步：①在氢气集装格出口减压阀后加装三通阀，分别汇接至氮气瓶和框架二备用法兰处。汇接氮气瓶的目的是在补氢之前，对临时补氢管道进行氮气置换，以确保管内无氧气。②开启氮气瓶出口阀，框架二充氮门对临时补氢管道进行氮气置换，并用肥皂水检漏。③氮气吹扫合格后，关闭各阀门，临时补氢系统列备用。当发电机需要补氢时，开启氢气集装格出口阀、框架二备用补氢门即可向机组供氢。

4  系统恢复

4.1  汇接法兰，拆除堵板

汇接3台氢罐出入口门后的法兰，并拆除框架二至氢罐充补氢管道法兰处的堵板。

4.2  储气系统气密性试验

储气系统气密性试验（包括框架二和氢罐）的具体流程为：用水注满氢罐，当氢罐取样门开始出水时，关闭取样门，继续注水，当压力升至0.2 MPa时，停止注水（受工业水压力的限制）。每个氢罐的气密性试验可单独进行，也可同时进行，且框架二上与储罐有关的阀门、管路的气密性试验也可与该罐同时进行（禁止氢罐中的水流入框架二）。当通过框架二上的充氮门向氢罐充氮升压至3.0 MPa时，可用肥皂水检漏，并记录当时的环境温度t1和压力p1，24 h后再次记录环境温度t2和压力p2，则可通过以下公式换算泄漏率：

L=[1-（273+t1）p2/（273+t2）p2]/24×100%. （1）

式（1）中：L为氢气泄漏率;t1为充氮压力为3.0 MPa时的环境温度;p2为24 h后的充氮压力。

如果平均泄漏率<0.5%，即为气密性试验合格。值得注意的是，选用注满水再升压的方式是为了明显减少氮气的使用量，以1个氢罐为例，其容积为13.9 m3，如果要升高至3.0 MPa的压力，则需要消耗标准状态下417 m3的氮气，而1个充满压力的氮气瓶最多能提供6 m3标准状态的氮气。因此，相比1个氢罐至少需要70瓶氮气的情况，采用灌满水后再升压的方法只需使用5瓶氮气。

4.3  顶压排水

完成氢罐气密性试验后，将氢罐的压力降至0.5 MPa，用氢气集装格的氢气或启动制氢装置向氢罐充氢，打开氢罐排污门，并用氢气顶压将水排尽。在排水过程中，注意保持氢罐压力处于0.2 MPa以上。考虑了氧气在水中的溶解度后发现，只要在水满的情况下顶压排水，氢罐中残余的氧气浓度便会<1%，这样既保证了充气安全，又减少了氮气的使用，还节约了置换时间。

4.4  排水后的处理流程

排水后具体的处理流程主要分为以下5步：①当氢罐内的水排完后，关闭氢罐排污门，继续向氢罐充氢，直至压力升至0.5 Mpa时停止充氢，静置1 h后，开启排污门排氢;②当氢罐压力降至0.2 MPa时停止排氢，静置1 h后化验氢气的纯度、露点;③如果氢气的纯度、露点不合格，则继续向氢罐充氢，直至压力升至1.0 MPa后，停止充氢，静置1 h后化验氢气的纯度、露点，直至氢气的纯度、露点合格，否则重复进行排氢操作;④当氢罐氢气的纯度、露点合格后，氢罐充压至正常工作压力，列备用;⑤拆除临时补氢管道，并对系统进行氮气置换至合格。

5  隔离过程中的注意事项

隔离过程中的注意事项有以下6点：①进入现场的人员必须穿戴防静电服装，严禁穿着钉子鞋进入、用鞋底摩擦管道和携带火种，且必须关闭通信工具，杜绝无关人员入内;②应使用铜制工具拆卸设备部件，如果必须使用钢或铁制工具时，应在工具表面涂抹黄油;③在氢罐卸压、排氢的过程中，要注意排空门开度不要过大，以防氢气大量、剧烈地排出，进而发生爆燃事故;④在氢罐充水置换氢气的过程中，可缓慢开启顶部排气阀，且在置换时闭锁影响系统的阀门，以免误开;⑤在氢管道上操作时，应缓慢开启相关阀门，并保持流速平稳;⑥操作过程中应加强室内通风。

〔编辑：张思楠〕

Hydrogen Thermal Power Station Hydrogen Storage Tank System

Isolation Methods and Problems must be Noted

Da Haihua

Abstract： This paper analyzes the necessity of thermal power plants isolated hydrogen station hydrogen storage tank systems， introduces the basic structure of the basic characteristics of hydrogen and hydrogen stations， elaborated hydrogen station hydrogen storage tank system isolation and recovery methods， and a detailed description of isolation and recovery process of the key links.

Key words： thermal power plant; hydrogen storage tank; tightness test; quarantine measures