某核电站水电解制氢工艺简介

雷曦　梁坤

【摘 要】本文主要介绍某2*650MW核电机组水电解制氢系统的工艺流程，分析其工作原理，并结合日常运行经验，对水电解制氢装置的技术参数及注意事项进行说明。

【关键词】水电解制氢；电解槽；纯化

0 前言

在標准温度和压力下，氢气（H2）是一种无色、无气味、非金属、无味道、极易燃烧的二原子气体。氢气原子量为1.00794g/mol， 是化学元素中最轻的分子。氢气气体极易燃烧，当空气中氢气含量达到4%时就会猛烈燃烧起来，其自燃温度为844，3K（571，2°C），氢气在燃烧时火焰会迅速跟随大气中的气体上升，用肉眼根本无法观察到纯氢氧火焰，因此很难探测到漏氢是否发生了燃烧。

1 系统概述

某核电站2*650MW机组氢气生产、贮存与分配系统是采用直流电源电解水的方法来制取氢气，生产出来的氢气经过纯化、干燥后送至中压贮氢罐储存。贮氢罐内的氢气经减压后，通过氢气分配系统为核岛反应堆冷却剂系统加氢和补充该系统的氢气泄漏，为常规岛汽轮机发电机组进行氢气充灌和补充该系统的氢气泄漏。

本系统包括两套独立的全自动制氢机、一套氢气储存装置、一套氢气减压分配装置。每套全自动制氢机包括：制氢机一台、脱氧干燥器一台（分A、B塔）、整流柜一台、控制柜一台。

2 水电解制氢工作原理

水电解制氢的原理：由浸润在电解液（28%-32%KOH）中的一对电极，中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成水电解小室，通以一定电压的直流电时，水就发生分解。阴极生成氢气，阳极生成氧气。

反应式：阴极：2H2O+2e→H2+2OH 阳极：2OH—2e→H2O+1/2O2

总反应式： H2O= H2+1/2O2

生成的氢气在催化剂作用下，使混合在氢气中的杂质氧与氢发生化学反应，生成水汽而除去。而后进入干燥系统，干燥系统的采用TSA 工艺，干燥器设置2 台，一台吸附工作，产生干燥的氢气。另一台进行再生工作。保证系统能连续向用户提供满足工艺要求的氢气。

3 水电解制氢的工艺过程

3.1 氢气生产分离部分

电解槽通以一定电压的直流电时，水就发生分解，阴极生成氢气，阳极生成氧气。在电解槽内电解生成的氢气以气泡的方式在电解槽内的氢气专用孔道通过氢出气管道逸出到氢分离器，因比重轻在分离器内与碱水自然分离，分离出的氢气经氢气冷却器冷却至30℃-40℃。再经氢气凝结过滤器进一步冷却去除游离水，氢气压力在凝结过滤器内得以缓冲，并通过氢气管线输送到氢气干燥纯化系统。同时在电解槽内电解生成的氧气以气泡的方式在电解槽内的氧气专用孔道通过氧出气管道逸出到氧分离器，因比重轻在分离器内与碱水自然分离，分离出的氧气经氧冷却器冷却至30℃-40℃，然后经过氧凝结过滤器凝结。在冷凝器内冷凝并得到缓冲的氧气通过氧气管线、电磁阀、减压阀，经硅胶干燥器彻底干燥后供氧中氢分析仪使用。电解槽由于电解放出氢气和氧气，氢气和氧气在槽内随着各自的管道向外溢出，致使氢分离器、氧分离器内的液位降低。液位控制器将控制补水罐进行补水，使与电解槽相连的氢分离器、氧分离器内的碱液作氢分离器-电解槽-氢分离器、氧分离器-电解槽-氧分离器的循环运动。氢分离器和氧分离器用连通管连接，保证氢分离器、氧分离器内的液位平衡、压力平衡，液封的连通管两端保证氢、氧不混溶。同时，氢分离器、氧分离器内的液位开关保证分离器内有足够的碱液能够使氢、氧完全隔开，维护系统安全生产。

3.2 氢气纯化部分

氢气纯化部分可以分解为催化脱氧部分和干燥部分，由一个脱氧器和两个干燥器组成。催化脱氧部分：为化学接触催化反应，采用贵金属催化剂加速氧与氢反应而生成水。气体通过脱氧器时为饱含水蒸气，温度在60°C 到80°C，经过气体冷却器后冷凝，在脱氧器和干燥器之间装有凝结过滤器防止冷凝水进入干燥器。冷凝水进入疏水罐，并且在那自动进行定期疏水。在疏水罐液位达到高位时液位开关动作，打开阀门排放掉冷凝水。干燥部分：干燥氢气设置2台吸附干燥塔一塔吸附，一塔再生，相互切换，交替工作，连续供气。干燥过程由分子筛吸附氢气中含有的水分，干燥器由两个干燥塔组成，一个干燥一个再生。干燥过程为低温吸附干燥，再生为高温再生，然后再冷却升压备用。

3.3 氢气储存和气体分配装置

氢气贮存和分配系统包括3 台氢气储罐，经脱氧干燥后的气体输送到贮存和分配装置，并根据分配装置上安装的压力变送器测量每个氢气罐的压力，自动选择充装压力低的氢气罐，手动开启低压氢气罐对应的充氢阀门开始充氢，当压力达到上限设定值2.5MPa 时自动关闭。当核岛和常规岛需要大气量置换充氢时，氢气由氢气储存系统输送到氢气分配装置，由于氢气罐的储存压力为1.25-2.5MPa， 因此从储氢罐来的氢气压力需要减压至工艺要求的0.85-1.1MPa。单个减压阀的最大流通能力为275Nm3/h；当核岛和常规岛正常补氢时，补氢压力为0.85-1.1MPa， 供氢量根据核岛和常规岛氢气压力的信号进行补氢。

3.4 水电解制氢工艺的技术要求

氢气产量： 2×10Nm3/h 氢气纯度： ≥99.998%（按体积计）；

最高供气温度（干燥纯化装置出口）：≤45℃；露点： ≤-65.0℃；

含水量： ≤10ppm；（按体积计）；含氧量： ≤3ppm；（按体积计）；

贮存量：常规岛所需的贮存量：1480Nm3（一台汽轮发电机组一次启动充氢量和两台汽轮发电机组正常运行30天的补氢量之和）；两台核电机组氢气的总贮存量：1480Nm3。

4 运行注意事项

4.1 可引起紧急泄压的报警

（1）HTA：检测到漏氢；（2）EMS：按下紧急停车按钮；（3）LTH L， LTO L： 氢氧侧分离器液位低报警；（4）LS Drip Tray：积水盘液位开关动作；（5）UPS：UPS电压低报警

4.2 关键报警

（1）HWSS电源部分（柜门开关打开，可控硅整流或二极管温度过高，相位失衡，风机故障）；（2）HWSS工艺部分（HTO报警，液位差过大，漏碱，碱液温度过高，风机故障）；（3）HWSS脱氧器和干燥塔（容器温度过高）；（4）HTA（检测到漏氢）；（5）OTA（检测到漏氧-低或高水平）；（6）EMS（按下紧急停车按钮）；（7）制氢间温度过低（霜冻）；（8）制氢间温度过高

5 总结

本文介绍了某核电站2*650MW机组水电解制氢的工艺过程及工作原理，该系统的设置，能满足某核电站2*650MW机组在启动和正常运行过程中，核岛一回路化学和容积控制系统、常规岛汽轮发电机组氢气冷却系统对氢气的需求，为机组的正常稳定运行提供了保障。

【参考文献】

[1]徐卫华.海南昌江核电厂1、2号机组氢气生产、贮存与分配系统手册，2012.

[2]吴建华.海南昌江核电厂1、2号机组氢气生产、贮存与分配系统设计规范书，2012.

[责任编辑：朱丽娜]