经典的制氢培训教材（原理、运行、维护、安全）

第一节 概述

制氢装置和贮存系统为发电机提供氢气冷却系统所需的氢气，其纯度和湿度应满足发电机氢气冷却系统的要求。

电厂二期工程要在原已有基础上扩建并有一部分设备要与原设备接口。因此，要保证一期工程设备安全、正常运行情况下顺利安装和调试二期设备。

一、制氢系统设备概况

二期设备为一套完备的制氢工艺装置以及氢气贮存和分配系统。包括氢发生处理器（含电解槽、框架一、干燥装置、碱液泵）、框架二、框架三（含除盐水箱、碱液箱、注水泵）、氢气贮罐、压缩空气贮罐、除盐水闭式冷却装置以及系统内的电气及控制设备、管道、阀门和仪表等。表8－1给出了二期制氢设备清单。

表8－1 二期制氢设备清单 序 号 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 设备名称 氢发生器,每套包括： 1.1电解槽 1.3纯化干燥装置 框架二 框架三,包括： 3.1碱液箱 3.2水箱 3.3补水泵 氢气贮罐 氢气排水水封 压缩空气贮罐 除盐水冷却设备 可控硅整流柜 MCC柜 控制柜 氧中氢分析仪 型号或协议 单位 套 台/套 台/套 台/套 台 套 台/套 台/套 台/套 台 台 台 套 台 台 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 产地 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 邯郸 保定 邯郸 邯郸 英国Alpha 美国Adv DQ-10/3.2 10Nm3/h 10Nm3/h KII22 219L 219L JZ200/40 13.9m3 SF-00 5.0m3 1.2框架（气液处理器） 10Nm3/h CLZ-100 KSZ-WJ1000/72 GCS W3 GPR-25 MO 台 台 台 微量水分析仪(露点仪） DS1000 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 氢中氧分析仪 氢气报警仪 便携精密露点仪 便携氢气报警仪 砾石阻火器 丝网阻火器 上位机（含控制台） 监控软件 GPR-25 NA1000D DM70 TIF8800A DN80 DN15 P4 2.4G，VP211液晶 Citech 256点 台 台 台 台 台 台 台 套 套 台 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 美国Adv 美国锡麟 芬兰维萨拉 美国TIF 邯郸 邯郸 台湾研华 西安仪表厂 制氢站内工艺管道、阀 门、电缆 电气转换器 1.设备要求

1.1 整套设备为组装单元式，单元范围包括所有设备、阀门、管件、支吊架。同时应提供各单元间的连接管道。

1.2 电解槽连续、间断均可运行。槽体为碳钢镀镍材质，压缩空气贮罐，氢气贮罐为合金钢，其余设备均为不锈钢材质（1Cr18Ni9Ti）。

1.3 氢气贮罐能耐-19 ℃的低温。

1.4 所有管路阀门均为不锈钢材质（1Cr18Ni9Ti），气管路及碱液管路的阀门和其它参与程控的阀门均采用进口产品。

1.5 到汽机房氢气管应设置二个接口，框架二上还应设置备用氢气接口。 1.6 所有设备在额定条件下应能保证安全运行,电解槽大修周期不少于10年。 2.主要设备性能与参数 2.1 电解槽主要技术参数：（安装在氢发生器）

2.1.1 氢气产量：10Nm3/h(产氢气量连续可调范围为额定出力的50～100%)。 2.1.2 氧气产量：5Nm3/h 2.1.3 氢气纯度：≥99.9% 2.1.4 氧气纯度：≥99.3% 2.1.5 氢气湿度：＜4mg/m3

2.1.6 电解槽额定工作压力：3.2MPa 2.1.7 电解槽工作温度：＜90℃ 2.1.8 电解槽额定工作电流：740A

2.1.9 电解槽电解小室工作压力：～2V

2.1.10 电解槽单位产氢量直流电耗：4.6kW.h/Nm3 2.1.11 氢氧分离器液位差：±5mm

2.2 氢发生处理器：数量：1套；结构形式：组装框架式，框架材料为碳钢；氢气处理量：10 NmЗ/h；出口氢气含湿量：露点<—55℃。

其主要设备如下： 2.2.1氢分离冷却器（卧式）：型号及规格：φ219×8×2035mm；材料：1Cr18Ni9Ti。 2.2.2氧分离冷却器：型号及规格：φ219×8×2035mm；材料：1Cr18Ni9Ti。 2.2.3氢洗涤器:材料：1Cr18Ni9Ti；规格：φ219×8。 2.2.4碱液过滤器：材料：1Cr18Ni9Ti；规格：DN150。 2.2.5碱液循环泵（卧式自冷却屏蔽电泵）：a、型号：BA74H-112H4BM-40-25-125；b、流量：1.5m3/h；c、耐压：4.0MPa；d、过流件材质：1Cr18Ni9Ti；e、生产商：大连耐腐屏蔽泵厂。

2.2.6气水分离器：型号及规格：φ108×5mm；材料：1Cr18Ni9Ti。 2.2.7丝网阻火器：型号及规格：DN15；材料：1Cr18Ni9Ti。 2.2.8捕滴器：型号及规格：φ219×8；材料：1Cr18Ni9Ti。 2.2.9排水器：型号及规格：φ108×5mm；材料：1Cr18Ni9Ti。

2.3氢气干燥装置：操作方式为自动；再生方式采用电加热；工作压力为0.5～3.2MPa；产品气露点：≤-55℃；氢气处理量为10 NmЗ/h；系统压力降为<0.1 MPa；材料为4A分子筛+催化脱氧触媒。

2.4吸附纯化器：材质为12Cr1MoV，工作温度为室温，再生时间为6h，再生气体：原料气再生（无氢气排放），吸附材料为4A分子筛，冷却水耗量为0.5m3/h，产品氢温度 ≤40℃，电源为AC220V，2.2KW，防爆等级为一区防爆。

2.5 框架二：数量：1套；减压后压力为0.8～1.0MPa；该系统由管路、阀门、减压器、仪表等组成。输氢管路为2根DN25不锈钢管（一路工作，一路备用）。

2.5.1压力调整器（进口压力4.0Mpa,出口压力调整范围为：0－1.6Mpa,氢气流量约：3.5m3/min）：数量为2台；材质为1Cr18Ni9Ti；由上海减压器厂制造的特制专用供氢减压器。

2.6 除盐水箱、碱液箱、柱塞泵（集成为框架三，便于安装，减少占地面积） 2.6.1除盐水箱：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti，容积为219L，工作介质为除盐水，外径为 506 mm，壁厚为 3 mm。

2.6.2碱液箱：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti，容积为219L，工作介质为26%～30%氢氧化钠，外径为 506 mm，壁厚为 3 mm。

2.6.3柱塞泵（电解液输送泵）：数量为1台，型号为JZ200/40，过流部分材质为1Cr18Ni9Ti，流量为 200L/h，配套电机为防爆型1.5KW （YB90L-4）。

2.7 供碱及再循环管道阀门：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti。

2.8 氢气贮罐：数量为2台，材料为16MnR， 设计压力为3.24MPa（工作压力为 2.94MPa），设计温度为 -19～+50 ℃（能耐－50℃的低温），容积：13.9m3。每只贮罐配带2只DN15、3只DN6进口阀门，安全阀1只，压力表一块，丝网阻火器1台。

2.9 压缩空气贮罐：数量为1台，材料为16MnR， 设计压力为0.8MPa（工作压力为 0.8MPa），设计温度为 -19～+50 ℃，容积：5m3。贮罐配带国产DN20截止阀3只、DW14压力表截止阀1只，安全阀门1只，止回阀1只，压力表一块。 二、氢爆的基本概念

氢气的着火、燃烧和爆炸是氢气的主要特性。在常温下，氢气不怎么活泼，在明火引燃或在触媒剂作用下，才能和氧化合，所以氢气是一种极易燃烧的气体。氢氧焰的温度可达3400K。氢气燃烧爆炸性能见表8-2。

氢气的着火温度虽不低，但它的着火能量很小。氢气和空气混合物的最小着火能量与氢气的纯度有关。当氢气纯度为30%时（体积含量），着火能量最小，仅为0.02mJ，见图8-1(a)。

氢气的火焰传播速度很大（2.75m/s），灭火距离小（0.06cm）。氢气和空气混合物的灭火距离与氢气纯度有关，见图8-1（b）。

表8-2 氢气的燃烧、爆炸性能 在空气中的燃烧范围（体积%） 在空气中的爆炸范围（体积%） 在氧气中的燃烧范围（体积%） 在氧气中的爆炸范围（体积%） 在空气中的着火温度（℃） 在氧气中的着火温度（℃） 4.0~75.0 18.0~59.0 4.65~94.0 18.3~58.9 585 560 最小着火能量（mJ） 燃烧热（kJ/mol） 火焰温度（℃） 灭火距离（cm） 火焰速度（cm/s） 0.2 68 2045 0.6 270

图8-1 氢气-空气混合物的着火性能曲线

(a)最小着火能量；(b)灭火距离

氢气的燃烧和爆炸过程，从化学反应角度来讲，都是氢气和氧气化合生成水和释

放能量的过程。它们之间的区别仅在于反应的速度不同。燃烧时，反应速度较慢而且稳定；爆炸时，反应速度极快而且产生具有破坏性的冲击波。燃烧包含着两个紧密的环节，即反应的诱发（点火）和燃烧；爆炸现象尽管是在短时间内完成，却包含着诱发、燃烧和爆炸三个环节。氢爆发生的条件是：

（1）氢气在空气中的体积含量为4%~75%或在氧气中的体积含量为4.65%~94.0%。

（2）含氢的混合气体置于密闭的容器中。 （3）有明火触发纯氢着火。 综上所述，当一定空间内空气（或氧气）中氢气含量处于爆炸上、下限之间时，一遇明火，局部首先着火，并放出大量的热量，使生成的水蒸气的体积膨胀，压力急剧增大形成冲击波，即形成爆炸现象。可见，氢冷系统中保持氢气高纯度，是防止氢爆的首要措施。 三、氢气湿度

1、湿度对氢冷发电机运行的影响

氢冷发电机中的氢气是冷却发电机线圈和铁芯的重要介质，1991年9月电力部制定了《关于大型汽轮发电机降低氢气湿度和防止机内进油的若干措施》，其中明确要求机内氢气混合物的绝对湿度不得超过10g/m3，有条件的机组可不超过4g/m3。湿度超过规定值的主要危害有：

（1）使机内氢气纯度降低，导致通风损耗增加和机组效率降低。 （2）容易造成发电机绝缘击穿事故。

（3）使转子护环产生腐蚀裂纹。为确保护环安全，要求护环周围环境的相对湿度在50%以下。

2、氢气湿度偏高的原因

（1）制氢站输送来的氢气湿度超过规定值。 （2）气体冷却器漏水。对于水-氢-氢式或水-水-氢式发电机，有可能是定子绕组、转子绕组的直接冷却系统漏凝结水。

（3）氢侧回油量大。如果油中含水量大，则从密封瓦的回油中出来的水蒸气使机壳内氢气湿度偏高。

（4）真空泵运行不正常。装有单流环式密封瓦的氢外冷机组，其净油设备的真空泵运行不正常，油中水分处理不干净，造成机壳内氢气湿度增大。

3、除湿设备

（1）循环干燥器。循环干燥器由气体进出口接管、过滤网、水位计和放水阀门等组成。见图8-2。

过滤网中放干燥剂。干燥剂有两种：①硅胶（mSiO2·nH2O）。硅胶又名氧化硅胶和硅酸凝胶，为透明或乳白色颗粒。在氢冷发电机中，一般采用在饱和氯化钙溶剂中浸过，并在200~250℃时干燥了的粗孔硅胶作干燥剂。利用硅胶进行吸附干燥的过程

产生气体。

1.2、处理方法

（1）停机更换石棉布。

（2）冲洗电解槽，使被堵塞的系统畅通。 （3）检查极间电压，消除电气短路。 2、氢气的湿度不合格 2.1、原因

（1）电解槽运行温度过高，带走大量水蒸气。

（2）洗涤器和冷却器的冷却水量不够。 （3）冷却器底部存水过多。 （4）干燥器内的分子筛失效。 2.2、处理方法

（1）降低电解槽运行温度。

（2）加大洗涤器和冷却器的冷却水量。 （3）排除冷却器底部的存水。 （4）更换干燥器内的分子筛。

3、电解槽漏碱液 3.1、原因 （1）用于密封和绝缘的石棉橡胶垫失去柔性，或拉紧丝杠的螺丝松动，紧度不够。 （2）腐蚀使石棉橡胶垫强度降低，甚至使槽体部分金属被破坏。 3.2、处理方法

（1）紧固电解槽或更换石棉胶垫。

（2）定期清洗电解槽，避免由杂质短路而产生局部高温，减缓腐蚀作用。 4、电解槽运行温度过高

4.1、原因

（1）电解槽过负荷运行。

（2）电解液浓度过大或碱液循环管堵塞。 （3）分离器的冷却水量不够。 4.2、处理方法

（1）降低电解槽的负荷。

（2）重新配制电解液或冲洗碱液循环管。 （3）加大分离器的冷却水量 5、电解槽极间电压过高或过低

（1）极间电压降低，同时也现气体纯度降低，并且氢气纯度下降较明显。这可能是由于电解槽隔膜框、气道环和液道环处存在金属沉淀物或损失的石棉密封垫而造成短路现象，使极间电压降低，隔膜框参加电解，影响气体纯度。

解决的方法是查出短路原因后，消除金属沉淀物质或修补石棉密封垫，极间电压和气体纯度即可恢复正常。如经清洗后仍然无效，则应拆开液道和气道检查并进性处理。

（2）极间电压升高，同时伴有气体纯度下降，一般是由于隔间出气孔和碱液、气流管被堵塞，造成隔间液面过低。也可能是由于碱液浓度过低或电解槽内液面过低造成的。另外极板腐蚀严重，石棉布上附着沉淀物过多，也会造成电流密度和电阻增大，致使片间电压升高。在检查出事故原因后，可采取相应措施进行处理，一般可恢复正常。若仍然不见好转，则须进行解体大修。

6、氢、氧压力调节器调整失灵 6.1、原因

（1）针型阀关闭不严或浮筒被卡住。

（2）浮筒行程不合适，造成水位不正常。 （3）氢、氧事故排气门不严密。 6.2、处理方法

（1）检修针形阀或放开卡死的浮筒。 （2）对故障浮筒进行重新调整。

（3）检修氢、氧事故排气门。 7、电解槽的绝缘不良

造成绝缘不良的原因主要是检修后存有金属异物；石棉橡胶垫上碱晶体在潮解后流到绝缘子或绝缘套管上；绝缘套管经蒸煮夹紧后有裂缝，水和碱残存于裂缝中；以及石棉橡胶垫片破裂等。

处理方法是，用1%硼酸水擦洗绝缘器件，然后用纯水擦洗，再用空气吹干。更换有裂缝的绝缘套管及损坏的石棉橡胶垫。清洗全部绝缘零部件后，再用蒸汽通入分离器冷却管，保持电解槽液位高于出气管中线以上，并进行逆循环，然后加热至绝缘合格为止。

8、电解槽产生内部爆鸣

爆鸣必须具备两个条件：一是槽内有爆鸣气，二是槽内有火源。如果槽内由于各种原因造成氢、氧气体混合或吸入空气，就可能形成爆鸣气。另外，金属杂质积存或气道圈里存在金属毛刺，它们在冲击电压的作用下，产生尖端放电或产生电弧，当爆鸣气遇到电火花时就会产生爆鸣。

防止槽内产生爆鸣的方法是：保持槽内清洁，避免在送电时产生火花，加强槽体密封，使停槽后空气不能吸入，另外，在启动前必须用氮气进行吹扫。

9、制氢设备的出力降低

制氢设备出力不足，主要是由于电解槽内的电阻过大，因为在额定电压下，难以达到额定电流值。此外由于发生副反应和漏电损失，电流效率降低，也造成制氢设备出力不足。通过采取如下措施，可以提高设备的出力：

（1）保证电解液的KOH浓度在300~400g/L，使碱液密度在1.25~1.30cm3之间，此外，还应设法消除阀门和其他部位的电解液泄漏。

（2）通过适当提高电解液的温度来增加其导电性能和降低氢、氧超电位。一般可以通过控制氢气的出口温度在50~60℃来实现对电解液的温度控制。值得注意的是，应在提高电解液温度时，密切观察电解槽的腐蚀情况。

（3）保持一定的液面高度。液面过低会使电阻增大，当电压一定时，就会使电解电流降低，影响设备出力。

（4）经常清洗电解槽，清除杂质，这样可以减小电解槽的内阻，有利于提高出力。 （5）增加电解液的循环速度，可促使电解液的浓度均匀、温度降低，并使电解液的含气度降低。可在分离器与电解槽之间增加一台循环泵和冷却器来加快电解液的循环。但电解液的循环速度也不宜过快，否则会使电解液与气体不能充分分离，从而影响气体的纯度，增加碱液的消耗。

第五节 制氢站的安全管理

一、建筑与环境

（1）氢站、储氢罐与邻近建筑物或设施要有足够的防火间距，氢站应为不低于二级耐火等级的单层建筑，制氢、压缩、净化、充瓶等厂房的泄压面积应大于0.2m2/m3。

（2）厂房通风良好，室内空气换气达4次/h，事故通风换气不少于7次/h。通风孔应设在屋顶最高处，孔径不少于200mm，屋顶如有隔梁或有两个以上隔间时，每个隔间均设通风孔。孔的下边应与房顶内表面平齐，以防止氢气积聚。如采用机械通风，则必须选项用防爆型电机、风机及其他附属设备。

（3）制氢站的控制室与配电室、化验室不应设门直接联通，门应直通室外。制氢室往配电室、化验室的电缆沟和暖气沟的孔洞应用防火材料封堵严密，氢站建筑不应使用钢制门窗。充氢瓶台的地面，应用不会产生火花的材料铺成，并有导除静电的设施。

（4）氢气放空阀、安全阀均须设通往室外并高出屋顶3m以上的金属放空管和阻火器，各个放空管应有防止雨雪侵入和外来异物堵塞的措施，如安装防雨罩等。 （5）氢站应安装防雷设施，室内及明火现场空气中的氢含量不应大于3%，油区可燃气体，以氢为标准，要求小于0.8%。 二、氢站的配电和照明

（1）配电线路应设熔断器保护，避免线路超载。氢站中的电力线路应密封在金属管中，尽量沿墙敷设，避免靠近屋顶。电话、电铃等应安装在室外，室内不得安装电钟。

（2）开关和启动设备应设在非防爆间，如需安装在防爆间，则需选择防爆型设备。在电解间的门边应安装紧急停车用的防爆按钮。

（3）生产间应有可靠的导除静电装置，严禁用输送有爆炸危险物质的管道作为接地线，接地线应使用铜线。

（4）制氢站的照度不宜低于15~30Lx，采用防爆型壁灯既利于防爆，又便于维修。 三、储氢装置的安全措施

氢气的储存一般采用储氢罐和氢气钢瓶。储氢罐是用钢板焊接而成的密闭容器，工作压力为0.1~1.5MPa，氢气钢瓶采用优质碳素钢、合金钢挤压或无缝钢管收缩而成，阀门采用黄铜或青铜制成，工作压力为0.1~15MPa。

储氢装置必须严格遵守安全规定。 1、储氢罐

（1）储氢罐的位置应符合有关防火防爆规定，罐上应装有压力表、安全阀。安全阀上应连接带阻火器的放散管，罐底部不准采用底部封闭方式，以防止漏氢积聚。

（2）应对储氢罐进行压强试验和气密性试验。 （3）罐区应用围墙，并设置禁火标志和防雷装置。 2、氢气钢瓶

（1）氢气钢瓶应漆成深绿色，标有“氢气”字样，外观无破痕，阀体完整，试压检验日期用钢印打在气瓶肩部。

（2）充分时遵守安全规程，不许超过最高工作压力。气瓶使用时必须留存一定量余气，压力不得低于0.05MPa。

（3）气瓶存放和使用场所应有良好的通风，不得靠近热源及在阳光下曝晒，不准和腐蚀性、氧化性化学药品放在同一库内，氧气瓶、氯气瓶、氟气瓶等必须隔离存放。

（4）气瓶在使用时应装减压阀，开启阀门要缓慢，搬运时要轻拿轻放，运输中应放置稳固。

（5）当氢气钢瓶的瓶壁有裂缝、鼓泡或明显变形；气瓶壁厚小于3mm；经水压试验，气瓶的残余变形率大于10%；气瓶重量损失大于7.5%；气体容积增大率大于3%；气瓶使用年限超过30年等情况出现时，应做报废处理。 四、制氢站的维修及管理

1、日常管理 严禁烟火，禁止在氢气系统各部位存放易燃、易爆品和其他化学危险品。定期对制氢车间空气中的氢含量进行检测，使其不得超过0.5%，工作人员不可穿化纤服及与地面摩擦会产生火花的鞋进入制氢车间，应使用铜铝合金制作的工具。

2、设备检修

不动火检修时，应部分或全部停止设备运行。拆解设备前应关紧连接阀门，将氢气放空，并用氮气置换后方可进行。应在切断电源、确认槽体上的电荷已消除后，方可开始进行电解槽的检修。

如需动火检修，应尽可能将检修设备移到厂房外安全地点进行。必须在现场动火时，应严格遵守安全规程，将动火设备与其他管道全部拆离，经氮气吹扫，各点取样化验合格后方可进行。检修时要求厂房通风良好，空气中氢含量在 0.5以下，其他氢气设备尽可能停止运行。使用气焊时，氧气瓶、乙炔发生器应设在生产氢气的厂房外，电焊的地线不准接在氢气设备上。应有两台以上的测爆仪在现场监视，检修现场应配备轻便的灭火器材，检修人员应熟悉器材的使用方法。

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