火電廠制氫站儲氫罐系統隔離方法及需注意的問題

達海華

摘??要：分析了火電廠制氫站儲氫罐系統隔離的必要性，介紹了氫氣的基本特性和制氫站的基本構成，闡述了制氫站儲氫罐系統隔離和恢復的方法，并詳細敘述了隔離和恢復過程中的關鍵環節。

關鍵詞：火電廠;儲氫罐;氣密性試驗;隔離措施

中圖分類號：TM621??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.119

目前，國內多數電廠都設有氫站，用制氫裝置制備氫氣儲存在儲氫罐內，以提供機組冷卻用氫。2014-04，國家能源局頒布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》中“防止氫罐爆炸事故”規定了以下3點：①在制氫系統和氫罐的檢修中進行可靠隔離;②氫罐應按照《壓力容器定期檢驗規則》（TSG?R7001—2013）中的要求定期檢驗;③應重點檢查運行了10年左右氫罐的外形，尤其是上、下封頭是否存在鼓包和變形現象。

根據上述規定，凡是設有制氫站的電廠都必須定期檢驗儲氫罐是否進行了可靠隔離。該工作面臨的最大問題是在發電機組正常運行的情況下，不僅要保質、保量地向機組供氫，保證機組的安全運行，還要絕對安全、可靠地隔離氫罐。如果在操作中出現失誤，則可能會導致氫氧混合，進而造成惡性爆炸事故，后果不堪設想。根據實踐經驗，本文就氫罐隔離的方法、步驟和隔離過程中的一些注意事項進行了探討，供有關人員參考。

1??氫氣的特性和制氫站的構成

氫氣無色、無臭、無味，具有較高的擴散速度和導熱性，易積聚在設備、容器或建筑物的頂部，且不易被人們察覺。《氫氣使用安全技術規程》（GB?4962—2008）中介紹，氫氣在空氣中的爆炸范圍為4%～75%;在氧氣中的爆炸范圍為4.5%～95%.因此，氫氣-空氣混合物很容易發生爆燃，撞擊、摩擦、不同電位之間的放電、各種爆炸材料的引燃、明火、熱氣流、高溫煙氣、雷電感應或電磁輻射等都可點燃氫氣-空氣混合物，爆燃形成的沖擊波會造成人員傷亡和破壞周圍設備、附近建筑物。

制氫站一般由框架一（制氫裝置）、框架二、儲氫罐、框架三和控制柜等組成，制氫裝置由電解槽、氫發生器、氫氧分離器、堿液過濾器、堿液循環泵和干燥器等組成，用于制備純度、濕度合格的氫氣;框架二主要由管路、減壓閥、壓力開關和壓力表等組成，用于氫氣的充罐和給發電機補氫;框架三是輔助設備，主要包括補水箱、補水泵、堿液箱和壓力表等部件。

2??儲氫罐隔離的步驟

2.1??總體思路

某電廠的裝機容量為2×330?MW，發電機采用氫氣冷卻，制氫站設有3臺氫罐，每臺氫罐的容積為13.9?m3，設計壓力為3.2?MPa，正常工作壓力在2.4～2.8?MPa之間。為了順利進行氫罐的檢驗工作，必須有效隔離這3臺氫罐。為了保證在隔離期間發電機組可正常供氫，考慮利用瓶裝氫氣暫時替代制儲氫系統給發電機供氫，徹底隔離氫罐后且氣體置換合格后，再開展相關的檢驗工作。

2.2??確定氫罐的隔離時間

氫罐的隔離時間具體可根據以下2方面確定：①隔離氫罐系統應盡量選擇在機組漏氫量較小或單機運行、機組無啟動大量用氫時。此外，由于需要對氫罐進行注水置換和水壓試驗，所以，實施時間應選擇在防凍期結束后。②實施前應進行機組漏氫量試驗，確認機組的補氫量是否正常，無漏氫或其他重大設備缺陷，以免氫罐在隔離期間發生大量用氫無法供給的現象。

2.3??準備階段

準備階段分為以下4步：①根據機組的補氫量情況購置或租用1臺氫氣集裝格。所謂“氫氣集裝格”，是指由多個高壓鋼瓶組成的儲氫單元。例如，該電廠外購了1臺氫氣集裝格，其由20個鋼瓶（V=0.04?m3、P=15?MPa）組成，鋼瓶內充裝氫氣，氫氣瓶出口的壓力在12～15?MPa之間，補氫壓力在0.5～0.8?MPa之間，氫氣的溫度在-50～-25?℃（常壓），氫氣的純度≥99.8%，1臺氫氣集裝格的儲氫量在100～120?Nm3之間。在單機運行的情況下，該電廠的正常補氫量<5?Nm3/d，每天補充約一兩臺氫瓶，可用1臺氫氣集裝格代替3臺儲氫罐給發電機供氫，儲氫量和氫氣品質均能滿足1臺發電機組10～20?d的氫耗量。在實際應用中，各廠可根據本廠情況計算氫氣集裝格的數量。該廠外購的氫氣集裝格如圖1所示。②準備系統連接用的管道和閥門（材質為不銹鋼或銅質），比如三通閥、氫氣減壓閥和安全閥等。③預備足夠數量的氮氣和二氧化碳，以提供系統氣體置換（在操作合理的情況下，30瓶二氧化碳可滿足3臺氫罐的置換用量）。④準備3臺氫罐充水用的連接管道。

圖1??氫氣集裝格

2.4??隔離步驟

隔離步驟分為以下10步：①停運系統。停運制氫裝置，關閉框架二上3臺氫罐的充氫門，停止框架二向3臺氫罐充氫。②氫罐卸壓。分別用3臺氫罐對發電機進行補氫或置換，直至氫罐壓力下降至無法維持補氫（該電廠氫罐的壓力達到0.8?MPa時無法滿足補氫的要求），關閉氫罐的出入門（該門位置在氫罐本體上，開啟出入門后，框架二輸出的氫氣可通過該門充入氫罐;向發電機補氫時，氫罐內的氫氣可通過該門經框架二補至發電機），關閉氫罐的補氫門。③氫罐排氫。逐臺緩慢開啟氫罐的排空門，直至壓力下降至0.2?MPa后關閉該門。④氣體置換。在氫罐排污口處連接二氧化碳置換管道，開啟氫罐排污門，從氫罐底部向罐內充二氧化碳，并緩慢開啟氫罐排空門，以達到邊充邊排的目的。在操作過程中，應始終控制氫罐內的壓力在0.02～0.05?MPa之間，禁止大量、劇烈地排出氫氣。⑤置換終點控制。從氫罐排空取樣門處取樣、分析氫罐內氣體中的氫氣含量，當氫氣含量≤2%時，即氣體置換合格。此時，關閉氫罐排污門、排空門，停止二氧化碳的置換。⑥充水置換。在氫罐排污口處連接充水管道，開啟氫罐排污門向氫罐注水，控制氫罐的壓力保持在0.10?MPa以上。當氫罐取樣門連續出水時關閉排污門，停止注水。⑦采用上述方法置換3臺氫罐。⑧氣體置換充補氫管道并加裝堵板;在框架二充氮口處接氮氣瓶，開啟充氮門、氫罐補氫門，向充、補氫管道充氮氣，緩慢拆開氫罐的出入口門后法蘭進行氣體置換。當法蘭處排出氣體中的氫氣含量≤2%時，即氣體置換合格。此時，在框架二至氫罐的充補氫管道法蘭處加裝堵板，徹底隔離該氫罐。⑨采用上述方法將3臺氫罐的充補氫管道全部置換合格并加裝堵板。⑩排空氫罐存水，檢測氫罐和周圍的微量氫，合格后進行相關的檢驗工作。具體的隔離步驟如圖2和圖3所示。

圖2??框架二

圖3??儲氫罐

3??臨時補氫管道的匯接

臨時補氫管道的匯接分為以下3步：①在氫氣集裝格出口減壓閥后加裝三通閥，分別匯接至氮氣瓶和框架二備用法蘭處。匯接氮氣瓶的目的是在補氫之前，對臨時補氫管道進行氮氣置換，以確保管內無氧氣。②開啟氮氣瓶出口閥，框架二充氮門對臨時補氫管道進行氮氣置換，并用肥皂水檢漏。③氮氣吹掃合格后，關閉各閥門，臨時補氫系統列備用。當發電機需要補氫時，開啟氫氣集裝格出口閥、框架二備用補氫門即可向機組供氫。

4??系統恢復

4.1??匯接法蘭，拆除堵板

匯接3臺氫罐出入口門后的法蘭，并拆除框架二至氫罐充補氫管道法蘭處的堵板。

4.2??儲氣系統氣密性試驗

儲氣系統氣密性試驗（包括框架二和氫罐）的具體流程為：用水注滿氫罐，當氫罐取樣門開始出水時，關閉取樣門，繼續注水，當壓力升至0.2?MPa時，停止注水（受工業水壓力的限制）。每個氫罐的氣密性試驗可單獨進行，也可同時進行，且框架二上與儲罐有關的閥門、管路的氣密性試驗也可與該罐同時進行（禁止氫罐中的水流入框架二）。當通過框架二上的充氮門向氫罐充氮升壓至3.0?MPa時，可用肥皂水檢漏，并記錄當時的環境溫度t1和壓力p1，24?h后再次記錄環境溫度t2和壓力p2，則可通過以下公式換算泄漏率：

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

式（1）中：L為氫氣泄漏率;t1為充氮壓力為3.0?MPa時的環境溫度;p2為24?h后的充氮壓力。

如果平均泄漏率<0.5%，即為氣密性試驗合格。值得注意的是，選用注滿水再升壓的方式是為了明顯減少氮氣的使用量，以1個氫罐為例，其容積為13.9?m3，如果要升高至3.0?MPa的壓力，則需要消耗標準狀態下417?m3的氮氣，而1個充滿壓力的氮氣瓶最多能提供6?m3標準狀態的氮氣。因此，相比1個氫罐至少需要70瓶氮氣的情況，采用灌滿水后再升壓的方法只需使用5瓶氮氣。

4.3??頂壓排水

完成氫罐氣密性試驗后，將氫罐的壓力降至0.5?MPa，用氫氣集裝格的氫氣或啟動制氫裝置向氫罐充氫，打開氫罐排污門，并用氫氣頂壓將水排盡。在排水過程中，注意保持氫罐壓力處于0.2?MPa以上。考慮了氧氣在水中的溶解度后發現，只要在水滿的情況下頂壓排水，氫罐中殘余的氧氣濃度便會<1%，這樣既保證了充氣安全，又減少了氮氣的使用，還節約了置換時間。

4.4??排水后的處理流程

排水后具體的處理流程主要分為以下5步：①當氫罐內的水排完后，關閉氫罐排污門，繼續向氫罐充氫，直至壓力升至0.5?Mpa時停止充氫，靜置1?h后，開啟排污門排氫;②當氫罐壓力降至0.2?MPa時停止排氫，靜置1?h后化驗氫氣的純度、露點;③如果氫氣的純度、露點不合格，則繼續向氫罐充氫，直至壓力升至1.0?MPa后，停止充氫，靜置1?h后化驗氫氣的純度、露點，直至氫氣的純度、露點合格，否則重復進行排氫操作;④當氫罐氫氣的純度、露點合格后，氫罐充壓至正常工作壓力，列備用;⑤拆除臨時補氫管道，并對系統進行氮氣置換至合格。

5??隔離過程中的注意事項

隔離過程中的注意事項有以下6點：①進入現場的人員必須穿戴防靜電服裝，嚴禁穿著釘子鞋進入、用鞋底摩擦管道和攜帶火種，且必須關閉通信工具，杜絕無關人員入內;②應使用銅制工具拆卸設備部件，如果必須使用鋼或鐵制工具時，應在工具表面涂抹黃油;③在氫罐卸壓、排氫的過程中，要注意排空門開度不要過大，以防氫氣大量、劇烈地排出，進而發生爆燃事故;④在氫罐充水置換氫氣的過程中，可緩慢開啟頂部排氣閥，且在置換時閉鎖影響系統的閥門，以免誤開;⑤在氫管道上操作時，應緩慢開啟相關閥門，并保持流速平穩;⑥操作過程中應加強室內通風。

〔編輯：張思楠〕

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