HM氫氣發生器關鍵技術問題探討

鐘文健(廣東粵電靖海發電公司,廣東揭陽515223)

HM氫氣發生器關鍵技術問題探討

鐘文健(廣東粵電靖海發電公司,廣東揭陽515223)

本文闡述了HM氫氣發生器電解槽的特點，并對關鍵技術問題進行探討。根據生產實踐經驗提出了一些保證系統安全的維護經驗和改造建議，為同類型氫氣發生器的安全運行與管理提供技術借鑒。

氫氣發生器；電解槽；關鍵問題；改造建議

在電力系統中，常采用氫氣作為汽輪發電機的冷卻劑[1]。美國Teledyne公司生產的HM氫氣發生器結構緊湊，自動化水平高，氫氣純度極優，在國內電廠應用廣泛。

1 HM氫氣發生器電解槽介紹

HM氫氣發生器電解槽為雙極性壓濾式電解槽，是HM制氫系統的核心部件[2]。由若干個電解池通過雙極板互相串聯組成，兩端用單極性端板壓緊，呈壓濾機結構。每個電解池由氫電極、氧電極、隔膜及電解液構成，原料水在此發生電化學反應，分解成產品氣氫和氧。HM氫氣發生器電解槽本體示意圖如圖1，其電極使用的是多孔鎳電極，可以較大程度提高電解槽的電流密度。隔膜采用的是厚度僅為0.3mm左右的石棉紙，國產水電解槽使用的隔膜材料一般是厚度為3.2mm石棉布，采用薄型石棉紙可大大降低隔膜電阻造成的電壓降。

圖1 HM氫氣發生器電解槽本體示意圖

2 氫氣發生器關鍵問題探討

2.1 關于系統安全的探討

HM系統在運時僅保留少量氫氣，減少了可燃氣體儲存的潛在威脅。但值得注意的是，HM氫氣發生器中氫氣混入氧氣有兩處途徑，一是HM系統電解槽中使用石棉隔膜將氫、氧兩種氣體分隔開來；二是氫氣捕集器的底部采用石棉隔膜阻集固體顆粒，它只允許凝結水返流到KOH儲罐，而氫氣不能穿透該膜，防止氫氧氣體混合。但石棉纖維易脫落，且系統正常運行時，氫側壓力略高于氧側壓力，若石棉隔膜泄漏，氫氣將穿透隔膜與氧氣混合，并與氧氣一同排入大氣，這是十分危險的，一旦發生，必須立即停車，進行交叉泄漏檢查，查明故障點并修復后方可運行。

HM系統配備氧中氫監測儀，連續監測氧氣中含氫量，氧中氫的檢測是通過一個催化電極來實現的。在催化電極作用下氫氣和氧氣發生化學反應，釋放出反應熱。反應熱的大小與氧氣中氫氣濃度成一定比例。日常維護中，應定期檢查氧中氫探頭的靈敏度，可調節通往探頭的氧氣流量，觀察探頭的溫度測量信號變化是否靈敏。滿負荷運行時，氧氣流量恒定在100ml／min，氧中氫的溫升應小于20℃。另外，在平時的故障排查中，當出現氫氣發生器出力低或氫氧壓差低時，可進行交叉泄漏檢查，以便排查是否因石棉隔膜泄漏故障，導致氫氣透過隔膜從氧氣管道排放出去，進而出現氫氣發生器出力低或氫氧壓差低缺陷。

2.2 關于壓差調節器故障的分析

HM氫氣發生器設有氫氣和氧氣壓差調節器(DPR1和DPR2)，它們是確保系統氫氧側間壓差的關鍵部件。氫、氧壓差調節器均為氣室充氣控制器，依靠氣室的參比氣壓來保持系統一定的背壓。通常氧氣壓差調節閥故障率較高，因為運行過程中，氧氣易攜帶KOH或K2CO3（白色結晶沉淀物），造成調節器排空通道堵塞，而無法將多余的氧氣排空，使得壓差調節失效。

另外，在氫氣發生器預加壓過程中，也易出現壓差調節器故障，導致氫氧壓差低故障。觀察發現，造成該原因多為氧氣差壓調節器未能及時排出氧側多余的氣體所致。分析氧氣壓差調節器結構發現，雖然它是不可調且不能被重新標定的，但可以通過改變壓差調節器的彈簧壓縮行程來改變壓差大小，即可簡單地在氧氣壓差調節器彈簧座添加2～4mm厚的聚四氟乙烯墊圈，從而增加彈簧壓縮行程，增大壓差。

2.3 關于干燥器循環失敗故障的分析

HM氫氣發生器易出現干燥器循環失敗的故障，通過觀察，干燥器循環切換主要的工作流程為：在再生干燥器投運前的三十分鐘，吹洗排空門（SV4）關閉，再生干燥器開始增壓。兩干燥器切換時，30分鐘內兩者的壓力差必須≤0.0352MPa，干燥器四通閥才動作，實現兩者平滑切換。通常主要的故障點有：孔板堵塞或SV4電磁閥關閉不嚴使得再生干燥器無法增壓，干燥器四通閥故障也易造成干燥器切換故障。另外，干燥器系統中的氣體過濾器堵塞，也是干燥器切換失敗的故障之一。究其原因，應是過濾器堵塞后，氣體阻力增大使得再生干燥器增壓達不到要求而使得兩干燥器壓差過大，無法切換。該過濾器過濾介質為微孔玻璃纖維，過濾精度為0.2μm，過濾器堵塞失效后無法復原，只能更換處理。應定期更換系統中的氣體過濾器，約每年一次。

對于干燥器孔板，由于其孔徑極小，只有0.16~0.25mm，運行過程中，節流孔很容易出現被分子篩粉末堵塞的現象，進而造成干燥器吹掃或切換故障。可將干燥器孔板改造為閥門開度可調的計量閥（SWAGELOK的SS-SS4型計量閥）組件，既可達到調節氫氣流量的目的，又可避免孔板堵塞的現象。

2.4 關于電解槽檢修維護的探討

電解槽工藝流程十分復雜，其結構要求公差配合非常精密，且拆卸和安裝須使用專用器械。因施工條件及技術的限制，電廠設備維護人員無法對其進行解體檢修。為延長電解槽壽命，保持其完整性，應定期對電解槽進行外觀檢查，定期檢測每個拉桿與端板之間的絕緣電阻，防止短路熔斷電解槽拉桿。

石棉隔膜是HM氫氣發生器電解槽不可缺少的部件，但石棉屬致癌物。近年來，美國已頒布法令禁止使用，美國德立臺能源系統公司也已停止HM型氫氣發生器電解槽的生產，這給用戶帶來嚴重的影響。某電廠兩臺HM125氫氣發生器電解槽在使用10年后，相繼出現石棉隔膜泄漏嚴重的故障，只能委托國內相關公司對其進行維修，更換內部部件。尋找可替代的電解槽或對氫氣發生器進行升級改造是擺在HM氫氣發生器用戶目前急需解決的問題。

3 結語

本文對HM氫氣發生器電解槽的技術特點進行分析，并對易出現故障進行探討，以期更好的保養和維護氫氣發生器，保障制氫系統的安全、經濟、穩定運行。

[1]電子工業部第十設計研究所編著.氫氣生產與純化[M].哈爾濱：黑龍江科學出版社，1983.

[2]Telydyne Brown Engineering，Inc.，Operation and Mainte?nance Manual for the Teledyne TitanTMHM Generator Series Hydro?gen/Oxygen Gas System

鐘文健（1978-）男；廣東粵電靖海發電有限公司；研究方向：電廠化學設備及技術管理。