2 MW氫燃料電站運行情況

董文虎，張佳興

（營創(chuàng)三征（營口）精細(xì)化工有限公司，遼寧營口115003）

營創(chuàng)三征（營口）精細(xì)化工有限公司2 MW氫氣發(fā)電裝置，是利用歐盟氫能支持資金示范項目，由荷蘭MTSA公司承擔(dān)工程設(shè)計，其中核心技術(shù)PEM燃料電池由荷蘭Nedstack公司設(shè)計制造，該公司利用氯堿裝置的副產(chǎn)品氫氣作為能源進行發(fā)電。2016年9月10日，裝置投入運行。該裝置為世界首套2 MW電池。

該公司未來生產(chǎn)裝置副產(chǎn)氫氣預(yù)計可達(dá)到15 500萬Nm3/h，為了有效利用這部分資源，近年來，公司相繼開發(fā)出氫氣下游產(chǎn)品，氫氣使用情況簡圖見圖1。

圖1　氫氣使用情況簡圖

1　氫氣發(fā)電技術(shù)簡介

（1）氫氣發(fā)電技術(shù)是利用氫氣和氧氣在質(zhì)子交換膜電池組（PEM）內(nèi)進行氧化還原反應(yīng)，發(fā)電并產(chǎn)生熱能和純凈水的過程。氫氣在正極被氧化，同時氧氣在負(fù)極被還原。被氧化的氫離子通過質(zhì)子膜到陰極，與被還原的陽離子結(jié)合生成水。

（2）PEM燃料電池工作原理見圖2。最外層的薄層表示導(dǎo)電的氣體擴散層。往里層是指由導(dǎo)電材料碳和離聚物構(gòu)成的電極，攜帶細(xì)分散催化劑和鉑元素。這些層之間層為質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)，又名質(zhì)子交換膜（PEM）。該質(zhì)子交換膜僅對質(zhì)子（H+）導(dǎo)電，對電流（e-）是絕緣層。

圖2　氫燃料電池工作原理

（3）薄膜、電極以及氣體擴散層構(gòu)成了膜電極。在陽極（氫氣側(cè)），氫氣將游離在高度分散的鉑催化劑上并分解為質(zhì)子（H+）和電子（e-）。質(zhì)子通過薄膜擴散至陰極（空氣側(cè)）。由于陽極和陰極存在電勢差，電子無法通過薄膜，因此電子將通過外電路流向陰極。通過實時建立的電路實現(xiàn)的。電能就是這樣產(chǎn)生的。同時，在陰極側(cè)，空氣中的氧氣游離在催化劑表面，并與氫質(zhì)子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水：2H2+O2＝2H2O

2　裝置簡介

PEM發(fā)電裝置共3個模塊，即工藝模塊、電池組模塊和電氣逆變器模塊。這3個模塊分別被緊湊布置在3個集裝箱內(nèi)。

2.1　工藝模塊

（1）氫氣系統(tǒng)

為防止裝置中出現(xiàn)爆炸混合物，發(fā)電之前需要使用氮氣吹掃氫氣系統(tǒng)來排出存在氧氣，然后再用氫氣吹掃系統(tǒng)以排出氮氣。氫氣在進入燃料電池之前，必須加濕和清洗干凈。否則會導(dǎo)致燃料電池性能衰減。氫氣供給經(jīng)過液體分離器、加濕容器和再循環(huán)壓縮機加濕后，供應(yīng)給電池組。供應(yīng)給電池組的氫氣量必須要超出消耗量，未消耗的氫氣通過再循環(huán)管線和壓縮機進行再循環(huán)。氫氣供應(yīng)量取決于運行中的組數(shù)，2 MW燃料電池會消耗氫氣約1 300 m3/h。

（2）空氣系統(tǒng)

空氣經(jīng)過壓縮機進入到加濕容器中，加濕后空氣被送入電堆。氧氣在電池的陰極反應(yīng)，剩余氮氣會阻止氧氣輕松接觸催化劑。氧氣與氫離子反應(yīng)產(chǎn)生的水。

2.2　電池組模塊

2 MW PEM燃料電池發(fā)電裝置由6組電池組成，每組電池由4個模塊組成，每個模塊包括14個電池單元，每個單元包括75個電池。因此有336個電池單元、管道、閥門、排氣扇進行布置組裝，構(gòu)成發(fā)電裝置。電池組通過水泵將加濕器內(nèi)水引至燃料電池進行冷卻。電池組中的熱量通過熱交換器3臺板式換熱器排出。

2.3　電氣逆變器模塊

裝置安裝6個相同的逆變器。每個逆變器的最大功率為340 kVA。將一組額定功率為84 kW的4個模塊連接到逆變器。逆變器受2 MW PEM電廠的中央WinCC/PLC控制系統(tǒng)的控制。接觸器由逆變控制系統(tǒng)打開和關(guān)閉。各組供應(yīng)的功率由中央控制系統(tǒng)向逆變器發(fā)送的功率設(shè)定點來確定。每個逆變器都連接到遞增型變壓器系統(tǒng)。這將會產(chǎn)生的電壓從362 VAC轉(zhuǎn)換為 10.5 kVAC。 當(dāng) 2 MW PEM 電廠不發(fā)電時，所需功率由外部電源提供。

3　工藝流程圖簡介

氫燃料電站工藝過程簡圖見圖3。

圖3　氫燃料電站工藝過程簡圖

空氣在V101內(nèi)進行加濕，經(jīng)K101加壓至130 mbar的壓力，水泵P101對空氣進行循環(huán)噴淋、洗滌、加濕。氫氣由氯堿車間氫氣分配臺進行供給至V201，在V201內(nèi)由水泵P201對氫氣進行噴淋、洗滌、加濕。電池組發(fā)電產(chǎn)生的熱量通過水泵P101將V101內(nèi)的純水送至換熱器內(nèi)進行熱量交換。P201泵經(jīng)換熱器對氫氣加濕進行溫度控制。通過逆變器設(shè)定每一組電壓功率。每個逆變器都連接到遞增型變壓器系統(tǒng)，將產(chǎn)生的電壓從362 VAC轉(zhuǎn)換為 10.5 kVAC。

工藝和電池集裝箱均配備電風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)，引出空氣將從設(shè)備的另一側(cè)進行補充。通風(fēng)系統(tǒng)具備雙重功能。首先，可以排出泄漏的氫氣、低氧含量的空氣或氮氣，同時還可為設(shè)備補充空氣；其次，可以排出熱量。風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)將由流量傳感器在風(fēng)扇的吸入側(cè)進行檢測，當(dāng)流量傳感器檢測到空氣不足時，2 MW PEM發(fā)電裝置將立即斷開并進入安全模式。

4　裝置運行中出現(xiàn)的問題及解決方法

截止2017年5月，該裝置已運行7個月，出現(xiàn)的問題和解決方法如下。

（1）氯堿裝置送來的氫氣電導(dǎo)率高，導(dǎo)致電池衰減。

a.快速應(yīng)急方法：向氯堿裝置的氫氣洗滌塔內(nèi)補充純水，增強洗滌效果。b.徹底解決方法：在送往氫氣發(fā)電的氫氣管路上，增加1臺洗滌塔和水霧捕集器，除掉氫氣夾帶堿霧。

（2）由于北方冬季比較寒冷，導(dǎo)致電池集裝箱底部的氫氣管線結(jié)冰，導(dǎo)致機組不能正常運行。解決方法為增加管路保溫措施。

（3）放空的空氣攜帶大量的水滴，在放空煙囪附近形成“飄雨”現(xiàn)象。解決方法為將防空管線提高到距離地面20 m以上的高空并加粗，降低空氣流動的速度。

（4）公司電網(wǎng)電壓波動有時低，這樣會導(dǎo)致逆變器跳閘停車。解決方法為重新給出電壓波動的范圍，MTSA公司重新設(shè)定逆變器電壓波動范圍值。

（5）逆變器冷卻器在緊急停車的時候一起停，容易造成壓力高故障，無法正常運行。解決方法為系統(tǒng)緊急停車后冷卻器設(shè)置繼續(xù)運行2 h，如果2 h內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)運行，冷卻器繼續(xù)工作，如果2 h內(nèi)沒有恢復(fù)系統(tǒng)運行，則冷卻器停運。

5　小結(jié)

氫燃料電池發(fā)電是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，副產(chǎn)物只有水，沒有任何含碳物質(zhì)的排放，是一種高效、清潔、環(huán)保發(fā)電方式。通過一段時間的運行考核證明，2 MW氫燃料電站裝置設(shè)計合理，一鍵式開車操作方便，系統(tǒng)設(shè)置故障聯(lián)鎖停車功能，確保裝置運行和停車安全可靠。

目前，國內(nèi)大多數(shù)氯堿企業(yè)氫氣都存在直接排放的現(xiàn)象，氫燃料發(fā)電將成為氯堿企業(yè)充分合理利用氫氣的有效途徑之一。