發電機氫氣提純技術在燃氣機組的應用

高國梁

(廣州珠江天然氣發電有限公司，廣州 511458)

0 引 言

氫氣具有密度低、熱傳導能力良好及散熱能力較強等優點，因此被廣泛應用于大型發電機組的冷卻系統。另外， 氫氣比熱容較高，換熱效率較高， 因此發電機組的冷卻器體積較小，節省材料與成本。但是，氫氣為易燃易爆氣體，與空氣混合濃度在4%～76%時易發生爆炸事故，因此發電機組需配備密封油系統及氫氣泄露監測裝置，以防氫氣泄露[1]。

在發電機組運行過程中，存在氫氣純度降低的問題，其可能原因：在發電機啟機置換過程中，置換不徹底引起的氫氣濃度下降；氫氣本身濕度過大，雜質氣體較多；密封瓦間隙超標引起氫、空側密封油竄流等[2-4]。氫氣純度降低時，混合氣體的密度和黏度均會增大，發電機組風力摩擦損耗將會增加，從而造成機組構件局部過熱，影響機組的安全運行。另外，發電機組風力摩擦損耗增加會降低發電機效率，造成機組功率的損失。

針對發電機組氫氣純度降低的問題，目前絕大多數電廠通過調整密封油系統相關參數、采用排補氫氣等方法。但調整參數只能抑制氫氣純度降低的速度，不能從根本上解決問題；而采用排補氫氣的方法，不僅會大量耗用氫氣，造成經濟損失，而且存在著火和爆炸的危險，影響機組安全運行。因此該文提出將氫氣提純技術應用于發電機組，并采用在線監測自主運行的策略，從而更加安全經濟地解決發電機組氫氣純度降低這一問題。

1 氫氣提純技術

目前國內現存的氫氣提純技術主要包括：變壓吸附技術[5]、膜分離技術[6]及深冷分離技術[7]。

1.1 變壓吸附技術

變壓吸附技術原理,即在不同壓力下，吸附劑對吸附質具有不同的吸附能力(壓力越高吸附能力越強)；在相同壓力下，吸附劑對不同吸附質組分具有選擇吸附能力。變壓吸附技術工藝流程主要包括高壓吸附和低壓解吸。首先，在較高壓力下，吸附能力較強的組分被選擇吸附于吸附劑中，而吸附能力較弱的組分則富集于解吸氣中；在較低壓力下，吸附于吸附劑中的組分解吸，富集于解吸氣中，且吸附劑得以再生循環使用。這樣就可以實現吸附能力不同的組分分離。吸附劑一般是具有吸附能力的固體，吸附質為被吸附的物質(氣體)。工業上常用的吸附劑包括分子篩活性炭、活性氧化鋁、硅膠等，這些吸附劑對于氫氣的吸附率比較低。變壓吸附技術具有能耗低、純度高、工藝流程簡單、自動化程度高、投資小、吸附劑使用周期長及可靠性高等優點，可考慮應用于氫氣提純技術中。

吸附技術提純氫氣流程：在高壓下，吸附劑將氫氣中的雜質進行吸附，使氫氣得以提純；然后在低壓下，雜質脫附，吸附劑即可循環使用。該方法獲得的氫氣純度很高，一般可達99%以上。當吸附壓力增大時，雜質的吸附量會增加，氫氣純度也會提高，但壓力太大氫氣的回收率會隨之降低，因此需選擇合適的工作壓力，才能保證其回收氫氣純度和回收率達到預期范圍。

1.2 膜分離技術

膜分離技術是利用混合氣體通過分離膜的選擇性滲透來進行氣體提純的，膜分離技術提純氣體的推動力是膜兩側的壓差，主要包括微孔擴散技術和溶解-擴散技術，其原理示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 氣體分離膜微孔擴散原理示意圖

圖2 氣體分離膜溶解-擴散原理示意圖

微孔擴散技術的分離膜為多孔介質材料，其孔徑范圍為0.02～20 μm，由于混合氣體的平均自由程小于孔徑，因此有利于分離過程的進行。如圖1所示，在壓差的作用下，混合氣體中滲透率較高的組分易于透過分離膜，富集于透過側(膜的右側)；而滲透性較低的組分不易于透過分離膜，富集于未透過側(膜的左側)，從而實現氣體的提純。另外，溫度和壓力也會影響氣體在分離膜的滲透率，尤其是壓力。分離膜兩側的壓差越大，氣體的透過率越高。

采用溶解-擴散技術進行氣體分離，過程可以簡單概述為：吸附—溶解—擴散—分離。如圖2所示，首先氣體被吸附在膜的一側并且溶解，然后在濃度梯度(壓力梯度)的作用下擴散到膜的另一側，并在此發生解吸，達到分離提純的效果。由于氣體的吸附-溶解過程及分離過程較快，而氣體在膜內部的擴散過程較為緩慢，因此提高該技術的分離速度在于提高氣體在膜中的分離速度。

膜分離技術幾乎無相變過程，因此能耗較低；膜分離組件簡單，操作靈活，成本較低；另外，膜分離技術具有無污染、綠色環保的優越性能。目前大部分氣體分離膜采用微孔擴散原理來實現氫氣的提純，其具有投資少、能耗低、操作便捷等優點，可應用于發電機組的氫氣提純工作。

1.3 深冷分離技術

深冷分離技術又被稱作低溫精餾技術，其實質是將混合氣體壓縮、冷卻后，利用不同組分的沸點差異進行精餾，從而實現組分的分離。該技術中壓縮、冷卻過程的能耗很大，且系統較為復雜，設備成本較高，較適用于大規模氣體分離過程，因此不大適用于發電機組氫氣提純工作。深冷分離技術由于其設備成本高、能耗高等缺點，一直未被廣泛應用。

1.4 氫氣提純技術的確定

當原料氣體積流量為4 000 m3/h時，分別就變壓吸附技術、深冷分離技術、膜分離技術3種提純技術的氫氣純度、產氣成本、投入成本、安裝面積等方面進行對比，結果見表1。由表1可知，在單位產氣成本方面，變壓吸附技術最高，為1.302元/m3，膜分離技術最低，為1.023 元/m3；在投入成本和安裝面積方面，深冷分離技術最高，膜分離技術最低；在氫氣回收率和回收氫氣純度方面，膜分離技術均居中，綜上，膜分離技術較為適合電廠發電機的氫氣提純工作。

表1 3種氫氣提純技術參數對比

2 氫氣提純系統

2.1 氫氣提純系統組成

該文采用基于膜分離技術的氫氣提純系統進行發電機組氫氣提純工作，其系統示意圖如圖3所示。該系統主要包括氣體分離模塊、氫氣干燥裝置、壓氣機、換熱器、過濾器、流量計及氣閥等。氣體分離模塊為系統的核心部分，采用的氫氣凈化膜為有機膜，該模塊設計工作壓力為0.6 MPa，工作溫度為30 ℃。氫氣干燥裝置對原料氣進行預處理，主要去除原料氣中的水蒸氣。壓氣機用于提供原料氣的流通動力，提高原料氣的壓力。換熱器采用翅片式結構，不銹鋼材質，利用內冷水冷卻壓縮后的原料氣，使其溫度保持在30 ℃左右。過濾器包括油過濾器和精密過濾器，主要去除原料氣中的微量油蒸汽、粉塵等雜質。

圖3 氫氣提純系統示意圖

氫氣提純系統的工作流程：1)原料氣從發電機中流出，經氫氣干燥裝置進行預處理，然后經進氣閥、流量計流入壓氣機，增壓至0.6 MPa；2)增壓后的原料氣經過換熱器冷卻至30 ℃，進入過濾器進一步去除原料氣中的油蒸汽及粉塵，再進入氣體分離模塊，此時氣體壓力為0.6 MPa，溫度為30 ℃；3)混合氣體經氣體分離模塊中的氣體膜完成分離后，從滲透側得到富集的氫氣，該部分氣體經流量計、產品氣閥返回發電機組，從氣體膜非滲透側得到富集的空氣，通過廢氣排放管道排出。

2.2 氫氣提純系統應用

將該氫氣提純系統應用于某電廠，并在線監測其運行期間發電機組的氫氣濃度及壓力，其結果如圖4所示。當氫氣提純系統運行150 h后，發電機組的氫氣濃度從97.25%逐漸升高至99.33%。氫氣壓力近似呈現周期變化規律，運行期間氫氣壓力最大值為302.90 kPa，最小值為267.54 kPa，平均值為287.41 kPa。由此可知，氫氣凈化裝置的提純效果明顯，避免了通過排補氫氣的方式提高純度造成的氫氣浪費，且減少了發電機損耗，提高了發電機組的效率。另外，通過設備運行，可以使得發電機氫氣純度達到99%以上，并長期保持，解決了發電機氫氣純度過低的問題，保障了發電機的安全運行。

圖4 發電機組氫氣濃度及壓力隨運行時間的變化

如圖5所示，以400 MW的燃氣發電機組為例，氫氣濃度每增加1%，發電機風力摩擦損耗將降低160.4 kW，即發電機的輸出功率將增加160.4 kW。當氫氣濃度從96%增加到99%時，若發電機組年平均小時數按照4 000 h計算，則安裝氫氣提純系統后，該機組的年發電量約增加1.9×106kW·h。另外，安裝氫氣凈化裝置后，電廠節約了大量因純度不合格所需的排補用氫量。假設每天的排補用氫量為4.8 m3，該機組年平均運行小時數為4 000 h，合計167天，則每年節約的排補用氫量為801.6 m3。

圖5 氫氣濃度對發電機組風力摩擦損耗影響

3 結 語

將基于膜分離技術的氫氣提純系統應用于某燃氣機組，采用在線監測運行的策略， 應對氫氣純度下降的問題。運行150 h后，發電機組的氫氣濃度從97.25%逐漸升高至99.33%。氫氣提純系統運行后發電機氫氣純度可長期達到99%以上，解決了發電機氫氣純度過低的問題，保證了發電機的安全運行。氫氣提純系統在提高氫氣純度的同時，減少了發電機風力摩擦損耗，提高了電廠經濟效益。