一种氢冷发电机用氢气纯化系统的制作方法

本实用新型涉及一种氢冷发电机用氢气纯化系统，属于气体纯化技术与装置领域。

背景技术：

氢气由于具有良好的导热性和流动性，因此，一直以来被视为大型发电机最主要的冷却介质。目前，600MW及以上汽轮发电机基本采用水冷却定子绕组及氢气冷却定子铁芯和转子绕组，简称“水-氢-氢”。采用氢气作为冷却介质，其重要作用主要体现在以下两个方面：(1)在给定发电机输出功率和绕组温度时，用氢气代替空气进行冷却，可节省大约20％的发电机结构材料；(2)由于氢气的密度底，小于空气密度的十四分之一，在同样的压力和温度下，采用氢气可明显降低通风摩擦损耗。

机内进油是影响发电机效率的重要因素，大量发电机都存在向机内进油的问题。进油会向机内混入空气，污染机内氢气，使得发电机氢气品质难以维持在额定值(97～98％)以上。氢气品质的降低会产生诸多不利影响：首先，氢气中混入空气会增加气体密度，导致通风损耗增加，降低发电效率；其次，氢气纯度降低，机内热量排出不及时，造成机内构件局部过热，降低发电机绕组绝缘性，同时，引入的氧气和水汽会腐蚀铁芯及金属部件，影响发电机的运行安全；最后，发电机在运转过程中可能出现定、转子放电现象，氢气与氧气的混合增加了氢爆的可能，严重威胁发电机的安全。据统计，对于400MW、600MW和800MW发电机，氢气纯度每下降1％，风摩擦损耗依次增加107kW、240kW和366kW。目前，国内运行的600MW发电机组约为300台，只有极少数能够长期保持氢气纯度在额定值以上，按平均每台机年损失130万元计算，每年全国电站损失近4亿元。为了维持发电机内的氢气品质，电站普遍定期对发电机进行排补氢，这既增加了运行操作的复杂性，又大大增加了氢气的使用成本。因此，基于上述分析，急需开发出一种氢冷发电机用氢气纯化系统，维持发电机氢气品质，减少排补氢操作，降低氢气使用成本及电站发电损耗。

技术实现要素：

针对氢冷发电机氢气易污染，品质难以维持在额定值的问题，本实用新型提出一种氢冷发电机用氢气纯化系统，以维持发电机氢气品质，减少排补氢操作，降低氢气使用成本及电站发电损耗。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种氢冷发电机用氢气纯化系统，该系统包括氢纯化系统、金属氢化物储氢系统、冷热循环水系统和安全与控制系统四部分；发电机组的排氢口、氢纯化系统、金属氢化物储氢系统和发电机组的进氢口之间依次通过管道连接，形成闭路循环，冷热循环水系统安装在金属氢化物储氢系统上，氢纯化系统、金属氢化物储氢系统和冷热循环水系统分别与安全与控制系统相连接。

所述的氢纯化系统包括除油干燥装置、除氧纯化装置和除水干燥装置，分别实现对低纯氢气的除油、除氧和除水功能。其中，除氧纯化装置为钯触媒除氧纯化装置，即除氧纯化装置中包括钯触媒，采用钯触媒催化氧化除氧生成水；除水干燥装置为分子筛或活性氧化铝除水干燥装置，即除水干燥装置中包括分子筛或活性氧化铝柱，采用分子筛或者活性氧化铝除水，分子筛或者活性氧化铝柱吸水饱和后进行高温再生，再生过程采用该系统回路中不纯氢气吹扫方式完成。发电机组排出的低纯氢气经过氢纯化系统提纯后，水露点低于-50℃，氧含量低于10ppm，氮含量小于3％(体积％)。

由发电机组排出的低纯氢气(包含氢气、油气、氧气、水汽和氮气)，按照除油、除氧、除水、存储排氮的纯化顺序，依次经过氢纯化系统中的除油干燥装置、除氧纯化装置、除水干燥装置和金属氢化物储氢系统，而后将提纯氢气返回输入发电机，通过循环提纯维持发电机组内氢气纯度高于98％(体积％)。

所述金属氢化物储氢系统以金属氢化物作为储氢介质，该系统由2套相同的金属氢氢化物储氢系统A和B组成，储氢系统A和B均包括储氢装置、排氮管路和向发电机输入高纯氢气的管路，具有存储高纯氢气及排氮和向发电机输入高纯氢气的功能。为了保证发电机内氢气长时间维持高纯品质，A和B交替工作提纯氢气，排除氮气杂质，维持氢压平衡。在储氢系统A吸收经过氢纯化系统后的提纯氢气，排除氮杂质的同时，储氢系统B向发电机组内输出等量的99.9999％(体积％)以上纯度的氢。反之储氢系统B吸氢排氮，储氢系统A系统向机组内补高纯氢。安全与控制系统根据发电机冷却氢气量，采用模块化组装调整储氢系统A和B氢气提纯容量和交换工作周期。同时为了保证吸收和排放氢气压力稳定与提纯速率，A和B金属氢化物系统向发电机组内输入高纯氢的压力不低于0.5MPa，从氢纯化系统吸氢压力不高于0.3MPa。

所述冷热循环水系统用于金属氢化物储氢系统的吸氢过程的冷却和放氢过程的加热，以实现金属氢化物储氢系统的吸放氢功能。

所述安全与控制系统主要由氢气泄露报警与强制排风系统、系统阀门与温度控制等系统组成，系统能够实现全自动无人值守功能。安全与控制系统与氢纯化系统、金属氢化物储氢系统和冷热循环水系统之间分别为电连接和/或气动连接，安全与控制系统采用电线和/或气管连接于氢纯化系统、金属氢化物储氢系统、冷热循环水系统上的电控和/或气动部分。安全与控制系统用于控制氢纯化系统、金属氢化物储氢系统、冷热循环水系统的工作状态，并监测系统周边氢气浓度。

本实用新型的有益效果：

本实用新型实现了氢气的纯化、回收、存储与供气的一体化功能，可持续性的维持氢冷发电机内氢气纯度在98％以上，在保持发电机氢气品质的前提下，最大程度的减少排补氢操作，降低氢气使用成本及电站发电损耗。

附图说明

图1为本实用新型的氢冷发电机用氢气纯化系统的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型的氢冷发电机用氢气纯化系统包括氢纯化系统1、金属氢化物储氢系统2、冷热循环水系统3、安全与控制系统四部分4。发电机组的排氢口与氢纯化系统1之间通过管道连接，氢纯化系统1与金属氢化物储氢系统2之间通过管道连接，金属氢化物储氢系统2与发电机组的进氢口之间通过管道连接，形成闭路循环，冷热循环水系统3安装在金属氢化物储氢系统2上，安全与控制系统4用于控制氢纯化系统1、金属氢化物储氢系统2、冷热循环水系统3的工作状态，并监测系统周边氢气浓度，安全与控制系统4采用电线和/或气管连接于氢纯化系统1、金属氢化物储氢系统2、冷热循环水系统3上的电控和/或气动部分。

氢纯化系统1包括除油干燥装置、除氧纯化装置和除水干燥装置，除氧纯化装置采用钯触媒催化氧化法除氧生成水，除水干燥装置采用分子筛除水；含氧、氮和水杂质氢气提纯后，水露点低于-50℃，氧含量低于10ppm，氮含量小于3％(体积％)。低纯度氢气由发电机排出，依次经过氢纯化系统1中的除油干燥装置、除氧纯化装置、除水干燥装置和金属氢化物储氢系统2，而后将提纯氢气输入返回发电机，通过循环提纯维持机组内氢气纯度高于98％(体积％)。

金属氢化物储氢系统2包括2套相同的储氢系统A和B，储氢系统A和B均包括储氢装置、排氮管路和向发电机输入高纯氢气的管路，A和B均以金属氢化物作为储氢介质，具有存储高纯氢气及排氮和向发电机输入高纯氢气的功能。A和B交替工作提纯氢气，排除氮气杂质，维持氢压平衡。A和B金属氢化物储氢系统向机组内输入高纯氢的压力不低于0.5MPa，从氢纯化系统1吸氢压力不高于0.3MPa。

系统运行过程中，发电机输出含有油气、O2、水汽和N2的低纯H2，低纯H2首先通过氢纯化系统1中的除油干燥装置，去除低纯H2中的油气，而后通过钯触媒除氧纯化装置，去除低纯H2中的O2，继而通过分子筛除水干燥装置，去除低纯H2中的水汽，最后将含有N2的H2通入金属氢化物储氢系统2，实现氢气的存储与排N2，并将提纯H2返回输入发电机组。其中，为了保证发电机内氢气长时间维持高纯品质，金属氢化物储氢系统A和B交替工作，当其中之一将高纯氢气输入电机时，另一系统进行高纯氢气的存储。根据发电机冷却氢气量，安全与控制系统采用模块化组装调整A和B金属氢化物氢提纯系统氢气提纯容量和A与B交换工作周期，提纯容量从20Nm³到100Nm³，交替工作时间从4h到20h可变。

金属氢化物储氢系统2中采用的储氢合金在吸氢过程中需要维持温度不高于35℃，在放氢过程中需要维持温度不低于65℃。冷热循环水系统3负责金属氢化物储氢系统2的吸氢过程的冷却和放氢过程的加热，以实现金属氢化物储氢系统2的吸放氢功能。

安全与控制系统4由氢气泄露报警与强制排风系统、系统阀门与温度控制等系统组成，安全与控制系统4采用氢气泄露报警仪，全程监控金属氢化物储氢系统2中的氢气含量，在氢气含量超标时报警并切断氢气系统，启动强制排风，整个系统全自动控制，实现全自动无人值守功能。

本实用新型实现了氢气的纯化、回收、存储与供气的一体化功能，可持续维持氢冷发电机内氢气纯度大于98％(体积％)，极大程度的减少排补氢操作，降低氢气消耗。

此实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。在不脱离本实用新型主旨和范围的前提下，本实用新型还会有进一步的改进，所作改进仍在要求保护的本实用新型范围内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。