火電廠制氫站儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)隔離方法及需注意的問題

達(dá)海華

摘??要：分析了火電廠制氫站儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)隔離的必要性，介紹了氫氣的基本特性和制氫站的基本構(gòu)成，闡述了制氫站儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)隔離和恢復(fù)的方法，并詳細(xì)敘述了隔離和恢復(fù)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：火電廠;儲(chǔ)氫罐;氣密性試驗(yàn);隔離措施

中圖分類號(hào)：TM621??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.119

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)電廠都設(shè)有氫站，用制氫裝置制備氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐內(nèi)，以提供機(jī)組冷卻用氫。2014-04，國(guó)家能源局頒布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》中“防止氫罐爆炸事故”規(guī)定了以下3點(diǎn)：①在制氫系統(tǒng)和氫罐的檢修中進(jìn)行可靠隔離;②氫罐應(yīng)按照《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG?R7001—2013）中的要求定期檢驗(yàn);③應(yīng)重點(diǎn)檢查運(yùn)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(xiàn)象。

根據(jù)上述規(guī)定，凡是設(shè)有制氫站的電廠都必須定期檢驗(yàn)儲(chǔ)氫罐是否進(jìn)行了可靠隔離。該工作面臨的最大問題是在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，不僅要保質(zhì)、保量地向機(jī)組供氫，保證機(jī)組的安全運(yùn)行，還要絕對(duì)安全、可靠地隔離氫罐。如果在操作中出現(xiàn)失誤，則可能會(huì)導(dǎo)致氫氧混合，進(jìn)而造成惡性爆炸事故，后果不堪設(shè)想。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(xiàng)進(jìn)行了探討，供有關(guān)人員參考。

1??氫氣的特性和制氫站的構(gòu)成

氫氣無色、無臭、無味，具有較高的擴(kuò)散速度和導(dǎo)熱性，易積聚在設(shè)備、容器或建筑物的頂部，且不易被人們察覺?！稓錃馐褂冒踩夹g(shù)規(guī)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(fā)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?zé)煔?、雷電感?yīng)或電磁輻射等都可點(diǎn)燃?xì)錃?空氣混合物，爆燃形成的沖擊波會(huì)造成人員傷亡和破壞周圍設(shè)備、附近建筑物。

制氫站一般由框架一（制氫裝置）、框架二、儲(chǔ)氫罐、框架三和控制柜等組成，制氫裝置由電解槽、氫發(fā)生器、氫氧分離器、堿液過濾器、堿液循環(huán)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(guān)和壓力表等組成，用于氫氣的充罐和給發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫;框架三是輔助設(shè)備，主要包括補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵、堿液箱和壓力表等部件。

2??儲(chǔ)氫罐隔離的步驟

2.1??總體思路

某電廠的裝機(jī)容量為2×330?MW，發(fā)電機(jī)采用氫氣冷卻，制氫站設(shè)有3臺(tái)氫罐，每臺(tái)氫罐的容積為13.9?m3，設(shè)計(jì)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(jìn)行氫罐的檢驗(yàn)工作，必須有效隔離這3臺(tái)氫罐。為了保證在隔離期間發(fā)電機(jī)組可正常供氫，考慮利用瓶裝氫氣暫時(shí)替代制儲(chǔ)氫系統(tǒng)給發(fā)電機(jī)供氫，徹底隔離氫罐后且氣體置換合格后，再開展相關(guān)的檢驗(yàn)工作。

2.2??確定氫罐的隔離時(shí)間

氫罐的隔離時(shí)間具體可根據(jù)以下2方面確定：①隔離氫罐系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇在機(jī)組漏氫量較小或單機(jī)運(yùn)行、機(jī)組無啟動(dòng)大量用氫時(shí)。此外，由于需要對(duì)氫罐進(jìn)行注水置換和水壓試驗(yàn)，所以，實(shí)施時(shí)間應(yīng)選擇在防凍期結(jié)束后。②實(shí)施前應(yīng)進(jìn)行機(jī)組漏氫量試驗(yàn)，確認(rèn)機(jī)組的補(bǔ)氫量是否正常，無漏氫或其他重大設(shè)備缺陷，以免氫罐在隔離期間發(fā)生大量用氫無法供給的現(xiàn)象。

2.3??準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段分為以下4步：①根據(jù)機(jī)組的補(bǔ)氫量情況購置或租用1臺(tái)氫氣集裝格。所謂“氫氣集裝格”，是指由多個(gè)高壓鋼瓶組成的儲(chǔ)氫單元。例如，該電廠外購了1臺(tái)氫氣集裝格，其由20個(gè)鋼瓶（V=0.04?m3、P=15?MPa）組成，鋼瓶?jī)?nèi)充裝氫氣，氫氣瓶出口的壓力在12～15?MPa之間，補(bǔ)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(tái)氫氣集裝格的儲(chǔ)氫量在100～120?Nm3之間。在單機(jī)運(yùn)行的情況下，該電廠的正常補(bǔ)氫量<5?Nm3/d，每天補(bǔ)充約一兩臺(tái)氫瓶，可用1臺(tái)氫氣集裝格代替3臺(tái)儲(chǔ)氫罐給發(fā)電機(jī)供氫，儲(chǔ)氫量和氫氣品質(zhì)均能滿足1臺(tái)發(fā)電機(jī)組10～20?d的氫耗量。在實(shí)際應(yīng)用中，各廠可根據(jù)本廠情況計(jì)算氫氣集裝格的數(shù)量。該廠外購的氫氣集裝格如圖1所示。②準(zhǔn)備系統(tǒng)連接用的管道和閥門（材質(zhì)為不銹鋼或銅質(zhì)），比如三通閥、氫氣減壓閥和安全閥等。③預(yù)備足夠數(shù)量的氮?dú)夂投趸?，以提供系統(tǒng)氣體置換（在操作合理的情況下，30瓶二氧化碳可滿足3臺(tái)氫罐的置換用量）。④準(zhǔn)備3臺(tái)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(yùn)系統(tǒng)。停運(yùn)制氫裝置，關(guān)閉框架二上3臺(tái)氫罐的充氫門，停止框架二向3臺(tái)氫罐充氫。②氫罐卸壓。分別用3臺(tái)氫罐對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氫或置換，直至氫罐壓力下降至無法維持補(bǔ)氫（該電廠氫罐的壓力達(dá)到0.8?MPa時(shí)無法滿足補(bǔ)氫的要求），關(guān)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(fā)電機(jī)補(bǔ)氫時(shí)，氫罐內(nèi)的氫氣可通過該門經(jīng)框架二補(bǔ)至發(fā)電機(jī)），關(guān)閉氫罐的補(bǔ)氫門。③氫罐排氫。逐臺(tái)緩慢開啟氫罐的排空門，直至壓力下降至0.2?MPa后關(guān)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(nèi)充二氧化碳，并緩慢開啟氫罐排空門，以達(dá)到邊充邊排的目的。在操作過程中，應(yīng)始終控制氫罐內(nèi)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(diǎn)控制。從氫罐排空取樣門處取樣、分析氫罐內(nèi)氣體中的氫氣含量，當(dāng)氫氣含量≤2%時(shí)，即氣體置換合格。此時(shí)，關(guān)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(dāng)氫罐取樣門連續(xù)出水時(shí)關(guān)閉排污門，停止注水。⑦采用上述方法置換3臺(tái)氫罐。⑧氣體置換充補(bǔ)氫管道并加裝堵板;在框架二充氮口處接氮?dú)馄?，開啟充氮門、氫罐補(bǔ)氫門，向充、補(bǔ)氫管道充氮?dú)?，緩慢拆開氫罐的出入口門后法蘭進(jìn)行氣體置換。當(dāng)法蘭處排出氣體中的氫氣含量≤2%時(shí)，即氣體置換合格。此時(shí)，在框架二至氫罐的充補(bǔ)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(tái)氫罐的充補(bǔ)氫管道全部置換合格并加裝堵板。⑩排空氫罐存水，檢測(cè)氫罐和周圍的微量氫，合格后進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)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(chǔ)氫罐

3??臨時(shí)補(bǔ)氫管道的匯接

臨時(shí)補(bǔ)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?dú)馄亢涂蚣芏溆梅ㄌm處。匯接氮?dú)馄康哪康氖窃谘a(bǔ)氫之前，對(duì)臨時(shí)補(bǔ)氫管道進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，以確保管內(nèi)無氧氣。②開啟氮?dú)馄砍隹陂y，框架二充氮門對(duì)臨時(shí)補(bǔ)氫管道進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，并用肥皂水檢漏。③氮?dú)獯祾吆细窈螅P(guān)閉各閥門，臨時(shí)補(bǔ)氫系統(tǒng)列備用。當(dāng)發(fā)電機(jī)需要補(bǔ)氫時(shí)，開啟氫氣集裝格出口閥、框架二備用補(bǔ)氫門即可向機(jī)組供氫。

4??系統(tǒng)恢復(fù)

4.1??匯接法蘭，拆除堵板

匯接3臺(tái)氫罐出入口門后的法蘭，并拆除框架二至氫罐充補(bǔ)氫管道法蘭處的堵板。

4.2??儲(chǔ)氣系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)

儲(chǔ)氣系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)（包括框架二和氫罐）的具體流程為：用水注滿氫罐，當(dāng)氫罐取樣門開始出水時(shí)，關(guān)閉取樣門，繼續(xù)注水，當(dāng)壓力升至0.2?MPa時(shí)，停止注水（受工業(yè)水壓力的限制）。每個(gè)氫罐的氣密性試驗(yàn)可單獨(dú)進(jìn)行，也可同時(shí)進(jìn)行，且框架二上與儲(chǔ)罐有關(guān)的閥門、管路的氣密性試驗(yàn)也可與該罐同時(shí)進(jìn)行（禁止氫罐中的水流入框架二）。當(dāng)通過框架二上的充氮門向氫罐充氮升壓至3.0?MPa時(shí)，可用肥皂水檢漏，并記錄當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度t1和壓力p1，24?h后再次記錄環(huán)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(shí)的環(huán)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(yàn)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?dú)獾氖褂昧浚?個(gè)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下417?m3的氮?dú)?，?個(gè)充滿壓力的氮?dú)馄孔疃嗄芴峁??m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氮?dú)?。因此，相?個(gè)氫罐至少需要70瓶氮?dú)獾那闆r，采用灌滿水后再升壓的方法只需使用5瓶氮?dú)狻?/p>

4.3??頂壓排水

完成氫罐氣密性試驗(yàn)后，將氫罐的壓力降至0.5?MPa，用氫氣集裝格的氫氣或啟動(dòng)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(fā)現(xiàn)，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(huì)<1%，這樣既保證了充氣安全，又減少了氮?dú)獾氖褂?，還節(jié)約了置換時(shí)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(dāng)氫罐內(nèi)的水排完后，關(guān)閉氫罐排污門，繼續(xù)向氫罐充氫，直至壓力升至0.5?Mpa時(shí)停止充氫，靜置1?h后，開啟排污門排氫;②當(dāng)氫罐壓力降至0.2?MPa時(shí)停止排氫，靜置1?h后化驗(yàn)氫氣的純度、露點(diǎn);③如果氫氣的純度、露點(diǎn)不合格，則繼續(xù)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(yàn)氫氣的純度、露點(diǎn)，直至氫氣的純度、露點(diǎn)合格，否則重復(fù)進(jìn)行排氫操作;④當(dāng)氫罐氫氣的純度、露點(diǎn)合格后，氫罐充壓至正常工作壓力，列備用;⑤拆除臨時(shí)補(bǔ)氫管道，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)庵脫Q至合格。

5??隔離過程中的注意事項(xiàng)

隔離過程中的注意事項(xiàng)有以下6點(diǎn)：①進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的人員必須穿戴防靜電服裝，嚴(yán)禁穿著釘子鞋進(jìn)入、用鞋底摩擦管道和攜帶火種，且必須關(guān)閉通信工具，杜絕無關(guān)人員入內(nèi);②應(yīng)使用銅制工具拆卸設(shè)備部件，如果必須使用鋼或鐵制工具時(shí)，應(yīng)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(jìn)而發(fā)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(shí)閉鎖影響系統(tǒng)的閥門，以免誤開;⑤在氫管道上操作時(shí)，應(yīng)緩慢開啟相關(guān)閥門，并保持流速平穩(wěn);⑥操作過程中應(yīng)加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)。

〔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