摘 要： 制氫站氫氣經(jīng)電解、分離、洗滌后進(jìn)行純化處理，純化后因氧含量超標(biāo)不能進(jìn)行充罐存儲，從電解槽、氫氧分離器、堿液循環(huán)量和濃度、分析儀方面進(jìn)行原因分析和排查處理，并提出了改造建議。

關(guān)鍵詞： 制氫站;氫氣;分析儀

某核電工程兩臺百萬千萬機組共用制氫站，用于發(fā)電機冷卻和化容系統(tǒng)脫氧。氫氣具有通風(fēng)損耗小、傳熱快、不助燃、制取方便等優(yōu)點，發(fā)電機采用氫氣冷卻具有較為廣泛的應(yīng)用。在化容系統(tǒng)中，氫氣存儲于化容系統(tǒng)容積控制箱，用于向一回路冷卻劑加氫以降低溶解氧濃度。

氫氣純度影響電站運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，核電站對氫氣純度提出了更嚴(yán)格的要求，氫氣中氧含量不超過5 ppm才能進(jìn)行充罐存儲后通過分配官網(wǎng)供氣，否則進(jìn)行排空處理。在制氫時出現(xiàn)純度不合格的問題，可從氫氣生產(chǎn)流程進(jìn)行排查處理。

1.制氫系統(tǒng)流程

1.1電解水制氫原理

電解水制氫的工作原理是利用電能使電解質(zhì)溶液分解生成氫氣。在電解質(zhì)溶液中浸沒一對電極，中間設(shè)置電解質(zhì)溶液自由流動而防止氣體滲透的隔膜構(gòu)成電解池，當(dāng)一定電壓的直流電通過電極時，水發(fā)生分解反應(yīng)，在陰極析出氫氣，陽極析出氧氣。

本水電解制氫裝置所采用的電解液為KOH溶液，溶液中的KOH起催化劑的作用，并不參與電解反應(yīng)，故理論上并不消耗[1]，僅需進(jìn)行補水。

1.2 制氫設(shè)備組成

本項目制氫站由框架制氫裝置、氣體減壓分配裝置、補水配堿裝置、氮氣吹掃裝置、整流裝置、控制柜、配電裝置、計算機管理系統(tǒng)及冷水機組組成。制氫裝置由電解槽、氫、氧分離器、氫洗滌器、循環(huán)泵、堿液過濾器、干燥器、冷卻器、氣水分離器、氫氣過濾器等組成。氫氣減壓分配裝置，其進(jìn)口與制氫裝置相連，出口分別與儲氫罐和發(fā)電機組供氫管道相連接。補水配堿裝置包括水箱、堿箱和加水泵，用于堿液的配制和儲存、原料水的儲存以及為制氫裝置提供原料水及堿液。氮氣吹掃裝置分為制氫間氮氣吹掃裝置和儲存間氮氣吹掃裝置，用于設(shè)備開機前的系統(tǒng)內(nèi)空氣置換。

2 制氫系統(tǒng)存在問題

制氫啟動，氫氣洗滌器出口的氫中氧含量降低至0.2%后，打開氫進(jìn)干燥閥，關(guān)閉氫干燥前放空，進(jìn)行氫氣純化和干燥。前期干燥后氫中氧含量下降稍快，然后逐漸減緩，基本趨于穩(wěn)定，96小時后仍為 14.7 ppm，不滿足充罐存儲要求。設(shè)計要求純化后氫氣中氧含量小于5 ppm，方可進(jìn)入儲罐，否則排空處理。

3 氫中氧含量高原因分析

3.1堿液循環(huán)量過大

堿液循環(huán)量過大，則氫氣分離器和氧氣分離器中氣體和堿液不充分分離即進(jìn)行再循環(huán)[2]，混合后重新進(jìn)入電解槽。包含溶解氧的堿液則在陰極室中參與電解，造成氫氣中夾雜氧氣。就地儀表顯示堿液循環(huán)流量為0.54 m3/h，在合理運行區(qū)間。

3.2堿液濃度過低

電解槽運行一段時間后，由于堿液的流失，引起堿液濃度低于標(biāo)準(zhǔn)值而未及時發(fā)現(xiàn)，設(shè)備運行后引起氫氣純度不合格。堿液濃度偏低，使得電解槽金屬鈍化降低，出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。對堿液進(jìn)行取樣檢測，KOH濃度為27%，符合要求。

3.3電解槽損壞

電解槽的隔膜用于隔絕陰極室和陽極室，保證電解液中離子順利通過，同時隔絕氫氧氣泡的通過。但隔膜可能存在少量堵塞、細(xì)小破損的問題，兩側(cè)存在壓差易造成氫、氧氣體相互滲透。另外陰極室中可能存在其他金屬雜質(zhì)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，造成氫氣中混有雜質(zhì)氣體。需要對電解槽進(jìn)行清洗，考慮到制氫站投入使用僅半年，且電解槽檢修復(fù)雜，不作為優(yōu)先處理對象。

3.4氫氧分離器液位差較大

因氫氣分離器和氧氣分離器直接與電解槽連通，二者液位差較大，使得高壓側(cè)液體滲透隔膜與低壓側(cè)液體混合，造成氣體純度下降。經(jīng)檢查上機位壓差和就地液位，氫氧分離器液位分別為327 mm和328 mm，排除氫氧分離器液位差較大問題。

3.5分析儀故障

氫氣經(jīng)脫氧、干燥和過濾后進(jìn)行純度分析，分析儀采用GE OXYIQ微氧分析儀。該微氧分析儀為電化學(xué)式氧分儀，其傳感器是充有電解液的電解池，外加直流電作用下，氣體通過膜片在陰極被還原，輸出電流4～20 mA，電流的大小與樣品氣體中氧氣的濃度成正比關(guān)系。長期暴露于空氣中，會造成電解質(zhì)的蒸發(fā)或受到污染，同時因為一直與氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步加速了消耗。引起傳感器壽命大幅縮短，測量電信號下降。

對微氧分析儀進(jìn)行在線校準(zhǔn)操作，三個指示燈交替閃爍，判斷為微氧分析儀的傳感器消耗過大，需進(jìn)行更換。

4處理過程

因制氫站在運行制氫中，檢修工作需特別加強安全管理，需采取強制通風(fēng)、嚴(yán)禁動火、防止靜電、禁止敲擊等措施。采用以下方案進(jìn)行傳感器更換。

（1）關(guān)閉微氧分析儀所處取樣管路上游的電磁閥，玻璃轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)為0，確保取樣管路無氫氣流入。

（2）更換微氧分析儀的傳感器，并進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）打開微氧分析儀所處取樣管路上游的電磁閥，通入氫氣取樣。

氫中氧含量快速下降，兩小時內(nèi)即降低至5 ppm，并繼續(xù)下降。關(guān)閉氫純化放空管路球閥，打開氫純化出口管路球閥，開始進(jìn)行充罐存儲。

微氧分析儀作為氫氣純化后的純度分析儀表，其測量是否準(zhǔn)確直接決定了氫氣排空或充罐。目前純化氫氣取樣管路設(shè)置為氫氣依次流經(jīng)電磁閥、減壓閥、轉(zhuǎn)子流量計、微氧分析儀和阻火器后直接排空。在機組停機時，空氣進(jìn)入取樣管路，微氧分析儀的傳感器消耗過快?？稍谌庸苈纺┒蔚淖杌鹌魃嫌卧O(shè)置截止閥，停機期間充氮保護(hù)后關(guān)閉截止閥，避免空氣倒流以降低微氧分析儀的傳感器壽命衰減?；蛟谕C期間，取出微氧分析儀的傳感器進(jìn)行密封保存，隔絕空氣流通。

5結(jié)論

（1）微氧分析儀的傳感器過量消耗會造成測得氧含量偏高，氫氣純度偏低而無法進(jìn)行充罐儲存。

（2）微氧分析儀是氫氣純化取樣管路的關(guān)鍵部件，需定期進(jìn)行檢查維護(hù)才能確保測量準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳士英. 水電解制氫設(shè)備工藝流程及常見故障排除 [J] .內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011（4）：93-94.

[2] 修 凱，王 志，白 峰. 水電解制氫裝置液位偏差成因及其處理措施 [J] .艦船科學(xué)技術(shù)，2006， 28（2）：99-101.

【作者簡介】魏雷（1986.11～），男，安徽省宿州市人，漢族，職稱：工程師，學(xué)歷：研究生，研究方向：核電項目管理。