李良浩，李巖龍，劉炳偉

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 電廠氫氣供應(yīng)系統(tǒng)概述

山東某核電站新建2×1 250 MW第三代核電機(jī)組，核電站內(nèi)發(fā)電機(jī)冷卻、除鹽水分配系統(tǒng)催化除氧等均需要用大量高純氫氣，因此必須設(shè)置一套氫氣供應(yīng)系統(tǒng)。通常情況下，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)：氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)模；當(dāng)?shù)貧錃鈿庠礌顩r；用戶對(duì)氫氣純度、雜質(zhì)含量及壓力的要求；用戶使用氫氣的特性；電廠的自身特點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)電廠氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)置方式基本有3種：第1種是廠內(nèi)設(shè)置電解制氫裝置；第2種是電廠通過(guò)外購(gòu)瓶裝氫氣向機(jī)組供氫；第3種則是直接通過(guò)管道向電廠供氫。第1種方案中，氫氣量、氫氣參數(shù)及氫氣純度可由電廠自己控制，對(duì)外部依靠少，但該方案工藝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)水平要求較高；第2種方案需要考慮附近是否有滿足電廠用氫參數(shù)及純度的氫源，對(duì)外部依賴比較大，有一定的運(yùn)輸成本，但該方案系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，日常維護(hù)量小；第3種方案要求電廠必須靠近氫源，大多數(shù)電廠附近沒有氫源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用實(shí)例很少，本文不予考慮。

2 國(guó)內(nèi)發(fā)電廠氫氣供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 火電廠氫氣供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)300 MW及以上火電廠大部分采用制氫方式為全廠供氫，近年來(lái)，也有一些距離氫源較近的電廠采用外購(gòu)氫氣的方式，但極少有采用氫氣管道直接向電廠供氫的業(yè)績(jī)。

2.2 核電站氫氣供應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)及在建的核電站大部分采用電解制氫方案，見表1。

3 氫氣供應(yīng)方案

根據(jù)前文的描述，核電站氫氣供應(yīng)系統(tǒng)按電解制氫和外購(gòu)氫氣2種方案進(jìn)行比選。

3.1 方案1

方案1用電解制氫系統(tǒng)制取氫氣，采取中壓儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存，減壓后向發(fā)電機(jī)及其他用戶供氫。

(1)制氫設(shè)備出力。按全部氫冷發(fā)電機(jī)的正常消耗量以及能在7 d積累相當(dāng)于最大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)一次啟動(dòng)充氫量之和考慮，制氫設(shè)備出力應(yīng)為16.3 m3/h(名義工況)，最終選擇2臺(tái)10 m3/h(名義工況)的中壓電解制氫設(shè)備。

(2)儲(chǔ)氫罐選擇。采用制氫裝置時(shí)，配套選用V=30 L，p=3.2 MPa的儲(chǔ)氫罐。采取制氫方式，氫氣源不受外部條件制約，而且制氫設(shè)備有一定的富余量，所以按滿足制氫設(shè)備檢修期間(15 d)正常消耗量和最大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)一次啟動(dòng)充氫量之和考慮，廠內(nèi)儲(chǔ)氫量應(yīng)為3 981 m3(名義工況)，最終選擇6臺(tái)儲(chǔ)氫罐。

電解制氫方案主要設(shè)備參數(shù)見表2。

3.2 方案2

方案2為在市場(chǎng)上直接采購(gòu)品質(zhì)合格的氫氣。據(jù)了解，目前市場(chǎng)上可購(gòu)買的氫氣瓶參數(shù)為V=40 L，p=15 MPa。按滿足7～10 d的正常消耗量和最大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)一次啟動(dòng)充氫量之和考慮，廠內(nèi)儲(chǔ)氫量應(yīng)為3 204 m3(名義工況)，最終選擇氫氣集裝格40組，每組20瓶，共800瓶。外購(gòu)氫氣方案主要設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 外購(gòu)氫氣方案主要設(shè)備參數(shù)

4 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比

4.1 技術(shù)可行性對(duì)比

從技術(shù)角度上看，無(wú)論中壓電解制氫還是外購(gòu)氫氣，2個(gè)方案均可行。

從運(yùn)行業(yè)績(jī)上看，均在國(guó)內(nèi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但在國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的火電廠中，電解制氫方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于外購(gòu)氫氣方案；國(guó)內(nèi)在建和已投運(yùn)的核電站中，電解制氫方案也遠(yuǎn)多于外購(gòu)氫氣方案。

從運(yùn)行操作上看，由于核電站氫氣消耗量比較大，按照方案2外購(gòu)氫氣的規(guī)格計(jì)算，每天要消耗20瓶氫氣，氫氣瓶的更換比較頻繁，其操作、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)沒有得到體現(xiàn)，同時(shí)增加了運(yùn)輸成本。方案1采用電解制氫，符合核電站用氫量大的特點(diǎn)，同時(shí)不受外購(gòu)氫源的制約，能穩(wěn)定地為核電站提供氫氣。

4.2 占地面積和廠房體積

表4為2種方案占地面積和廠房體積對(duì)比。由表4可以看出：方案2的總體積是方案1的1.33倍；但方案1的總占地面積卻是方案2的1.33倍。所以，從土建投資角度看，方案1具有明顯的優(yōu)勢(shì)；從節(jié)約總占地面積角度看，方案2更為合適。

表4 土建對(duì)比

4.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表5，方案1無(wú)人值守，方案2需1名運(yùn)行人員。

表5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比 萬(wàn)元

從表5可以看出：方案1初投資比方案2高約359萬(wàn)元，但年運(yùn)行費(fèi)用比方案2低約75萬(wàn)元，核電站運(yùn)行5年后即可將多出的初投資收回，所以方案1在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于方案2。

4.4 方案對(duì)比

若采用外購(gòu)氫氣方案，必須要有穩(wěn)定的氫源，同時(shí)要充分考慮運(yùn)輸成本。而電解制氫方案符合核電站用氫量大的特點(diǎn)，不受運(yùn)費(fèi)及外購(gòu)氫氣價(jià)格波動(dòng)的影響，可滿足核電站可靠性高的要求。雖然制氫方案的運(yùn)行要比外購(gòu)氫氣方案復(fù)雜，但國(guó)內(nèi)無(wú)論是火電廠還是核電站采用制氫方案均比外購(gòu)氫氣方案多，而且中壓制氫工藝已具有了成熟的管理和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；而外購(gòu)氫氣方案雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但需要經(jīng)常進(jìn)行氫氣瓶的裝卸、吊裝等操作，存在一定的危險(xiǎn)性。

5 結(jié)論

綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，同時(shí)結(jié)合該核電站的特點(diǎn)，最終推薦在該核電站采用電解制氫作為氫氣供應(yīng)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]余浩.火電廠供氫系統(tǒng)方案選擇[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008(6)：46-49.

[2]DL/T 5068—2006 火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB 50177—2005 氫站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]劉萬(wàn)兵.2×1 000 MW電廠氫冷發(fā)電機(jī)供氫系統(tǒng)選擇[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010,29(7):28-29.

[5]DL/T 651—1998氫冷發(fā)電機(jī)濕度的技術(shù)要求[S].

[6]南京晨虹氫業(yè)有限公司.供氫站運(yùn)行操作手冊(cè)[Z].

[7]陳曉春.1 000 MW超超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)氫氣純度的控制[J].華電技術(shù)，2012,34(3):27-30.

[8]盛虎.氫冷機(jī)組氫氣純度低的分析及改進(jìn)措施[J].華電技術(shù)，2088,30(10):61-62.