水电解制氢原理

图8-1 氢气-空气混合物的着火性能曲线

(a)最小着火能量；(b)灭火距离

氢气的燃烧和爆炸过程，从化学反应角度来讲，都是氢气和氧气化合生成水和释放能量的过程。它们之间的区别仅在于反应的速度不同。燃烧时，反应速度较慢而且稳定；爆炸时，反应速度极快而且产生具有破坏性的冲击波。燃烧包含着两个紧密的环节，即反应的诱发（点火）和燃烧；爆炸现象尽管是在短时间内完成，却包含着诱发、燃烧和爆炸三个环节。氢爆发生的条件是：

（1）氢气在空气中的体积含量为4%~75%或在氧气中的体积含量为4.65%~94.0%。 （2）含氢的混合气体置于密闭的容器中。 （3）有明火触发纯氢着火。

综上所述，当一定空间内空气（或氧气）中氢气含量处于爆炸上、下限之间时，一遇明火，局部首先着火，并放出大量的热量，使生成的水蒸气的体积膨胀，压力急剧增大形成冲击波，即形成爆炸现象。可见，氢冷系统中保持氢气高纯度，是防止氢爆的首要措施。 三、氢气湿度

1、湿度对氢冷发电机运行的影响

氢冷发电机中的氢气是冷却发电机线圈和铁芯的重要介质，1991年9月电力部制定了《关于大型汽轮发电机降低氢气湿度和防止机内进油的若干措施》，其中明确要求机内氢气混合物的绝对湿度不得超过10g/m，有条件的机组可不超过4g/m。湿度超过规定值的主要危害有： （1）使机内氢气纯度降低，导致通风损耗增加和机组效率降低。 （2）容易造成发电机绝缘击穿事故。

（3）使转子护环产生腐蚀裂纹。为确保护环安全，要求护环周围环境的相对湿度在50%以下。 2、氢气湿度偏高的原因

（1）制氢站输送来的氢气湿度超过规定值。

（2）气体冷却器漏水。对于水-氢-氢式或水-水-氢式发电机，有可能是定子绕组、转子绕组的直接冷却系统漏凝结水。

（3）氢侧回油量大。如果油中含水量大，则从密封瓦的回油中出来的水蒸气使机壳内氢气湿度偏高。 （4）真空泵运行不正常。装有单流环式密封瓦的氢外冷机组，其净油设备的真空泵运行不正常，油中水分处理不干净，造成机壳内氢气湿度增大。 3、除湿设备

（1）循环干燥器。循环干燥器由气体进出口接管、过滤网、水位计和放水阀门等组成。见图8-2。

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过滤网中放干燥剂。干燥剂有两种：①硅胶（mSiO2·nH2O）。硅胶又名氧化硅胶和硅酸凝胶，为透明或乳白色颗粒。在氢冷发电机中，一般采用在饱和氯化钙溶剂中浸过，并在200~250℃时干燥了的粗孔硅胶作干燥剂。利用硅胶进行吸附干燥的过程属于物理吸附。一般商售硅胶约含水分3%~7%，吸湿量能达40%左右。②氯化钙（CaCl2·6H2O）。氯化钙为无色六角晶体，有苦咸味和潮解性，其熔点为29.92℃，加热时先失去四分子水而成二水物。它是一种白色、多孔、有吸湿性的物质，加热至200℃时失去全部水分而成为吸湿性强的无水物CaCl2。采用无水CaCl2进行的吸附干燥过程属于化学吸附，它能够吸收气体里的水蒸气，并在CaCl2晶体表面逐渐形成溶液，这种现象在化学里称为潮解。CaCl2吸水溶解后，其溶液流在干燥器的底板上，所以要求每隔6~8h定期打开放水阀门收集溶液。溶液经蒸发、煅烧后成为无水CaCl2，因此CaCl2可循环使用。如果停止排出CaCl2溶液，则说明CaCl2已经用尽，需要重新更换CaCl2。发电机用CaCl2，是其他工业用过的CaCl2在300~400℃温度下煅烧过的，其干燥作用比硅胶的好。

图8-2 循环干燥器结构图

1-过滤网；2-顶盖；3-罐壳；4-干燥剂；5-窥视窗（水位计）；6-放水阀门

4、氢气湿度的标准

（2）冷凝式氢气除湿器。该装置利用弗利昂作制冷剂。制冷剂在蒸发器内处于低压蒸发状态，它能吸收氢气的热量，使氢气急剧降温，造成氢气中所含的水蒸气基本上都凝结成霜和水，然后通过除霜排水达到降低氢气湿度的目的。冷凝除湿干燥器的检修维护量小，可以自动控制。但应注意排水过程中必须停止运行。 因为密封在机壳中的氢气含有一定量的水蒸气，这样就存在着水蒸气含量的饱和问题，所以绝对湿度的大小可反映某一温度时气体中的含湿程度。但当气体温度发生变化后，即使绝对湿度保持不变，气体的含湿程度也会发生变化。这一点反映在表8-3中相对湿度值的变化上。

表8-3 相对湿度值（%） 氢气的绝对 湿度（g/m） 4.85 6.0 9.4 12.8 17.3 23 30.4 39.61 51.16 65.45 3氢 气 温 度（℃） 0 100 5 71.2 100 10 51.5 72.3 100 15 37.8 53.1 73.4 100 20 28 39.3 54.3 74 100 25 19.4 27.2 37.6 51.2 69.2 100 30 15.9 22.4 30.9 42.1 56.9 82.2 100 35 12.2 17.2 25.7 32.3 43.7 63.1 76.8 100 40 9.5 13.3 15.4 25 33.8 48.9 59.4 77.5 100 45 7.4 10.4 14.4 19.6 26.4 35.1 46.4 60.5 78.3 100 从表8-3中可见，若维持气体温度不变，随绝对湿度的增加，相对湿度将增大，这表明气体将愈来愈接近饱和状态。但是，如果维持某一绝对温度值不变，随着气体温度的降低，相对湿度也将增大，直至达到100%。此时，气体达到饱和状态。饱和后，水蒸气的含量将不再增加，而多余的水蒸气均被液化，出现结露现象。例如某电厂6#机（200MW）氢气绝对湿度的月平均值见表8-4。 表8-4 某电厂6#（200MW）机组氢气绝对湿度情况表

测量项目 机内氢气绝对湿度 （g/m） 氢站新鲜氢气绝对湿度 （g/m） 33实 际 数 值 机外测量值 折算至机内 机外测量值 折算至机内 3

部颁标准 2.5 10 2 8 7.9 31.6 3.99 16.0 此机组机内氢气的绝对湿度已达到31.6g/m，约为标准值的3.2倍。对照表3-4，可见该值所对应的露点温度已高达31℃，在这种情况下，如果发电机的运行方式发生变化，而冷却介质的参数调节和控制又不及时时，就可能使机内局部区域温度低于31℃而发生结露现象，其危害性是很大的。因此，水利电力部颁发的《发电机运行规程》在规定了绝对湿度值的同时，还规定了直接冷却的发电机的入口氢气温度为35~46℃。按上述规定进行计算，当机内氢气绝对湿度满足标准值10g/m时（相应的机外测量值为2.5g/m），若氢气温度在35℃以上，则机内气体的相对湿度值小于25.3%。由此可见，对绝对湿度、入口风温诸参数需按规定同时加以控制，忽视哪一个都会使其成为发生事故的诱因。尤其是在机组启动的过程中，机内温度较低，相对湿度较大，更容易造成结露。因此在机组并网之前及并网后的低负荷运行期间，更应注意控制氢气的温度、湿度等参数，使之符合运行规程的要求。 四、氢气温度

1、氢气温度对运行负荷的影响

在发电机负荷保持一定的条件下，当氢气的入口风温升高时，由于发电机内的温度升高，引起了绝缘的老化。一般认为，温度每升高10℃，发电机绝缘的寿命缩短一半。这里所指的温度不是考虑绕组的平均温度，而是按最热点温度来考虑。因为绝缘材料上只要有一处最薄弱的部位被破坏，绝缘便发生故障。由此可见，当冷却介质温度升高时，为了避免绝缘的加速老化，必须相应地减少发电机的定子电流。另外，当冷却介质温度降低时，发电机的定子电流也可以较其额定值有所增加，但是定子电流的增加量的确定，还要考虑到发电机的绝缘和其他部件的机械作用所带来的影响。例如对于铁芯长度为2m以上的发电机，如果冷却介质温度降低值超过10℃时，则发电机绕组的温升只容许增加10℃。对于氢冷发电机，因为其绝对温度控制在10g/m以下，当进风温度低于20℃时，有可能发生结露现象。所以进风温度的降低量只允许比额定值低10℃。

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2、氢气温度变化时，发电机负荷的确定准则

（1）发电机进风温度的确定。按照电力部颁发的《发电机运行规程》中的规定，当氢气的进风温度高于或低于额定值时，发电机定子电流的允许值按下述原则确定：①当进风温度高于额定值时,可按表8-5掌握。②当进风温度低于额定值时，每降低1℃，允许定子电流升高其额定值的0.5%，此时转子电流也允许有相应的增加。

表8-5 进风温度高于额定值时，定子电流的降低量

发电机的进风温度（℃） 额定进风温度为35℃ 35~40 40~45 45~50 50~55 额定进风温度为40℃ 40~45 45~50 50~55 ①进风温度每升高1℃定子电流较额定值的降低量（%） 1.0 1.5 2.0 3.0 一般对发电机的氢气出口风温不予规定，但应监视进、出口的风温差。若温差显著增加，则表明冷却系统已不正常，或发电机的内部损耗有所增加，此时必须分析原因，并根据具体情况采取措施，予以消除。 （2）当氢气温度变化时，编制发电机的容许负荷表。氢气的进风温度变化时，定子电流和转子电流的容许值应根据对电机进行全面温升的试验来确定，即确定出定子电流和转子电流的容许值，与氢气的进风温度以及发电机端电压之间的关系。这就是“容许负荷表”。该表是在认为定子绕组的温升与转子绕组的温升彼此无关的基础上编制的，而且只考虑过励磁的运行情况。编制负荷表依据的其他条件是：当电压与额定值的偏差为±5%时，保持视在功率不变；当冷却气体温度降低时，发电机的功率增加；或冷却气体温度升高时，发电机的功率降低。

有了容许负荷表后，就可以根据电压和氢气的进风温度，很快确定出定子、转子的极限容许电流，这样做不仅方便、准确，而且有利于发电机的安全、经济运行。表8-6是定子绕组氢外冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷的TBφ-60-2型发电机的容许负荷表。

表8-6 TBφ-60-2型发电机容许负荷表 绕组 定子电压 （kV） 6.62 定子 6.3 5.98 转子 6.62 6.3及以下 30及以下 6880 7240 7600 1840 1800 在下述冷却气体温度时的容许电流负荷（A） 31~35℃ 6700 7060 7400 1787 1750 36~40℃ 6540 6880 7220 1735 1700 41~45℃ 6220 6540 6860 1680 1650 46~50℃ 5900 6200 6510 1620 1590 51~55℃ 5530 5800 6100 1560 1520 五、氢气的压力

随着氢压的提高，氢气的传热能力得到改善，氢冷发电机的最大负荷也就可以得到提高。反之，发电机容许的负荷就降低。

发电机不宜在低于氢压额定值的状态下运行。因为此时氢内冷发电机的转子易出现通风道堵塞、错位、绕组变形、槽衬膨胀和绝缘过热的现象。只有在处理缺陷的情况下，才允许降低氢压。降低氢压时，也相应降低了发电机的功率，其具体数值应按制造厂的规定执行。没有规定时，可根据发电机的温升实验来确定。 提高氢压运行可以提高发电机的出力。因为氢气的导热能力和传热系数是随着氢气压力的增加而提高的，如表8-7所示。

前苏联和国内一些电厂的试验结果指出，提高氢压运行的效果是非常显著的，将运行氢压由0.003~0.005MPa提高以后，能够提高出力的百分数，如表8-8所示。