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電廠中的氫氣

氫氣的高導(dǎo)熱性和最低密度的特性使其成為高容量渦輪發(fā)生器（TG）的理想冷卻介質(zhì)。由于氣體密度最低，它提高了渦輪發(fā)生器的效率，與空氣冷卻的渦輪發(fā)生器相比，減少了風阻損失。全世界近70%的60兆瓦以上的渦輪發(fā)生器是氫氣冷卻的。

氫氣所帶來的挑戰(zhàn)是什么？

1. 氫氣的物理特性

氫氣是一種無色、無臭、無味和高度可燃的氣體。只有通過氣體傳感器才能檢測到它的存在。

2. 可燃性和爆炸性

氫氣是高度可燃的，當氫氣濃度為4%至75%時，與空氣接觸會自動點燃。泄漏到空氣中的氫氣可能會自燃。氫氣的火是非常熱的，看不見的，因此會導(dǎo)致嚴重的意外燒傷。在最佳燃燒條件下（氫氣與空氣的體積比為29%），啟動氫氣燃燒所需的能量遠遠低于其他普通燃料所需的能量。

氫氣泄漏到封閉空間和不通風的地方，會很快造成爆炸的危險。

3. 事故的典型原因

氫氣相關(guān)事故的原因與其他可燃氣體相關(guān)事故的原因相似。人為錯誤，或忽略了按照規(guī)定的安全做法進行氣體處理操作，導(dǎo)致了大多數(shù)事故。

氫氣是一種非常小的分子，粘度低，因此容易泄漏。除非使用致密的金屬形式，如鍛件或殺傷鋼，否則氫氣作為最小的分子，會從罐子和氣瓶中滲透出來。很多金屬由于長期與氫氣接觸而脆化，導(dǎo)致金屬疲勞而失效。因此，設(shè)備設(shè)計考慮不充分會導(dǎo)致故障和事故的發(fā)生。

氫氣是如何輸送到TG的？

1. 商業(yè)來源的氣瓶

這是迄今為止發(fā)電廠最常見的氫氣輸送方法之一，但它充滿了挑戰(zhàn)，如氫氣純度較低，氫氣中存在水分，這反過來又會導(dǎo)致繞組的腐蝕，從而降低設(shè)備的壽命。另一個主要挑戰(zhàn)是鋼瓶的可用性，因此發(fā)電廠在現(xiàn)場保持大量的氫氣鋼瓶庫存，以應(yīng)對任何供應(yīng)鏈的中斷。

正如美國能源部事故報告網(wǎng)站所報告的那樣，很多與氫氣意外釋放有關(guān)的事故都是由于加注連接不當或設(shè)備故障而發(fā)生的（請參見附件中2008年美國某電廠氫氣爆炸的照片）。螺紋接頭的連接和斷開的數(shù)量增加了氫氣泄漏和安全故障的可能性。根據(jù)國際公約，所有可燃氣體的接頭都是反螺紋的。很多氫氣用戶被發(fā)現(xiàn)使用錯誤的螺紋鋼瓶，導(dǎo)致了災(zāi)難性的后果。

2. 現(xiàn)場氫氣生成器

由于從外部供應(yīng)商那里獲得氫氣的挑戰(zhàn)，現(xiàn)場制氫已繼續(xù)在發(fā)電廠中獲得認可。有很多現(xiàn)場制氫的技術(shù)，包括從水中提取氫氣，從碳氫化合物中提取氫氣，如甲醇或天然氣。

由于發(fā)電廠所需的氫氣量非常小，因此最好采用水電解制氫機。由于設(shè)備的成本相對較低，尺寸更小，操作和維護相對簡單，利用電解水制氫已成為一種首選模式。

比較各種水電解技術(shù)中的安全問題

1. 單極水電解制氫機

這種技術(shù)是水電解的原始方法，目前仍在發(fā)電廠中使用。單極水電解器使用封閉的頂部低壓槽來產(chǎn)生氫氣。使用的電解質(zhì)是DM水和苛性堿溶液。這種設(shè)備帶來的安全挑戰(zhàn)是

a. 處理危險化學品，如氫氧化鉀。

b. 操作員暴露在煙霧和高溫工作條件下。

c. 由于機械設(shè)計不良導(dǎo)致的氫氣泄漏。

d. 由于分離器質(zhì)量不穩(wěn)定，氫氧混合的風險較大。

e. 氫氣的主要產(chǎn)生者是浮在水面上的氣瓶。機械限位開關(guān)的故障可能導(dǎo)致井噴。

f. 由于兩級壓縮系統(tǒng)，風險增加。

g. KOH（苛性堿）的痕跡很有可能與氫氣一起攜帶，從而導(dǎo)致壓縮機、氣缸以及TG內(nèi)部的腐蝕故障。

2. 雙極水電解法 堿性（液體）電解質(zhì)

雙極水電解器由于其相對較小的尺寸，正在繼續(xù)替換舊的單極技術(shù)電解器。然而，這種技術(shù)帶來了以下安全問題。

a. 危險的電解質(zhì)化學品

基于堿性的雙極水電解仍然需要使用液體堿性電解質(zhì)，如氫氧化鉀（KOH）等危險化學品。由于每隔幾個月就需要更換或添加電解液堿液，操作人員會接觸到這些化學品。

b. 淤泥的形成

在系統(tǒng)中循環(huán)的液體電解質(zhì)需要不斷監(jiān)測其比重，以確保沒有淤泥形成。污泥的形成反過來又導(dǎo)致電解槽的低效運行，并增加對產(chǎn)生相同數(shù)量產(chǎn)品氫氣的功率要求。它還會導(dǎo)致更高的操作溫度，這反過來又造成了一個非常不安全的條件。

c. 平衡壓力的氫氣和氧氣生產(chǎn)

水電解通過將水（H2O）分裂成H2和O2分子而從水中產(chǎn)生氫氣。氫氣和氧氣在類似的工藝壓力下產(chǎn)生，因此必須采取外部監(jiān)測措施，以防止氫氣和氧氣的混合。氧氣分析儀監(jiān)測氫氣流，氫氣分析儀監(jiān)測氧氣流的不安全水平，從而發(fā)出停機信號。然而，分析儀本身的壽命是有限的，不能相信它能提供萬無一失的安全。在可使用的壽命結(jié)束時不更換傳感器會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。

d. 二區(qū)分類

雙極堿性電解器，由于其技術(shù)和內(nèi)部含有氫氣和氧氣的體積，造成了危險區(qū)域的分類，因此，安裝在其附近的所有其他設(shè)備都必須適合危險區(qū)域的安裝。使用普通的電氣和電子儀器或部件將導(dǎo)致不安全的操作條件。

e. 石棉膜片

用于分離氫氣和氧氣的隔膜通常是石棉，這是一種已知的致癌物。

f. 依靠分析儀、氣體泄漏檢測器和PLC進行安全操作

純度分析儀監(jiān)測氫氣和氧氣流中的不安全氣體水平，并輔以氣體泄漏檢測器，以檢測電解槽區(qū)域的任何氫氣泄漏。帶有過期傳感器的監(jiān)測器/分析器是一種自我否定的安全機制，完全依賴于人為干預(yù)和糾正措施。負責安全的PLC本身發(fā)生故障或程序被破壞時，需要一個監(jiān)督的熱冗余PLC。

美國Proton OnSite - HOGEN公司是如何做到的？SPE技術(shù)雙極水電解如何解決安全問題？

HOGEN? SPE（固體聚合物電解質(zhì)）技術(shù)是雙極技術(shù)的一個進步，其中堿性電解質(zhì)被涂有電解質(zhì)的固定膜所替換。HOGEN? 融合了很多安全特性，包括：

1. 固體聚合物電解質(zhì) ? 無腐蝕性，對人體安全無害。固體電解質(zhì)既不會循環(huán)，也不會被消耗，從而使電解池的功能壽命超過10年。(請參閱附件中的固體膜照片）。

2. 壓差設(shè)計？這個關(guān)鍵的設(shè)計是將氧氣和氫氣保持在不同的壓力下，確保在物理上，氧氣不能夾帶氫氣流。這確保了安全，不需要外部監(jiān)測。

3. 不使用石棉。隔膜（或質(zhì)子交換膜）是一種商業(yè)化的產(chǎn)品，也用于氫燃料電池，觸摸起來是安全的，可供人類使用。

4. 硬連接的雙冗余獨立安全電路獨立于控制設(shè)備運行的PLC或微處理器。

5. 稀釋吹掃空氣不允許氫氣濃度接近不安全水平。

6.  氫氣裝置不會使區(qū)域分類變?yōu)槲ｋU，因此適合安裝在正常通風良好的工業(yè)空間。

7.  通過使用固定管道分配氫氣，消除了TG中日常補氫的鋼瓶處理。