科普 | 電解水制氫在火電廠中的應用

在火力發電領域，確保發電機組高效穩定運行至關重要，其中冷卻介質的選擇起著關鍵作用。目前，大型機組多采用氫氣作為冷卻介質，這背后有著諸多考量。

一、發電機組冷卻介質的要求 —— 氫氣為何脫穎而出？

發電機在運行過程中，由于轉子與定子線圈內有電流流過會產生銅損，定子鐵芯及其邊端結構件在交變磁場作用下產生鐵損，轉子與定子表面因切割磁場局部產生渦流損耗，若不及時排出，發電機線圈溫度升高，將降低絕緣強度，甚至引起絕緣損壞。因此，需要高效的冷卻介質來保證發電機在允許溫度下正常運行。

氫冷發電機組示意圖

氫氣憑借多重核心優勢，成為大型發電機的理想冷卻介質，不僅有低密度、高導熱性等特點，還兼具卓越的絕緣性能和滅弧效果。

低密度：讓發電機 “輕裝上陣”。氫氣密度僅為空氣的 1/14.3（標準狀態下，氫氣 0.08987kg/m3，空氣 1.293kg/m3）。當氫氣在發電機內部循環時，流動阻力遠小于空氣，能大幅降低通風系統的能量損耗，不僅讓內部部件運轉更輕松，還能使機組整體溫升降低 10-15℃，間接提升發電效率，減少不必要的能耗浪費。

高導熱性：快速帶走 “多余熱量”。氫氣的導熱系數是空氣的1.51倍，且擴散速度快。發電機運行時，繞組、鐵芯產生的熱量能被氫氣迅速吸收，并快速傳遞到冷卻器中，避免熱量在關鍵部件堆積。就像給機組裝了 “高效散熱通道”，確保轉子、定子等核心部件始終在安全溫度范圍內工作，防止因局部過熱損傷絕緣。

強絕緣性：給設備 “穿好防護衣”。標準狀態下，氫氣的擊穿場強約為 30kV/cm，而空氣僅為 21kV/cm，意味著氫氣能承受更高電壓而不被 “擊穿”。而且經過干燥處理（露點控制在 - 50℃以下）的氫氣不含水分和雜質，不會像空氣那樣因濕度變化波動絕緣性能，也不會與環氧玻璃布管、云母帶等絕緣材料發生反應，能有效減少因絕緣失效導致的停機事故。

優滅弧效果：及時 “撲滅危險火花”。若發電機內部絕緣出現缺陷，可能產生局部放電或電弧。此時氫氣能快速發揮作用：一方面憑借高導熱性迅速吸收電弧熱量，將溫度降至燃點以下；另一方面氫氣不助燃，不會加劇電弧燃燒，也不會產生臭氧、氮氧化物等腐蝕性氣體。實際應用中，氫氣冷卻的發電機，電弧事故持續時間通常不到 0.1 秒，遠短于空氣冷卻機型，大幅降低設備損壞風險。

二、氫氣如何對發電機組進行冷卻？

根據發電機定子繞組、轉子繞組及定子鐵芯的冷卻介質差異，常見的氫氣冷卻方式主要分為三類，不同方式適用于不同容量和工況的機組，具體分類及特點如下：

以下重點介紹氫氫氫冷卻方式的具體冷卻過程，該方式因全系統依賴氫氣散熱，對氫氣循環效率和純度要求更高，也是當前大型先進機組的主流選擇：

氫氫氫冷卻的結構基礎

采用氫氫氫冷卻的發電機，內部設計了更精細的氫氣流通系統：定子繞組采用 “氣隙通風 + 內部風道” 雙重冷卻結構，繞組導線內部預留細小通風孔；轉子繞組同樣設置軸向和徑向通風道，確保氫氣能深入導體內部；定子鐵芯則通過沖片間的通風槽形成橫向通風道，配合外殼的密封腔室，構建全方位氫氣循環網絡。同時，發電機兩端轉子上各裝有一臺高效離心式風扇（而非普通熱套風扇），為氫氣循環提供更強動力，確保氫氣在高流速下實現高效換熱。

發電機結構示意圖

氫氣的內部循環路徑（以 1000MW 超超臨界機組為例）

進入腔室的低溫氫氣，會分兩路完成冷卻：一路直接接觸發熱的定子鐵芯，吸收鐵芯因磁滯、渦流產生的熱量；另一路則通過轉子繞組上的通風孔，深入轉子內部，帶走繞組電流做功產生的銅損熱量。吸收熱量后的氫氣溫度升高至 60-70℃，變成高溫氫氣，隨后順著通道流向中間的熱風室，完成一輪 “吸熱行程”。

循環起始于發電機外殼內的低溫氫氣區（溫度約 38℃ - 42℃）：

第一步：轉子兩端的離心式風扇啟動后，產生高壓氣流，將低溫氫氣分為三路：

一路通過定子鐵芯的橫向通風槽，以 “橫向沖刷” 方式流過定子鐵芯，吸收鐵芯因磁滯、渦流產生的熱量，溫度升至 55℃ - 60℃后，流向鐵芯兩端的熱風匯集區；

第二路通過定子繞組的氣隙通道，進入繞組導線內部的通風孔，以 “穿芯流動” 方式帶走定子繞組的銅損熱量，受熱后溫度升至 60℃ - 65℃，從繞組端部流出至熱風區；

第三路通過轉子繞組的徑向通風道，深入轉子內部，與高速旋轉的轉子繞組充分接觸，吸收轉子銅損熱量，溫度升至 62℃ - 68℃后，從轉子兩端的通風孔排出至熱風區。

第二步：三路高溫氫氣在熱風匯集區匯合后，溫度統一達到 60℃ - 68℃，隨后通過發電機外殼上的導風板，被引導至環繞外殼布置的 氫氣冷卻器（通常為 4 - 6 組，呈環形分布）。

第三步：高溫氫氣在冷卻器內與管側流動的循環水（水溫約 30℃ - 35℃）進行熱交換，熱量被循環水帶走，氫氣溫度降至 38℃ - 42℃，重新變為低溫氫氣。冷卻后的低溫氫氣被離心式風扇重新吸入，進入下一輪循環，整個循環周期僅需 2 - 3 秒。

氫氣內部循環示意圖

三、火電廠多種供氫方式的對比

目前電廠內的供氫系統主要有三種：廠內設置水電解制氫裝置供氫、外購氫瓶供氫、直接通過管道供氫。此外，還有供氫和制氫相結合的模式，如通過瓶裝氫氣對發電機進行啟動充氫，通過在線制氫機對發電機進行連續補氫。以下為幾種常見供氫方式的詳細對比：

四、氫瓶供氫及 PEM 電解水中壓在線制氫結合的優化方案

在上述供氫方式中，氫瓶供氫及在線制氫結合的模式雖有優勢，但隨著 PEM（質子交換膜）電解水制氫技術的成熟，將其與氫瓶供氫結合形成 “氫瓶啟動充氫 + PEM 電解水中壓在線補氫” 的方案，成為當前火電廠供氫系統的優化方向，該方案能有效彌補單一供氫方式的不足，為發電機穩定運行提供更可靠的保障，主要優勢如下：

氫壓與純度雙穩定：PEM 設備產氫純度達 99.97% 以上，能長期維持發電機內氫純度≥98%，避免通風損耗增加；0~100% 智能控量可精準匹配需求，杜絕氫壓波動，保障冷卻效率，實測可提升發電機效率 0.2%-0.3%，支撐滿負荷運行。

實時監控報警：設備搭載氫量跟蹤系統，數據實時上傳 DCS，補氫量異常激增時（如超正常 5 倍）立即報警，泄漏發現時間縮至分鐘級；還能在線監測純度，不達標時自動停機，防止影響絕緣。

運維便捷，成本優化：PEM 設備無腐蝕性液體，維護僅需定期換過濾器、查膜組件，維護量遠低于堿性電解設備；啟動停機 3-5 分鐘響應快。成本上，僅啟動用外購氫，日常靠廠內制氫，結合 PEM 能耗低 10%-15% 的特點，年供氫成本可降 15%-20%，還減少氫瓶存儲占地與風險。

供應穩定有保障：氫瓶與 PEM 電解水形成 “雙供氫源”：日常以 PEM 在線補氫為主，若 PEM 設備需臨時檢修（如更換膜組件、過濾器），可快速切換至備用氫瓶供氫，無需中斷發電機氫氣供應；反之，若氫瓶采購延遲，PEM 設備也能持續補氫，避免因單一供氫源故障導致的停機風險，確保供氫連續性。

氫瓶供氫及 PEM 電解水中壓在線制氫結合的優化方案