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科普 | 電解水制氫在火電廠中的應(yīng)用

2025-09-01 來源:英博新能源 瀏覽數(shù):84

在火力發(fā)電領(lǐng)域,確保發(fā)電機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,其中冷卻介質(zhì)的選擇起著關(guān)鍵作用。目前,大型機(jī)組多采用氫氣作為冷卻介質(zhì),

在火力發(fā)電領(lǐng)域,確保發(fā)電機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,其中冷卻介質(zhì)的選擇起著關(guān)鍵作用。目前,大型機(jī)組多采用氫氣作為冷卻介質(zhì),這背后有著諸多考量。

一、發(fā)電機(jī)組冷卻介質(zhì)的要求 —— 氫氣為何脫穎而出?

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中,由于轉(zhuǎn)子與定子線圈內(nèi)有電流流過會(huì)產(chǎn)生銅損,定子鐵芯及其邊端結(jié)構(gòu)件在交變磁場作用下產(chǎn)生鐵損,轉(zhuǎn)子與定子表面因切割磁場局部產(chǎn)生渦流損耗,若不及時(shí)排出,發(fā)電機(jī)線圈溫度升高,將降低絕緣強(qiáng)度,甚至引起絕緣損壞。因此,需要高效的冷卻介質(zhì)來保證發(fā)電機(jī)在允許溫度下正常運(yùn)行。

氫冷發(fā)電機(jī)組示意圖

氫氣憑借多重核心優(yōu)勢,成為大型發(fā)電機(jī)的理想冷卻介質(zhì),不僅有低密度、高導(dǎo)熱性等特點(diǎn),還兼具卓越的絕緣性能和滅弧效果。

低密度:讓發(fā)電機(jī) “輕裝上陣”。氫氣密度僅為空氣的 1/14.3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氫氣 0.08987kg/m3,空氣 1.293kg/m3)。當(dāng)氫氣在發(fā)電機(jī)內(nèi)部循環(huán)時(shí),流動(dòng)阻力遠(yuǎn)小于空氣,能大幅降低通風(fēng)系統(tǒng)的能量損耗,不僅讓內(nèi)部部件運(yùn)轉(zhuǎn)更輕松,還能使機(jī)組整體溫升降低 10-15℃,間接提升發(fā)電效率,減少不必要的能耗浪費(fèi)。

高導(dǎo)熱性:快速帶走 “多余熱量”。氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的1.51倍,且擴(kuò)散速度快。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),繞組、鐵芯產(chǎn)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(guān)鍵部件堆積。就像給機(jī)組裝了 “高效散熱通道”,確保轉(zhuǎn)子、定子等核心部件始終在安全溫度范圍內(nèi)工作,防止因局部過熱損傷絕緣。

強(qiáng)絕緣性:給設(shè)備 “穿好防護(hù)衣”。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氫氣的擊穿場強(qiáng)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(jīng)過干燥處理(露點(diǎn)控制在 - 50℃以下)的氫氣不含水分和雜質(zhì),不會(huì)像空氣那樣因濕度變化波動(dòng)絕緣性能,也不會(huì)與環(huán)氧玻璃布管、云母帶等絕緣材料發(fā)生反應(yīng),能有效減少因絕緣失效導(dǎo)致的停機(jī)事故。

優(yōu)滅弧效果:及時(shí) “撲滅危險(xiǎn)火花”。若發(fā)電機(jī)內(nèi)部絕緣出現(xiàn)缺陷,可能產(chǎn)生局部放電或電弧。此時(shí)氫氣能快速發(fā)揮作用:一方面憑借高導(dǎo)熱性迅速吸收電弧熱量,將溫度降至燃點(diǎn)以下;另一方面氫氣不助燃,不會(huì)加劇電弧燃燒,也不會(huì)產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等腐蝕性氣體。實(shí)際應(yīng)用中,氫氣冷卻的發(fā)電機(jī),電弧事故持續(xù)時(shí)間通常不到 0.1 秒,遠(yuǎn)短于空氣冷卻機(jī)型,大幅降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

二、氫氣如何對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行冷卻?

根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組及定子鐵芯的冷卻介質(zhì)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(jī)組,具體分類及特點(diǎn)如下:

以下重點(diǎn)介紹氫氫氫冷卻方式的具體冷卻過程,該方式因全系統(tǒng)依賴氫氣散熱,對氫氣循環(huán)效率和純度要求更高,也是當(dāng)前大型先進(jìn)機(jī)組的主流選擇:

氫氫氫冷卻的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

采用氫氫氫冷卻的發(fā)電機(jī),內(nèi)部設(shè)計(jì)了更精細(xì)的氫氣流通系統(tǒng):定子繞組采用 “氣隙通風(fēng) + 內(nèi)部風(fēng)道” 雙重冷卻結(jié)構(gòu),繞組導(dǎo)線內(nèi)部預(yù)留細(xì)小通風(fēng)孔;轉(zhuǎn)子繞組同樣設(shè)置軸向和徑向通風(fēng)道,確保氫氣能深入導(dǎo)體內(nèi)部;定子鐵芯則通過沖片間的通風(fēng)槽形成橫向通風(fēng)道,配合外殼的密封腔室,構(gòu)建全方位氫氣循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),發(fā)電機(jī)兩端轉(zhuǎn)子上各裝有一臺(tái)高效離心式風(fēng)扇(而非普通熱套風(fēng)扇),為氫氣循環(huán)提供更強(qiáng)動(dòng)力,確保氫氣在高流速下實(shí)現(xiàn)高效換熱。

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

氫氣的內(nèi)部循環(huán)路徑(以 1000MW 超超臨界機(jī)組為例)

進(jìn)入腔室的低溫氫氣,會(huì)分兩路完成冷卻:一路直接接觸發(fā)熱的定子鐵芯,吸收鐵芯因磁滯、渦流產(chǎn)生的熱量;另一路則通過轉(zhuǎn)子繞組上的通風(fēng)孔,深入轉(zhuǎn)子內(nèi)部,帶走繞組電流做功產(chǎn)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(fēng)室,完成一輪 “吸熱行程”。

循環(huán)起始于發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)的低溫氫氣區(qū)(溫度約 38℃ - 42℃):

第一步:轉(zhuǎn)子兩端的離心式風(fēng)扇啟動(dòng)后,產(chǎn)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(fēng)槽,以 “橫向沖刷” 方式流過定子鐵芯,吸收鐵芯因磁滯、渦流產(chǎn)生的熱量,溫度升至 55℃ - 60℃后,流向鐵芯兩端的熱風(fēng)匯集區(qū);

第二路通過定子繞組的氣隙通道,進(jìn)入繞組導(dǎo)線內(nèi)部的通風(fēng)孔,以 “穿芯流動(dòng)” 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(fēng)區(qū);

第三路通過轉(zhuǎn)子繞組的徑向通風(fēng)道,深入轉(zhuǎn)子內(nèi)部,與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組充分接觸,吸收轉(zhuǎn)子銅損熱量,溫度升至 62℃ - 68℃后,從轉(zhuǎn)子兩端的通風(fēng)孔排出至熱風(fēng)區(qū)。

第二步:三路高溫氫氣在熱風(fēng)匯集區(qū)匯合后,溫度統(tǒng)一達(dá)到 60℃ - 68℃,隨后通過發(fā)電機(jī)外殼上的導(dǎo)風(fēng)板,被引導(dǎo)至環(huán)繞外殼布置的 氫氣冷卻器(通常為 4 - 6 組,呈環(huán)形分布)。

第三步:高溫氫氣在冷卻器內(nèi)與管側(cè)流動(dòng)的循環(huán)水(水溫約 30℃ - 35℃)進(jìn)行熱交換,熱量被循環(huán)水帶走,氫氣溫度降至 38℃ - 42℃,重新變?yōu)榈蜏貧錃狻@鋮s后的低溫氫氣被離心式風(fēng)扇重新吸入,進(jìn)入下一輪循環(huán),整個(gè)循環(huán)周期僅需 2 - 3 秒。

氫氣內(nèi)部循環(huán)示意圖

三、火電廠多種供氫方式的對比

目前電廠內(nèi)的供氫系統(tǒng)主要有三種:廠內(nèi)設(shè)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(jié)合的模式,如通過瓶裝氫氣對發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)充氫,通過在線制氫機(jī)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)氫。以下為幾種常見供氫方式的詳細(xì)對比:

四、氫瓶供氫及 PEM 電解水中壓在線制氫結(jié)合的優(yōu)化方案

在上述供氫方式中,氫瓶供氫及在線制氫結(jié)合的模式雖有優(yōu)勢,但隨著 PEM(質(zhì)子交換膜)電解水制氫技術(shù)的成熟,將其與氫瓶供氫結(jié)合形成 “氫瓶啟動(dòng)充氫 + PEM 電解水中壓在線補(bǔ)氫” 的方案,成為當(dāng)前火電廠供氫系統(tǒng)的優(yōu)化方向,該方案能有效彌補(bǔ)單一供氫方式的不足,為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供更可靠的保障,主要優(yōu)勢如下:

氫壓與純度雙穩(wěn)定:PEM 設(shè)備產(chǎn)氫純度達(dá) 99.97% 以上,能長期維持發(fā)電機(jī)內(nèi)氫純度≥98%,避免通風(fēng)損耗增加;0~100% 智能控量可精準(zhǔn)匹配需求,杜絕氫壓波動(dòng),保障冷卻效率,實(shí)測可提升發(fā)電機(jī)效率 0.2%-0.3%,支撐滿負(fù)荷運(yùn)行。

實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警:設(shè)備搭載氫量跟蹤系統(tǒng),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳 DCS,補(bǔ)氫量異常激增時(shí)(如超正常 5 倍)立即報(bào)警,泄漏發(fā)現(xiàn)時(shí)間縮至分鐘級(jí);還能在線監(jiān)測純度,不達(dá)標(biāo)時(shí)自動(dòng)停機(jī),防止影響絕緣。

運(yùn)維便捷,成本優(yōu)化:PEM 設(shè)備無腐蝕性液體,維護(hù)僅需定期換過濾器、查膜組件,維護(hù)量遠(yuǎn)低于堿性電解設(shè)備;啟動(dòng)停機(jī) 3-5 分鐘響應(yīng)快。成本上,僅啟動(dòng)用外購氫,日常靠廠內(nèi)制氫,結(jié)合 PEM 能耗低 10%-15% 的特點(diǎn),年供氫成本可降 15%-20%,還減少氫瓶存儲(chǔ)占地與風(fēng)險(xiǎn)。

供應(yīng)穩(wěn)定有保障:氫瓶與 PEM 電解水形成 “雙供氫源”:日常以 PEM 在線補(bǔ)氫為主,若 PEM 設(shè)備需臨時(shí)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(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng);反之,若氫瓶采購延遲,PEM 設(shè)備也能持續(xù)補(bǔ)氫,避免因單一供氫源故障導(dǎo)致的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn),確保供氫連續(xù)性。

氫瓶供氫及 PEM 電解水中壓在線制氫結(jié)合的優(yōu)化方案


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