核电站氢气供应方案选择

2014-09-10李良浩李岩龙刘炳伟

综合智慧能源 2014年6期

李良浩，李岩龙，刘炳伟

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 电厂氢气供应系统概述

山东某核电站新建2×1 250 MW第三代核电机组，核电站内发电机冷却、除盐水分配系统催化除氧等均需要用大量高纯氢气，因此必须设置一套氢气供应系统。通常情况下，氢气供应系统的设计应充分考虑以下几点：氢气供应系统的规模；当地氢气气源状况；用户对氢气纯度、杂质含量及压力的要求；用户使用氢气的特性；电厂的自身特点。

目前国内电厂氢气供应系统的设置方式基本有3种：第1种是厂内设置电解制氢装置；第2种是电厂通过外购瓶装氢气向机组供氢；第3种则是直接通过管道向电厂供氢。第1种方案中，氢气量、氢气参数及氢气纯度可由电厂自己控制，对外部依靠少，但该方案工艺相对复杂，对运行维护水平要求较高；第2种方案需要考虑附近是否有满足电厂用氢参数及纯度的氢源，对外部依赖比较大，有一定的运输成本，但该方案系统比较简单，日常维护量小；第3种方案要求电厂必须靠近氢源，大多数电厂附近没有氢源，无法实现，实际应用实例很少，本文不予考虑。

2 国内发电厂氢气供应系统现状

2.1 火电厂氢气供应系统现状

国内300 MW及以上火电厂大部分采用制氢方式为全厂供氢，近年来，也有一些距离氢源较近的电厂采用外购氢气的方式，但极少有采用氢气管道直接向电厂供氢的业绩。

2.2 核电站氢气供应系统现状

目前国内投运及在建的核电站大部分采用电解制氢方案，见表1。

3 氢气供应方案

根据前文的描述，核电站氢气供应系统按电解制氢和外购氢气2种方案进行比选。

3.1 方案1

方案1用电解制氢系统制取氢气，采取中压储氢罐储存，减压后向发电机及其他用户供氢。

(1)制氢设备出力。按全部氢冷发电机的正常消耗量以及能在7 d积累相当于最大一台氢冷发电机一次启动充氢量之和考虑，制氢设备出力应为16.3 m3/h(名义工况)，最终选择2台10 m3/h(名义工况)的中压电解制氢设备。

(2)储氢罐选择。采用制氢装置时，配套选用V=30 L，p=3.2 MPa的储氢罐。采取制氢方式，氢气源不受外部条件制约，而且制氢设备有一定的富余量，所以按满足制氢设备检修期间(15 d)正常消耗量和最大一台氢冷发电机一次启动充氢量之和考虑，厂内储氢量应为3 981 m3(名义工况)，最终选择6台储氢罐。

电解制氢方案主要设备参数见表2。

3.2 方案2

方案2为在市场上直接采购品质合格的氢气。据了解，目前市场上可购买的氢气瓶参数为V=40 L，p=15 MPa。按满足7～10 d的正常消耗量和最大一台氢冷发电机一次启动充氢量之和考虑，厂内储氢量应为3 204 m3(名义工况)，最终选择氢气集装格40组，每组20瓶，共800瓶。外购氢气方案主要设备参数见表3。

表3 外购氢气方案主要设备参数

4 技术、经济对比

4.1 技术可行性对比

从技术角度上看，无论中压电解制氢还是外购氢气，2个方案均可行。

从运行业绩上看，均在国内有运行经验。但在国内已投运的火电厂中，电解制氢方案远远多于外购氢气方案；国内在建和已投运的核电站中，电解制氢方案也远多于外购氢气方案。

从运行操作上看，由于核电站氢气消耗量比较大，按照方案2外购氢气的规格计算，每天要消耗20瓶氢气，氢气瓶的更换比较频繁，其操作、维护简单的特点没有得到体现，同时增加了运输成本。方案1采用电解制氢，符合核电站用氢量大的特点，同时不受外购氢源的制约，能稳定地为核电站提供氢气。

4.2 占地面积和厂房体积

表4为2种方案占地面积和厂房体积对比。由表4可以看出：方案2的总体积是方案1的1.33倍；但方案1的总占地面积却是方案2的1.33倍。所以，从土建投资角度看，方案1具有明显的优势；从节约总占地面积角度看，方案2更为合适。

表4 土建对比

4.3 经济性对比

2种方案的经济性对比见表5，方案1无人值守，方案2需1名运行人员。

表5 经济性对比万元

从表5可以看出：方案1初投资比方案2高约359万元，但年运行费用比方案2低约75万元，核电站运行5年后即可将多出的初投资收回，所以方案1在经济上优于方案2。

4.4 方案对比

若采用外购氢气方案，必须要有稳定的氢源，同时要充分考虑运输成本。而电解制氢方案符合核电站用氢量大的特点，不受运费及外购氢气价格波动的影响，可满足核电站可靠性高的要求。虽然制氢方案的运行要比外购氢气方案复杂，但国内无论是火电厂还是核电站采用制氢方案均比外购氢气方案多，而且中压制氢工艺已具有了成熟的管理和运行经验；而外购氢气方案虽然系统简单，但需要经常进行氢气瓶的装卸、吊装等操作，存在一定的危险性。