CN112357882A - 一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于气体纯化领域的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，包括氢气纯化系统和自动补氢系统，具有纯化发电机氢冷气和对发电机自动补氢的功能。所述氢气纯化系统与发电机的排氢口和回氢口连通，所述氢气纯化系统包括物理吸附纯化系统和抽真空再生系统，物理吸附纯化系统用于吸附氢气中的杂质，所述抽真空再生系统用于为所述物理吸附纯化系统进行抽真空再生。本发明的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，可将发电机中的氢冷气纯度提升到98％以上，减少氢气损耗，同时有效降低氢爆和人工排补氢引入的安全隐患，提高发电效率和运行安全性。
Description
技术领域
本发明属于气体纯化技术领域，具体为一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置。
背景技术
目前，600MW及以上的火力发电机基本采用“水-氢-氢”方式冷却发电机转子。用于冷却的氢气纯度直接影响转子冷却效果进而影响发电机效率和运行安全。据统计，国内现有火力发电机组超过1000台，发电机冷却氢气纯度维持在98％以上才能保证良好的冷却效果，但现有的冷却氢气纯度普遍维持在96％-97％。
密封瓦结构、氢-油压差以及平衡阀调节不当等因素会导致发电机冷却氢气中混入空气，使得发电机冷却氢气的纯度降低。氢气纯度的降低通常会产生诸多不利影响，如增加通风损耗、降低发电效率、降低发电机绕组绝缘性、腐蚀铁芯及金属部件、增加氢爆安全隐患(氢中氧含量大于3％时遇火即可爆炸)等。据统计，对于400MW、600MW和800MW发电机，氢气纯度每下降1％，风摩擦损耗依次增加107kW、240kW和366kW。为了维持发电机内的氢气纯度并保证发电机的安全运行，电站需要对发电机进行定期排补氢，排氢的目的在于排出低纯的氢气，降低安全隐患，补氢的目的在于维持发电机氢气纯度和氢压，保证冷却效果。排补氢操作一方面会增加氢气的使用成本和运行操作的复杂性，更为重要的是，排补氢通常在夜间操作，操作人员的疲劳以及操作复杂性会引入不安全因素，产生附加的安全隐患。
现有的氢气纯化装置中，常用的物理吸附材料通常采用常压下纯氢吹扫的方式实现物理吸附材料的再生。对于火力发电机，其正常工作必须要维持一定的氢压水平，纯氢吹扫会消耗发电机的氢气导致氢压降低，进而增加发电机的补氢频次。
基于上述原因，急需开发出一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，在降低耗氢量的同时提高发电机氢气纯度，同时有效降低氢爆和人工排补氢引入的安全隐患，提高发电效率和运行安全性。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，包括：用于吸附杂质的氢气纯化系统，氢气纯化系统的进出口分别与发电机的排氢口和回氢口连通；氢气纯化系统包括相连的物理吸附纯化系统和抽真空再生系统，其中氢气纯化系统的入口、物理吸附纯化系统和氢气纯化系统的出口顺序相连；物理吸附纯化系统中包括至少两个纯化模块。
所述氢气纯化装置还包括：自动补氢系统，所述的自动补氢系统的出口与发电机的补氢口相连，自动补氢系统的进口与电厂氢站相连；所述自动补氢系统包括顺序相连的补氢压力传感器、补氢纯度监测仪、补氢质量流量控制器和控制截止阀组。
所述物理吸附纯化系统中的纯化模块相同。
所述物理吸附纯化系统中包含分子筛。
所述纯化模块处于工作状态、再生状态或待机状态；且至少有一个纯化模块处于工作状态，其他的纯化模块处于再生状态或待机状态；所述抽真空再生系统对处于再生状态的纯化模块进行抽真空。
所述再生状态的高度再生以压力为判据，当压力达到10-1Pa量级时，再生完成并进入待机状态。
所述抽真空再生系统包括机械泵。
所述氢气纯化系统还包括依次设置于氢气纯化系统的入口与物理吸附纯化系统之间的排氢压力传感器、排氢纯度监测仪、排氢质量流量控制器和除油系统。
所述氢气纯化系统还包括设置于物理吸附纯化系统与氢气纯化系统的出口之间的回氢纯度监测仪。
所述氢气纯化装置还包括安全控制系统，所述安全控制系统包括警报系统和控制系统；当纯化装置周围氢气超过一定浓度时，所述警报系统启动；所述控制系统用于控制氢气纯化系统与自动补氢系统的电控和气动部分。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，氢冷气由发电机的排氢口流出，经除油系统后进入物理吸附纯化系统，纯化后的氢冷气通过发电机的回氢口回流至发电机，继续对发电机转子进行冷却。该装置可使得发电机内氢冷气的纯度持续>98％，显著降低氢爆隐患，有效提高发电效率。
2.本发明的带有自动补氢系统的氢气纯化装置中，物理吸附纯化系统采用抽真空系统实现吸附材料的高度再生，与传统的纯氢吹扫方式相比，更大程度地清除了物理吸附材料上的吸附杂质，进而保证了物理吸附材料的吸附效率，同时有效降低了氢气的消耗，显著提高氢气的回收使用率。
3.本发明的带有自动补氢系统的氢气纯化装置还具有自动补氢功能，避免了人工排补氢引入的安全隐患，可显著提高发电机运行安全性，实现了氢气的纯化、回流与自动补氢的一体化功能。
附图说明
图1为本发明一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置实施例的结构示意图。
图中：1-氢气纯化系统，2-自动补氢系统，3-安全控制系统，10-物理吸附纯化系统；20-抽真空再生系统；30-除油系统；40-排氢纯度监测仪；50-回氢纯度监测仪；P1-排氢压力传感器；MS1-排氢质量流量控制器；210-补氢纯度监测仪；P2-补氢压力传感器；MS2-补氢质量流量控制器；V1-手动截止阀组；V2-自动截止阀；100-第一纯化模块；200-第二纯化模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例，包括：氢气纯化系统1和自动补氢系统2，其中用于吸附杂质的氢气纯化系统1的进出口分别与火电机组中发电机的排氢口和回氢口连通，用于对发电机自动补氢的自动补氢系统2的进出口分别与电厂氢站和火电机组中发电机的补氢口连通；氢气纯化系统1包括相连的物理吸附纯化系统10和抽真空再生系统20，其中氢气纯化系统1的入口、物理吸附纯化系统10和氢气纯化系统1的出口顺序相连；物理吸附纯化系统10中包括至少两个纯化模块且所有纯化模块完全相同，抽真空再生系统20的入口与所有纯化模块相连，抽真空再生系统20的出口用于排废气。
在本实施例中，物理吸附纯化系统10中包括两个纯化模块，分别为第一纯化模块100和第二纯化模块200，第一纯化模块100和第二纯化模块200为两块完全相同的物理吸附纯化模块，第一纯化模块100和第二纯化模块200采用具有高比表面积、高吸附活性的吸附材料通过物理吸附去除氢气中的杂质(主要是水、氧和氮)，当纯化模块100和200中一个处于纯化状态时，另一个处于非纯化状态，即再生或待机状态，两个纯化模块交替进入纯化状态，以保证对发电机氢冷气的连续纯化。由于持续工作一段时间后，纯化模块中吸附材料的活性会逐渐降低，进而影响氢气的提纯效果，因此，需要定期对吸附材料进行活化再生，恢复其使用性能。技术人员通常采用常压下或减压(常压与发电机氢压之间的压力)纯氢吹扫的方式实现物理吸附材料的再生，如前所述，这样不仅会造成氢气的浪费，还会降低发电机氢压并提高补氢频次，进而增加了安全隐患。而采用抽真空的方式对再生状态的纯化模块中的吸附材料进行高度再生，无需纯氢吹扫，极大降低了氢气的消耗，从而减少了补氢操作，提高了发电机的安全性；此外，利用抽真空的方式能够更大程度地将吸附材料吸附的杂质进行清除，极大地提高了吸附材料的活性，有利于氢气纯度的提高。再生完成后的纯化模块进入待机状态，等待切换；具体的，第一纯化模块100和第二纯化模块200的主要材料选用分子筛，使用了分子筛的第一纯化模块100和第二纯化模块200用于吸附氢气中的水、氧和氮，能够用于物理吸附的材料有多种，如活性炭、硅藻土等，考虑到吸附效果，分子筛可在室温下工作，安全环保，反应快捷，吸附效果好，且重复使用率高，经济成本低，同时保证了实用性和安全性等因素。
在本实施例中，氢气纯化系统1还包括除油系统30、排氢压力传感器P1、排氢纯度监测仪40、回氢纯度监测仪50和排氢质量流量控制器MS1。其中，氢气纯化系统1的入口与物理吸附纯化系统10之间依次设置有排氢压力传感器P1、排氢纯度监测仪40、排氢质量流量控制器MS1和除油系统30；回氢纯度监测仪50设置于物理吸附纯化系统10与氢气纯化系统1的出口之间；除油系统30用于排出氢冷气中携带的油，除油系统30在本实施例中具体选用除油风机，采用离心的方式去除氢气中的油杂质；排氢压力传感器P1用于监测发电机内的氢气压力，并控制自动补氢系统2启停自动补氢；排氢纯度监测仪40用于监测发电器内氢气纯度，并控制排氢质量流量控制器MS1自动调节氢气纯化系统1的流量；回氢纯度监测仪50用于监测物理吸附纯化系统10提纯后的氢气纯度，根据氢气纯度决定物理吸附纯化系统10中第一纯化模块100和第二纯化模块200的工作状态；排氢质量流量控制器MS1用于监测氢气纯化系统1的气体流量，并根据排氢纯度监测仪40反馈信号自动调节氢气纯化系统1的气体流量。
在本实施例中，抽真空再生系统20为机械泵，工作时，机械泵通过压力差将物理吸附纯化系统10内处于再生状态纯化模块中吸附材料吸附的杂质抽出；较佳的，机械泵可实现的真空度为10-1Pa量级，到达该真空度时，能够有效去除吸附材料中的杂质，提高吸附材料的有效吸附率。此外，也可选用其他的抽真空装置来实现吸附材料的再生。
在本实施例中，自动补氢系统2包括顺序相连的补氢压力传感器P2、补氢纯度监测仪210、补氢质量流量控制器MS2、一个自动截止阀V2和一组手动截止阀组V1。其中，位于发电机的补氢口一侧的补氢压力传感器P2用于监测自动补氢压力，补氢纯度监测仪210用于监测自动补氢的氢气纯度，补氢质量流量控制器MS2用于监测自动补氢的氢气流量，并可实现流量的自动调节功能。在氢气纯化装置工作时，手动截止阀组V1始终保持开启状态，自动截止阀V2受排氢压力传感器P1的反馈信号控制启停，实现自动补氢系统2的工作与截止；具体的，手动截止阀组V1包括一对串联的手动截止阀；一个自动截止阀V2和一组手动截止阀组V1组成控制截止阀组，用于对补氢管路开闭。
作为一种可实施方式，本实施例中带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置还包括安全控制系统3，该安全控制系统3包括警报系统和控制系统；其中警报系统包括氢气泄漏报警器与强制排风系统，当纯化装置周围氢气超过一定浓度时，氢气泄漏报警器报警，强制排风系统启动排风模式；控制系统用于控制整个发电机用氢气纯化装置的动作，包括控制氢气纯化系统1中的物理吸附纯化系统10、抽真空再生系统20、除油系统30、排氢压力传感器P1、排氢纯度监测仪40、回氢纯度监测仪50、排氢质量流量控制器MS1以及自动补氢系统2中的补氢压力传感器P2、补氢纯度监测仪210、补氢质量流量控制器MS2、补氢自动截止阀V2的电控和气动部分，使得系统实现全自动无人值守的功能。
本实施例中的带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，提纯效果好，可持续维持发电机氢冷气的浓度>98％，水露点低于-50℃，氧含量低于10ppm，氮含量小于2％(体积％)；提纯速率可控，对于冷却氢气的处理量能够达到1-30Nm3/h；抽真空再生系统避免了常压或减压(常压与发电机氢压之间的压力)纯氢吹扫导致的氢气损耗；自动补氢系统可根据发电机氢压变化进行自动补氢，避免了人工排补氢引入的安全隐患，有效提高了发电机的效率和运行安全性。
以下采用一个具体的操作方法来描述本实施例中带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置的工作过程：
S100、发电机的排氢口排出浓度为96.5％的低纯氢气；
S200、低纯氢气以10Nm3/h的流量首先经过除油风机30去除油杂质；
S300、经除油风机脱油后的氢气进入物理吸附纯化系统10中在室温下去除水、氧、氮杂质；
S400、高纯氢气通过管路回流至发电机，对发电机的转子进行冷却。
在S300中，经除油风机30脱油后的氢气进入物理吸附纯化系统10内处于纯化状态的纯化模块中，具体又分为：
S301、此时，第一纯化模块100处于纯化状态，因此经除油风机脱油后的氢气进入第一纯化模块100中；同时第二纯化模块200处于非纯化状态，刚切换进入非纯化状态的纯化模块200先进入再生状态，同时机械泵(抽真空再生系统20)开启，对第二纯化模块200中的分子筛进行高度再生；待再生完成后，第二纯化模块200进入待机状态；
S302、回氢纯度监测仪监测第一纯化模块100提纯后的氢气纯度，当氢气纯度≤98.5％时，切换第一纯化模块100至再生状态，抽真空再生系统对第一纯化模块100进行再生，同时切换纯化模块200至纯化状态；第一纯化模块100再生完成后进入待机状态；
S303、返回S301，第一纯化模块100和第二纯化模块200始终处于交替工作状态；
在纯化过程中，排氢纯度监测仪40监测发电机氢气纯度，并根据纯度控制排氢质量流量控制器MS1调节氢气纯化系统1输出的气体流量，纯度较高时流量较小，纯度较低时流量较大，流量控制范围为1-30Nm3/h；
在本实施例中，完成分子筛高度再生以压力为判据，当压力达到10-1Pa量级时，再生完成，维持该压力量级并进入待机状态。
在S100的同时，进行S110：
S110、打开手动截止阀组V1，当排氢压力传感器P1探测到发电机氢压≤385kPa时，启动自动补氢系统自动截止阀V2，开始自动补氢；
S120、当排氢压力传感器P1探测到发电机氢压≥400kPa时，关闭自动截止阀V2，完成自动补氢。
在自动补氢的过程中，补氢压力传感器P2用于监测自动补氢压力，补氢纯度监测仪210用于监测自动补氢的氢气纯度，补氢质量流量控制器MS2用于监测自动补氢的氢气流量，并可实现流量的自动调节功能。
采用上述步骤对氢气进行提纯后，装置出口处氢气水露点为-52℃，氧含量为8ppm，氮含量小于0.50％(体积％)；发电机内冷却氢气的纯度达到99％(体积％)。
上述的实施例仅用来举例说明本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范围。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或等同性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求为准。
Claims (10)
1.一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，包括：用于吸附杂质的氢气纯化系统(1)，氢气纯化系统(1)的进出口分别与发电机的排氢口和回氢口连通；氢气纯化系统(1)包括相连的物理吸附纯化系统(10)和抽真空再生系统(20)，其中氢气纯化系统(1)的入口、物理吸附纯化系统(10)和氢气纯化系统(1)的出口顺序相连；物理吸附纯化系统(10)中包括至少两个纯化模块。
2.根据权利要求1所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述氢气纯化装置还包括：自动补氢系统(2)，所述的自动补氢系统(2)的出口与发电机的补氢口相连，自动补氢系统(2)的进口与电厂氢站相连；所述自动补氢系统(2)包括顺序相连的补氢压力传感器(P2)、补氢纯度监测仪(210)、补氢质量流量控制器(MS2)和控制截止阀组。
3.根据权利要求1所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述物理吸附纯化系统(10)中的纯化模块相同。
4.根据权利要求1或3之一所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述物理吸附纯化系统(10)中包含分子筛。
5.根据权利要求1或3之一所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述纯化模块处于工作状态、再生状态或待机状态；且至少有一个纯化模块处于工作状态，其他的纯化模块处于再生状态或待机状态；所述抽真空再生系统(20)对处于再生状态的纯化模块进行抽真空。
6.根据权利要求5所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，对所述再生状态的抽真空以压力为判据，当压力达到10-1Pa量级时，再生完成并进入待机状态。
7.根据权利要求5所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述抽真空再生系统(20)包括机械泵。
8.根据权利要求1所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述氢气纯化系统(1)还包括依次设置于氢气纯化系统(1)的入口与物理吸附纯化系统(10)之间的排氢压力传感器(P1)、排氢纯度监测仪(40)、排氢质量流量控制器(MS1)和除油系统(30)。
9.根据权利要求1所述的一种带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述氢气纯化系统(1)还包括设置于物理吸附纯化系统(10)与氢气纯化系统(1)的出口之间的回氢纯度监测仪(50)。
10.根据权利要求1-9任一项所述的带有自动补氢系统的发电机用氢气纯化装置，其特征在于，所述氢气纯化装置还包括安全控制系统(3)，所述安全控制系统(3)包括警报系统和控制系统；当纯化装置周围氢气超过一定浓度时，所述警报系统启动；所述控制系统用于控制氢气纯化系统(1)与自动补氢系统(2)的电控和气动部分。
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| CN202569905U (zh) * | 2012-03-19 | 2012-12-05 | 四川开元科技有限责任公司 | 一种净化多晶硅尾气的氢气纯化装置 |
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-
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