制氢机运行故障分析及处理

刘敏杰

（广州珠江电厂，广东广州 511457）

0 引言

凝汽器是汽轮发电机组最为重要的辅助设备，它的性电力生产过程中，发电机将机械能转变为电能，其间伴随着能量损耗，其中一部分转化为热能，若这部分热量不及时导出，势必引起发电机定子、转子等部件温度超标问题[1]。常用的冷却方法有空气冷却、水冷却和氢气冷却，由于氢气具有通风损耗小，热传导率大，流通摩擦阻力小，制取方便等特点[2]，被广泛应用于300 MW 及以上机组发电机的冷却。但氢气作为一种易燃易爆气体，制氢机从电解水制氢到充气整过程都具有明显的危险性，空气中氢气含量达到爆炸极限，遇明火极易发生爆炸[3]。因此，制氢系统运行时，需密切监督，确保其安全可靠运行[4]。

1 设备系统概述

广州珠江电厂制氢系统现有2 套CNDQ–15/3.2型一体化水电解制氢机，均由中国船舶工业总公司第七研究院第七一八研究所研制生产，主要用于6台发电机组的冷却氢气的供应。

CNDQ–15/3.2 型制氢机采用微机控制，可实现自动调节电解槽压力、温度、氢氧液位差等运行参数，自动控制干燥器的再生时间及再生温度，采集并集中显示压力、温度、氢液位、氧液位、氢气纯度和氧气纯度等工艺参数的功能。若系统偏离运行状态，即氢阀后压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度等参数超过报警值时，发出声光报警，并自动触动切断整流柜输出直流电流的保护信号，电解槽停止工作，制氢系统停车。系统还具有槽压二次保护功能，当自动控制系统失灵时，槽压的超上限信号可直接输出到整流柜，切断整流柜供电电源，保证装置的安全稳定运行。制氢机工艺流程如下图1所示。

图1 制氢机工艺流程

氢气干燥器系统有如下四种工作方式，可通过累计时间实现自动切换。

方式1：干燥器A工作（20 h）；

方式2：干燥器B工作、干燥器A再生（4 h）；

方式3：干燥器B工作（20 h）；

方式4：干燥器A工作、干燥器B再生（4 h）。

2 故障描述

1号制氢机投产于2006年，长期运行期间因氢气露点不合格更换一次分子筛一次，定期更换碱液及清理碱液过滤器，运行状况良好。但2019 年11 月份以来，1 号制氢机运行中常出现氢气露点不合格、氧液位上限高保护跳机及碱液循环流量下限低保护跳机等问题。具体故障情况如下：

1）2019年11 月9日，1号制氢机运行过程中出现氧分离器液位上限大于400 mm，触动保护而跳机，其他运行参数未出现异常：电解槽电流820 A、电解电压84.5 V、槽温85 ℃、槽压3.2 MPa；

2）2019 年 11 月 11 日，检修人员调整氧侧调整阀后，重新启动1号制氢机运行，运行1 h后，控制系统发出碱液流量下限报警，制氢机跳机停车，其它运行参数未出现异常：电解槽电流819 A、电解电压84.7 V、槽温84 ℃、槽压3.18 MPa；

3）2019 年 12 月 2 日，检修人员对碱液过滤器滤网例行清理后，试运1 号制氢机，发现干燥器A 氢气露点不合格，还发现干燥器程序“干燥器A 工作干燥器B再生”运行时长为20 h，远超设定值。

3 故障分析与处理

3.1 检查与分析

1）氢侧调整门解体检查并在上位机上手动操作，未出现异常情况，氮气吹扫干燥器氢气管道，未发现堵塞。排除管道堵塞对氧分离器液位的影响。检查发现，干燥器前三通阀开关处于半开位45°，无法达到设定值全开位90°。将该阀门拆解后发现，内含杂质较多，调门卡涩现象明显。氢侧阀门开度低于设定值时，氢气、氧气排空量不一致，氢、氧分离器压力差异导致氢氧两侧液位相差较大，当氧分离器液位上限超标报警，甚至超出安全值而造成制氢器跳机。

2）制氢机碱循环系统系统运行时，电解槽各电室产生氧随电解液被带出，于碱罐内分离，电解液通过罐底部过滤器，再经换热器冷却后重新进入电解槽[2]。在整个电解制气循环中，碱液内部杂质不断积累，有不断聚集沉淀风险。经检查发现碱液中有沉淀物堵塞入口滤网，阻碍了电解液循环，造成碱液流量偏低报警，直至低于下限值跳机。

3）对干燥器运行程序检查发现，干燥器程序切换成“A 再生B 工作”后氢气露点不合格，而切换成“B 再生A 工作”后氢气露点合格；干燥器A 运行时，氢气露点为-27 ℃，不合格；干燥器B 运行时，氢气露点为-56 ℃，符合标准。由此推测干燥器A 内分子筛性能下降是露点不合格原因，需要对干燥器A分子筛进行更换。

3.2 处理措施

针对以上查明的问题，分别采取以下措施：

a）检查制氢机上所有三通阀，更换存在卡涩或开关开度未到位三通阀；

b）启动碱液循环泵，大流量循环30 min，冲刷管道内部，去除大部分碱液内杂质，清理入口滤网，更换悬浮物较多的碱液；

c）分子筛失效的主要原因是吸附杂质引起灰化[3]。为避免分子筛失效，选择适合氢气干燥的分子筛，运行中加强氢气干燥器的排水排油，动态调整加热再生时间，氢气系统使用合格的压缩空气、CO2，保证分子筛处于良好工作状态。

分别对上述处理故障单独处理后，所对应的故障现象消失，如图2 所示，各参数均符合标准，1 号制氢机运行正常。

图2 处理后制氢机运行界面

可得以下结论：三通阀开关不到位易导致氧分离器液位大于上限，碱液中杂质聚集沉淀易导致碱液流量下降，干燥器A塔分子筛失效易造成氢气露点不合格。

4 制氢机故障预控措施

做好制氢机的定期维护保养和试验，可减少制氢机故障发生率，对确保系统安全稳定运行，应注意以下几方面：

1）加强碱液的技术监督，定期分析碱液浓度，若碱浓度低于27%-30%，及时补充至合格。定期检查碱液中悬浮物含量，若碱液中悬浮物含量超标，应及时更换；

2）定期检查碱液入口滤网。可调大碱液循环泵，大流量循环30 min，拆开滤网进行清理；

3）定期评估干燥器分子筛状态，应及时更换性能不合格干燥器分子筛；

4）定期维护保养制氢系统各类运行设备和介质，检测各报警装置的工作状态，在出现跳机风险前及时响应，排除故障。

5 结语

制氢系统是火力发电厂重点安全事故防范区域，做好制氢机的定期维护保养工作，能有效降低制氢机故障发生率，为发电机组及时提供合格的氢气，保障火电厂发电机组的安全稳定运行。