干旱地区TDQ-80/0.5水电解槽的冷却系统改进

＊黄登高 尹玉国 吴栋 阮皓

（中国原子能科学研究院 北京 102413）

1.背景

氢气广泛应用于电力、化工、冶金和电子等行业，是一种重要的工业原料和工业气体[1-2]。比如在电力行业，氢气因质量轻、密度小、比热容大、磨擦损耗小等优点被广泛地用作发电机的冷却介质[3-5]。在化工行业，氢气是重要的还原剂和加氢原料。在能源领域，氢能做为一种绿色能源，因其高效、清洁、可再生，在未来碳中和的能源结构中将占有非常重要的地位。利用富余的廉价水电、核电、风电和太阳能来电解水制氢，再与燃料电池相结合，是实现氢能经济的重要途径。相对锂电池汽车，氢能汽车有能量补给快，续航长和发动机动力大等优点。

因为能量密度大和使用过程无污染，氢能一直被认为是一种理想的能源之一，它的利用一直被全世界重视。早在几十年前，发达国家就开展了氢能经济发展宏观战略研究，并制订了实现氢能经济长期研发计划。1990年国际能源署制订了氢能和燃料电池研究开发和示范实施协议。同年，美国能源部（DOE）启动了一系列氢能研究项目，并于2001年将发展氢能的重要能源政策，提出2040年美国将实现向氢经济的过渡。欧盟在2001年启动的“清洁能源伙伴计划”氢能交通示范项目，拨款支持10个重点城市的燃料汽车示范项目。我国是世界上氢能利用的大国，在《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》中[6]，国家将氢能产业的发展放在重要地位。在氢储能应用方面，我国计划“十四五”在京津冀地区建设氢能应用示范区，同时2022年北京冬奥会已广泛采用氢能源汽车。在商业上，由于太阳能和风能等可再生能源的间歇性和不易储存及运输等特点,需要氢能这种高效清洁的能源载体作为可再生能源和用户之间的桥梁。同时，利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是目前最为成熟和最有潜力的制氢技术，被视为通向氢经济的最佳途径。

与此同时，由于国际上对能源消费的碳中和追求，光伏发电和风力发电这两种绿色电力在已有的大规模应用基础上加速发展，在风电和光伏发电迅猛发展的同时，由于电网建设、电网运行调峰等技术的制约和光伏发电和风力发电的在时空分布的不稳定性，风电消纳问题日益突出[7-8]，弃风电和弃光电越来越普遍。在2015年，全国弃风电量339亿kW·h，平均弃风率高达15%[9]。到2017年，可再生能源发电量占全国发电量的26.4%，可再生能源与新能源发电弃电量1000亿kW·h以上，其中弃风电量419亿kW·h，弃风率12%；弃光伏发电量73亿kW·h，弃光率6%[10]。显然，弃电已然成为风电和光伏发电企业面临的常态，需要寻求合适的方法解决可再生能源弃电问题。储能是风电和光伏等可再生能源开发利用系统以及实现“智慧能源”的重要组成部分和关键支撑技术。目前电力储能技术可分为物理储能、化学储能和电磁储能等3大类[11]。常见的物理储能主要为抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能等；电磁储能主要为超导储能等；化学储能主要为各种电池储能以及制氢储能等[12]。作为化学储能的一种，氢储能不仅储能容量大、响应时间长，而且没有运行模式斱面的限制，非常适合用于解决大规模弃电，已成为风能、太阳能等间歇性可再生能源収电储能领域研究的热点[13-14]。氢能是最符合绿色开发、更适合普及利用和最可能技术突破的现有储能技术[15]，配置一定容量的制氢系统能实现增大风电和光伏发电利用率、消纳部分弃风、弃光，增加风光电机组利用小时数，得到高能力量密度的可存贮和运输的高纯氢气[16]。目前，很多沙漠光伏制氢项目，如中石化库尔勒650MW光伏绿氢示范项目[17-18]，正在全球范围内展开。

现有的主要制氢技术主要包括化石燃料制氢、生物质制氢、光催化水分解制氢以及电解水制氢等。化石燃料制氢，主要是天然气制氢、煤焦化和煤气化制氢，是目前的主要制氢方法。但这些方法流程复杂、投资大、能耗高、碳排放高，制得的氢气属于灰氢。生物质制氢产物纯度低、气体提纯难，技术尚未成熟。光催化水分解制氢还处于基础研发阶段，制氢转换效率仍需要提高。水电解制氢凭借生产过程无污染、可规模化生产、低碳、产氢纯度高等优点获得较高市场定位[19]，特别适用于氢气纯度要求高和用量不多的企业[20]。太阳能发电-水电解制氢的成本也比直接光分解水制氢的成本低[21]。

水电解制氢的工作原理是当电解槽的电解小室通入直流电后，电解小室内的水被分解，在阴极析出氢气，在阳极析出氧气。水电解制氢是一种成熟的制氢方法。在水电解装置中，碱性水电解制氢装置是目前已经大规模应用的成熟制氢装置。在碱性水电解制氢过程中，随着电能的电流消耗，一部分电能转化成热能释放到电解液中，会促使电解温度不断升高。为了电解装置系统的稳定运行，需要控制电解槽内电解液维持稳定，多余的热量就需要通过冷却换热带出电解装置，冷却系统就是将富裕的能耗带出装置的设备。本文通过对碱性水电解制氢装置的功耗进行研究，合理选择了冷却系统，保障了电解制氢装置的稳定运行。

2.冷却系统装置改进

(1)碱性水电解槽

碱性水电解制氢装置由苏州竞立制氢设备有限公司制造，设备见图1。设备参数如下：型号TDQ-80/0.5，设计压力1.0MPa，实际工作压力0.5MPa，额定工作电压115V，额定电流3400A，工作温度＜90℃，氢气产量80m³/h，氧气产量40m³/h，碱液浓度30wt% KOH。

图1 80m³碱性水电解制氢装置

(2)旧冷却系统及其问题

2015年调试TDQ-80/0.5水电解槽时，循环冷却水系统采用开放式风冷蒸发换热方式制冷（设备见图2）。在设备运行十几天后，发现制氢控制系统出现电解槽槽温控制不住且持续升高现象。经现场排查发现，冷却水供水压力正常，电解槽冷却水调节阀开度已最大，但电解槽氢氧侧碱液温度已超限值且还在上涨；冷却水进口温度升高但没超过正常值，冷却水出水温度却远超过正常值。经检查，电解槽碱液冷却器板式换热器内部堵塞，影响冷却器换热效果。

图2 塔式风冷系统装置

为了解决问题，保障TDQ-80/0.5水电解槽安全运行，当时只能停下实验，拆开电解槽碱液冷凝换热器的冷却水进出水口，加入除垢剂进行浸泡疏通；同时更换冷却水系统全部冷却水。但这样没有根除问题，只能暂缓堵塞情况，TDQ-80/0.5水电解槽在运行约1个月后再次发生了板式换热器堵塞问题。

经分析，冷却水系统堵塞的根本原因是原循环冷却水系统采用暴露在空气下的塔式风冷冷却系统作为冷却水系统换热设备（见图2），以及采用硬水作为冷媒，从而导致冷却水系统换热器堵塞，热交换效率下降。这产生的主要问题包括：①水垢问题：冷却水系统采用的自来水是干旱区地下硬水，硬水热交换后升温后使得钙和镁的碳酸氢盐分解，以及钙和镁盐溶解度下降，在金属表面沉积出结晶胚，并以此为晶核生长长大，形成在设备内难清理的结垢，再加上冷却水水大量蒸发损耗和补充，使结垢物不断增加，从而形成大量水垢堵塞冷却水系统。在整个冷却水循环过程中，水垢堵塞是一个重要的问题，不更换冷却水就不能根治的问题，其形成、沉淀会使冷却水循环系统运行受到严重影响。②腐蚀问题：在整个冷却水循环系统中，冷却水是热交换介质，冷却水内添加的除垢剂会腐蚀系统中的管道和热交换设备，并形成新的杂质，加剧了结垢部位的堵塞问题。③菌藻问题：冷却水在开放的空气中流动会造成水体中氧含量足，加上空气中飘来的菌藻种子，会有菌藻产生，再加上夏天气温较高，菌藻繁殖速度很快，加重了冷却水系统堵塞。④污染物混进系统问题，开放式的风冷冷却塔容易被风吹进沙尘、杨柳絮和草屑等杂质，加重了板式碱液换热器内部堵塞，影响换交热。

(3)新冷却水系统

2020年，新项目准备重新启用TDQ-80/0.5碱式水电解设备。为了解决该设备在2015年运行时冷却水系统散热和堵塞问题，重新采购冷水机和设计了新的冷却水系统（流程图见图3a，设备图见图3b），以保障水电解制氢系统的稳定运行。新冷却水系统有两套封闭的制冷机，制冷机的制冷功率分别为65kW和120kW。两台制冷机组采用并联结构，共用一个3m³的水箱，制冷机冷却的冷却水通过循环水泵和管道输送至碱性水电解制氢装置的热交换器。

图3 新冷却水系统流程图（a）和装置图（b）

(4)新冷却水系统冷却能力测试

为了测试制冷机和冷却水的制冷能力，以及冷却水系统维持水电解制氢装置和其它设备运行的稳定性，对新冷却水系统的制冷能力进行测试。

在测试中，制冷功率为65kW和120kW的制冷机单独运行，分别考验两台制冷机的制冷能力。测试设定冷却水温度为16±3℃，水电解槽的碱液冷却目标温度设定为65℃。启动TDQ-80/0.5水电解制氢系统，运行电流分别设置为1000A、1500A、2000A、2500A、3000A、3400A（额定运行电流），监测冷却水水温变化情况。

65kW制水机制冷能力测试结果如下见表1。可以看出，TDQ-80/0.5水电解槽的运行电解电流不大于2000A时，65kW制水机的制冷能力能满足水电解槽运行要求。当水电解槽的运行电解电流大于2500A时，制冷机的冷却水出口温度超过了最高设定值。这说明，水电解槽的电流大于2500A时，65kW制水机的制冷能力则不能满足水电解槽冷却要求。也就是说，65kW冷水机组只能满足80m³/h电解制氢系统60%左右产能的换热需求。

表1 不同电解电流下65kW制冷机的冷却水出口温度

120kW制冷冷机的制冷能力测试结果见表2。从表2可以看出，在水电解槽的任何运行电流下，制冷机的冷却水出口温度不超过最高设定温度19℃。因此，120kW制冷机能满足TDQ-80/0.5碱式水电解设备任何运行电流的制冷需求。

表2 不同电解电流下120kW制冷机的冷却水出口温度

总之，通过测试发现，两台冷水机组单独运行情况下，120kW制冷机能满足TDQ-80/0.5水电解槽的碱液温度控制需求，65kW制水机可以作为备用制冷机，只能满足TDQ-80/0.5水电解槽60%功率需求。在实际应用中，这两台制冷机很好的保障了TDQ-80/0.5水电解槽满功率运行了1年。

3.结论

通过运行情况比较，本文发现，在水硬度高的干旱地区不适合采用敞开的塔式风冷制冷机作为水电解槽的冷却装置，硬水不适合作为冷却水。塔式风冷制冷设备因为沙尘、菌藻、杂物和硬水结垢堵塞设备，造成冷却水系统制冷能力不足，无法保障水电解槽稳定运行。本文采用制冷功率为65kW和120kW的两台制冷机并联搭配使用来替代塔式风冷制冷机，用纯净水替代自来水做冷却水，测试表明新冷却水系统满足了水电解槽的制冷需求。