制氢氢气在线监测系统功能优化改进与应用

制氢氢气在线监测系统功能优化改进与应用

蔡俊财

广东惠州平海发电厂有限公司 广东惠州 516363

摘要：制氢站作为火力发电厂的重大危险源，所配置的氢气在线监测系统实时在线监测制出氢气的含氧量、纯度、湿度等重要品质指标外，还监视着制氢设备氧侧的氢气含量和氢站的漏氢状况，直接关乎到发电厂的安全生产，并且制氢机的氢气品质直接影响到发电机的安全、稳定运行。

关键词：氢气；在线监测系统；功能优化；改进与应用

一、引言

广东惠州平海发电厂有限公司（平海电厂）制氢站，目前使用两套电解水制氢设备。制氢设备现场配套安装的在线监测系统监测仪表分别有：氧中氢分析仪两套、氢中氧分析仪两套、氢气露点仪两套和漏氢监测探头四个。除了用于实时在线监测制出氢气的含氧量、纯度、湿度等重要品质指标外，还监视着制氢设备氧侧的氢气含量和氢站的漏氢状况，这些监测指标直接关系到制氢设备本身是否运行良好和氢站的安全生产。

二、故障问题与分析

平海公司制氢站由于靠近煤场，周围存在大量煤粉，大量煤粉进入平衡阀，引起平衡阀卡涩，导致碱液倒流进入在线监测仪表，最终监测仪表受到碱液腐蚀而损坏，以致化学在线监测仪表长期无法正常投用，除了不能实时在线监测制出氢气的纯度、湿度等重要品质指标外，还无法监视制氢机氧侧的氢气含量和氢站的漏氢状况，导致制氢机长时间停用，如果氢气浓度达到氢气的爆炸极限（体积浓度为4.1%～74.2%），严重影响机组制氢及制氢安全。

三、标准依据

（一）GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》如下：

（1）氢气使用区域应通风良好，保证空气中氢气最高含量不超过1%（体积）。

（2）氢气系统中氢气中氧的体积分数不得超过0.5% ，氢气系统应设有氧含量小于3% 的惰性气体。

（二）DL5027-93《电力设备典型消防规程》如下：

（1）氢冷发电机及其氢冷系统和制氢设备中的氢气纯度和含氧量必须在运行中按专用规程的要求进行分析化验氢纯度和含氧量必须符合规定的标准氢冷系统中氢气纯度须不低于96%，含氧量不应大于2%；制氢设备中气体含氢量不应低于99.5% ，含氧量不应超过0.5%， 如不能达到标准应立即进行处理直到合格为止。

（三）《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求实施细则》如下：

（1）严格执行《电业安全工作规程（热力和机械部分）》中“氢冷设备和制氢、储氢装置运行与维护”的有关规定。

（2）氢冷系统和制氢设备中的氢气纯度和含氧量必须符合《氢气使用安全技术规程》（GB4962-85）。

（四） GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》如下：

（1）制氢站应采用性能可靠的压力调整装置，并加装液位差越限联锁保护装置和氢侧氢气纯度表，在线氢中含氧量监测仪表、防止制氢设备系统爆炸。

（2）氢气有可能积聚处或氢气浓度可能增加处宜设置固定式可燃气体检测报警仪，可燃气体检测报警仪应设在监测点（释放源）上方或厂房顶端，其安装高度宜高出释放源0.5 m～2 m且周围留有不小于0.3 m的净空，以便对氢气浓度进行监测。可燃气体检测报警仪的有效覆盖水平平面半径，室内宜为7.5 m，室外宜为15 m。

（五） GB26164.1-2010《电业安全工作规程》如下：

（1）应在线检测制氢设备中的氢气纯度、湿度和含氧量，并定期进行校正分析化验。氢纯度、湿度和含氧量必须符合规定标准，其中氢气纯度不应低于99.5%，含氧量不应超过0.5%，氢气湿度（露点温度）应不大于-25℃ ，如果达不到标准，应立即进行处理，直到合格为止。

三、功能优化改进

为了恢复制氢站氢中氧分析仪、氧中氢分析仪、氢气露点仪和漏氢监测探头等仪表的正常使用，完全滤除碱液（或碱蒸汽），使仪表不受到腐蚀损坏，保证仪表长期稳定运行。经研究分析，从仪表防护及工作原理基础上，提出了提高仪表的集成度以及全新设计仪表取样、预处理、结构性监测等方案。具体优化和改进措施如下：

（一）对已失效或部分失效的漏氢监测探头进行全面整改换型改进；同时恢复制氢车间环境中氢气浓度的实时监测，以保障制氢环境和空间安全；

（二）将两台制氢机配套的氢中氧、氧中氢、氢气露点仪恢复投入使用，实时在线监测制出氢气的纯度、湿度等重要品质指标，具体措施如下：

在现场增加两个氢气预处理柜，预处理柜内配置双级碱液过滤器，过滤器分别装满硼酸块和变色硅胶，硼酸块的作用是吸收碱液，变色硅胶主要吸收水分，这样就保证了进入监测仪表前的样气品质；同时，按照GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》中规定，氢气和氧气的采样管道之间至少要有250mm的间隔距离。因此，氢中氧分析仪与氧中氢分析仪不能集成在同一预处理柜内，现场必须配备两个预处理柜，将两台氧中氢集成在一个预处理柜内，将两台氢中氧和两个露点仪探头集成在另一个预处理柜内。

将两台制氢机配套的氢中氧、氧中氢、氢气露点仪等核心化学监测仪表进行全新设计安装，以保障实时在线监测制出氢气的纯度、湿度等重要品质指标，如下示意图。

四、关键技术及主要创新点

（一）两台制氢机的氢中氧分析仪、氧中氢分析仪及露点仪的采取分别取样及集成设计；以便于后期仪表的维护、校验、检修目的，同时满足GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》中规定氢气和氧气的采样管道的安全间距安装要求。

（二）在集成取样及测量回路中创新性增加预处理功能，采取内置变色硅模块和硼酸模块的双级过虑器预处理设计，以保障监测仪表（氢中氧、氧中氢等）的传感器免受水分及碱液的伤害，最大限度的解决制氢机异常碱液倒流对仪表的损害，确保在线监测仪表的使用寿命。

（三）优化取样管路布置及设备安装，并对监测仪表取样及检测仪表进行模块化封闭安装，以解决因制氢站靠近煤场，大量煤灰进入氢站对仪表测量及寿命的影响，同时取样和检测采取模块化安装设计也便于进一步推广应用。

（四）对制氢设备中的氧中氢和氢中氧等化学仪表采用国产化换型替代，大大降低了对国外设备的依赖以及减少设备采购成本。

五、经济效益及社会效益

（一） 经过优化改进，保障了制氢站化学仪表免受取样碱液及粉尘的损伤，大大提高了仪表的使用寿命及维护成本，若不做改进，按每年对仪表进行检修储备和更换测算，节约了维护成本约25万元。

（二）实时监测制出氢气的氧含量、露点，氧侧的氢气含量，能及时掌握制氢机的运行工况，保证了制氢设备的安全稳定运行，通过监测氢站的漏氢状况，可以及时发现氢站安全隐患，防止氢站着火爆炸，保证氢站安全。

（三）我厂通过此次制氢站在线监测系统监测仪表改造，大大提高了仪表的集成度、可靠性，保证了现场仪表长期稳定运行。

结束语：

恢复了制氢氢气在线监测系统的正常使用，完全滤除碱液（或碱蒸汽），使仪表不受到腐蚀损坏，保证仪表长期稳定运行。大大提高了仪表的集成度，方便了后期仪表的维护、校验、检修。实时监测制出氢气的氧含量和露点，以及氧侧的氢气含量，避开氢气的爆炸极限范围（体积浓度为4.1%～74.2%），能提早发现制氢设备的不良状况和氢站漏氢的安全隐患，作为冷却发电机的介质，氢气的品质极其重要，通过监测制氢站所制氢气的品质，同时也保证了冷却发电机的氢气品质，保证了发电机组安全、稳定地运行。

参考文献：

[1]GB 50177-2005，氢站设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，国家质检总局，2005.

[2]GB4962-2008，氢气使用安全技术规程[S].北京：国家质检总局，国家标准化委员会，2009.