氢气的制取和发电机的冷却第一节 发电机的冷却方式1。发电机冷却的重要性发电机运转时要发生能量消耗，这是有一种能（机械能）转变为另一种能（电能）时所不可避 免的。这些损耗的能量，最后都变成了热量,致使发电机的转子、定子、定子绕组等各部件的温度升 高。因为发电机的部件都是有铜质和铁质材料制成的，所以把这种能量消耗叫做铜损和铁损.为了保 证发电机能在绕组绝缘材料允许的温度下长期运行,必须及时地把铜损和铁损所产生的热量导出,使 发电机各主要部件的温升经常保持在允许的范围内.否则，发电机的温升就会继续升高，使绕组绝缘 老化，出力降低，甚至烧坏,影响发电机的正常运行.因此，必须连续不断地将发电机产生的热量导 出，这就需要强制冷却。2。发电机常用的冷却方式发电机的冷却是通过冷却介质将热量传导出去来实现的。常用的冷却方式有：2。1 空气冷却. 容量小的发电机（两万千瓦以下）多采用空气冷却，即使空气有发电机内部通 过，将热量带出。这种冷却方式效率差，随着发电机容量的增大已逐渐被淘汰。2。2 水冷却. 把发电机转子和定子绕组线圈的铜线作成空心，运行中使高纯度的水通过铜线内 部，带出热量使发电机冷却。这种冷却方式比空气冷却效果好，但必须有一套水质处理系统和良好 的机械密封装置。目前,大型机组多采用这种冷却方式。2。3 氢气冷却。 氢气对热的传导率是空气的六倍以上，加以它是最轻的一种气体，对发电机 转子的阻力最小,所以大型发电机多采用氢气冷却方式,即将氢气密封在发电机内部,使其循环。循环 的氢气再由另设的冷却器通水冷却。氢气冷却有可分为氢气与铜线直接接触的内冷式（直接冷却） 和氢气不直接与铜线接触的外冷式两种。当前除了小容量（25MW及以下）汽轮发电机仍采用空气冷却外，功率超过50MW的汽轮发电机 都广泛采用了氢气冷却，氢气、水冷却介质混用的冷却方式。在冷却系统中，冷却介质可以按照不 同的方式组合,归纳起来一般有以下几种：2。3。1 定、转子绕组和定子铁芯都采用氢表面冷却，即氢外冷；2.3.2 定子绕组和定子铁芯采用氢表面冷却，转子绕组采用直接冷却（即氢内冷）；2.3.3 定、转子绕组采用氢内冷，定子铁芯采用氢外冷；2。3。4 定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁芯采用氢外冷,即水氢氢冷却方式;2。3.5定、转子绕组水内冷，定子铁芯空气冷却,即水水空冷却方式；2.3.6定、转子绕组水内冷,定子铁芯氢外冷，即水水氢冷却方式.我厂2X600MW机组汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即发电机定子绕组采用水内冷，转子绕组采用氢内冷,定子铁芯采用氢外冷。第二节 冷却介质的性能比较1. 冷却介质的种类和特性氢冷发电机在正常运行时，使用氢气作为冷却介质，在发电机事故及停机检修时，则采用空气 作为冷却介质,co2、n2,则是气体置换过程中的中间介质。对于直接冷却的发电机，除了使用氢气作 为冷却介质外,也可以使用水和油.下面分析比较冷却介质的特性：1.1 空气空气优点是低廉，所需的附加设备简单，维修方便；缺点是机组的容量受到限制，而且机组容 易脏污.1。2氢气退）氢气冷却有如下优、缺点:1.2。1优点：1。2.1。1通风损耗低，机械（指发电机转子上的风扇）效率高。这是因为在标准状态下，氢 气的密度是0.08987kg/m3,空气的密度是l293kg/m3, CO?的密度是1.977kg/m3,N2的密度是1.25kg/m3. 由于空气的密度是氢气的14。3倍，二氧化碳是氢气的21。8倍，氮气是氢气的13。8倍，所以， 使用氢气作为冷却介质时，可使发电机的通风损耗减到最小程度。1.2.1.2散热快、冷却效率高.因为氢气的导热系数是空气的1。51倍，且氢气扩散性好,能将 热量迅速导出因此能将发电机的温升降低10-15C.1.2。1。3 危险性小。由于氢气不能助燃，而发电机内充入的氢气中含氧又小于2，所以一 旦发电机绕组被击穿时，着火的危险性很小。1.2.1.4清洁。经过严格处理的冷却用的氢气可以保证发电机内部清洁，通风散热效果稳定，而且不会产生由于脏污引起的事故。1 。 2 。 1 。 5在氢气冷却的发电机，噪音较小，而且绝缘材料不易受氧化和电晕的损坏。1.2.2缺点：1.2。2。1氢气的渗透性很强，易于扩散泄露，所以发电机的外壳必须很好的密封。1。2。2。2氢气与空气混合物能形成爆炸性气体，一旦泄露,遇火即能引起爆炸。因此,在用氢 冷却的发电机四周严禁明火。1.2.2。3 采用氢气冷却必须设置一套制氢的电解设备和控制系统,这就增加了基建投资及维修 费用。氢气冷却虽有以上一些缺点，但只要严格执行有关的安全规章制度和采取有效的措施还是可靠 的,而其高效率冷却则是其它冷却介质无可比拟的，所以大多数发电机还是采用氢冷方式。1.3二氧化碳(CO2)CO2的密度是空气的1。52倍，显然，使用CO2作冷却介质，将会使通风损耗成正比地增加，发电 机的温度也会显著升高.CO2的表面散热系数是空气的1。132倍，且有较高的强行对流作用，但CO2的传热能力比空气弱， 仅是空气的0.638倍.两项综合比较，用空气冷却和用CO2冷却，对发电机的温升影响基本是一样的.CO2与机壳内的水分化合后，其反应的生成物会在发电机各部分结垢，使通风恶化并弄脏机件， 对绝缘有腐蚀作用。所以，不允许使用CO2作为冷却介质长时间运行。但是，我们可以利用CO2与氢 气或空气混合时不会发生爆炸的特点，作为气体置换的中间介质。1.4氮气() 氮气的密度、热传导率及表面散热系数都接近空气，所以，作为冷却介质使用时，其允许的最大 负荷值与空气冷却时相同。另外，氮气具有比空气轻，比氢气重，并且不助燃的特点，可用来代替二 氧化碳作为中间介质使用，这时对其纯度的要求是：氮的含量在96以上，氧的含量应低于4%。氮气作为化工副产品，常含有腐蚀性杂质，对发电机的绝缘材料起腐蚀作用，所以，氮气作为发 电机的冷却介质不允许长期使用。2. 氢气和水的特性比较发电机在采用直接冷却方式时，普遍采用氢气和水作为冷却介质。它们与空气的性能比较如下：表13-1 空气、氢气及水性能比较冷却介质绝对压力MPa相对比热相对密度吸热能力散热能力体积流量相对吸热量流速，m/s相对散热系数空气0.11111301氢气314.350.2113405水4.1610000。05208284从表中的吸热和散热能力看，液体冷却介质比气体冷却介质好.水具有较高的散热性能、粘度小， 能通过小而复杂的截面.水的化学性能稳定，不会燃烧，而且具有价廉的特点。但它增加了水路系统， 容易腐蚀铜线和漏水，使运行的可靠性降低.氢气冷却具有通风功率和励磁功率低；装配方便，结构简单，负荷能力高，温度分布均匀等优 点,使运行可靠性大为提高。第三节 电解制氢原理及其系统、设备1. 电解制氢的原理及其工艺1。1制氢原理高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差,则需加入电解质溶液，以促进水的电解。常用的电解质一般为NaOH或KOH。将直流电通入加入NaOH水溶液的电解槽中，使水电解成为氢气和氧气。其反应式为：1.1.1阴极反应：电解液中的H+（水电解后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，最后接受电子而 析出氢气,其放电反应是:2H+2e H f21。1。2阳极反应：电解液中的OH-受阳极的吸引而向阳极移动，最后放出电子生成水和氧气，其放电反应是：2OH-2e H2O + 42 f1.1.3阴、阳极合起来的总反应式为：2HO 2Hf+ Of2 2 22工艺流程高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差，则需加入电解质溶液，以 促进水的电解。电解产生的氢气和氧气，分别进入氢气分离洗涤器和氧气分离洗涤器，使气体与携 带的碱液分离;分离出的碱液经过滤、冷却后，通过碱循环泵打至电解槽.分离后的氢气进入冷却器 冷却，与氧气一同经气动差压调节后，经冷却、干燥进入贮存罐；氧气经过水封直接排入大气；电 解消耗的水经过柱塞泵打入氢、氧分离洗涤器进入电解槽内。3氢氧化钠的作用氢氧化钠等电解质是强的电解质，溶解于水后便电离，其电离反应式为： NaOH = Na+ + OH- 这 样是水溶液中有了大量的Na+与OH-.促进溶液的导电性能，便于水的电解。氢氧化钠等电解质在水发生电解时,为何不被电解而仍留在溶液中呢？现简略说明如下:3.1 金属离子在水溶液中的活泼性是不相同的，我们将它们依活泼性的大小排列起来，得到下 列活动顺序：KNaCaMgAlMnInFeNiSnPbHCuHgAgAu上面排列中，前面的金属比后面的活泼，越往后的金属活泼性越差。在以上活动次序中，H之所以列为金属，这是因为它能起金属的作用，在水中常成H+存在，而且 确实能被它前面的的金属置换。例如：Zn + H2SO4 = ZnSOq +H2 f3.2 电极电位。金属的活动次序说明越活泼的金属越容易失去电子，活泼性较差的金属则容易 得到电子（前后金属比较而言）。从电化学理论上讲就是：容易得到电子的金属离子与不容易得到 电子的金属离子相比较，因前者的电极电位高能得到电子而转为原子，而后者的电极电位低不能得到 电子转为原子。这种电位叫“电极电位。H+和Na+比较，Na+的电极电位为一2。86，而H+的电极电位为一1。71。所以在同一水溶液中若同 时存在Na+和H+时，H+先放电而成H2.3。3离子的水化。水是极难电离的,但水中溶解有NaOH时，在Na+的周围.围绕着水的分子而成 水合Na+，而且因Na+的作用使水分子有了极性方向。当Na+带有极性方向的水分子迁向阴极时，H+首先放电而成H+,而Na+则仍存在于水中。3。4电解液中加五氧化二钒的作用电解液配制时，须加入一定量的五氧化二钒（千分之二浓度）.五氧化二钒的加入，可对电极的活 化起催化作用，能改变电极表面状态，增加电极的电导率；有利于除去电极表面的气泡，降低电解液 的含气度；在铁、镍金属表面产生保护膜，从而起到缓蚀作用.4。制氢系统电解水制取氢气的主要设备为电解槽。在电解槽后连有若干系统，其中主要是氢侧系统、氧侧 系统及补给水系统，另外还有碱液系统.4.1 氢侧系统. 由电解槽各间隔分解出来的氢气汇集于总管，经氢侧分离器洗涤器、冷却器、 压力调节阀，再经两级干燥吸附后，存入氢罐备用。4。2 氧侧系统。 由电解槽各间隔分解出来的氧气汇集于总管，经氧侧分离器洗涤器、压力调 节阀和水封槽后，排放大气或存罐备用。4。3 补给水系统。在电解水的过程中，水陆续地被消耗掉，所以必须连续不断地补充除盐水。 系统通过加水泵将除盐水打至氢分离洗涤器中，来补充电解消耗的除盐水。4。4碱液系统。电解氢氧化钠水溶液时，各系统中的分离洗涤器中分离和洗涤下来的NaOH, 经过过滤、冷却后重新打回电解槽中，所以从理论上讲，NaOH是不消耗的，但实际上因为泄露、氢 和氧的水量携带等，NaOH的浓度在逐渐减小，因此每隔一定时期必须补充碱液。5。我厂制氢系统的主要设备我厂一期4X600MW机组发电机冷却方式为水-氢-氢冷却，氢气由制氢站集中供给.5。1系统概述本期工程设置两套10Nm3/h的水电解制氢装置及相应的设备。设置6台13 m3的贮氢罐。制氢系 统设备布置在一独立的建筑区内，水电解制氢装置、氢气干燥装置、闭式除盐冷却水装置及电源控 制装置布置在室内，贮氢罐及压缩空气储存罐露天布置。制氢系统的启动、停止及运行采用微机进