氢气的制取和发电机的冷却

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2×600MW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（H2）

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1.293kg/m3，CO2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10-15℃。

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（N2）

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

氢

气

水 0.1

3

-- 1

14.35

4.16 1

0.21

1000 1

1

0.05 1

3

208 30

40

2 1

5

84

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 → H2↑

1.1.2 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 + 1/2O2↑

1.1.3 阴、阳极合起来的总反应式为：

2H2O → 2H2↑+ O2↑

2．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：

K＞Na＞Ca＞Mg＞Al＞Mn＞In＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au

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 = ZnSO4 +H2↑

3.2 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-2.86，而H+的电极电位为-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。