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水电解制氢设备操作使用手册\苏州竞立制氢设备有限公司CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司21、简述1.1、氢气的性质和用途：氢是自然界分布最广的元素之一，它在地球上主要以化合状态存在于化合物中。在大气层中的含量却很低，仅有约1ppm（体积比）。氢是最轻的气体,它的粘度最小，导热系数很高，化学活性、渗透性和扩散性强（扩散系数为0.63cm2/s，约为甲烷的三倍），它是一种强的还原剂，可同许多物质进行不同程度的化学反应，生成各种类型的氢化物。氢的着火、燃烧、爆炸性能是它的特性。氢含量范围在4-75%（空气环境）、4.65-93.9%（氧气环境）时形成可爆燃气体，遇到明火或温度在585℃以上时可引起燃爆。压力水电解制出的氢气具有压力高（1.6或3.2MPa）便于输送，纯度高（99.8%以上）可直接用于一般场合，还可以通过纯化（纯度提高到99.999%）和干燥（露点提高到-40～-90℃）的后续加工，可以作为燃料、载气、还原或保护气、冷却介质，广泛应用于国民经济的各行各业。1.2、水电解制氢原理：利用电能使某电解质溶液分解为其他物质的单元装置称为电解池。任何物质在电解过程中，在数量上的变化服从法拉第定律。法拉第定律指出：电解时，在电极上析出物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比；用相同的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出物质量与它的电化当量成正比，而析出1克当量的任何物质都需要1法拉第单位96500库仑（26.8安培小时）的电量。水电解制氢符合法拉第电解定律，即在标准状态下，阴极析出1克分子的氢气，所需电量为53.6A/h。经过换算，生产1m3氢气（副产品0.5m3氧气）所需电量约2393Ah，原料水消耗0.9kg。将水电解为氢气和氧气的过程，其电极反应为:阴极:2H2O+2e→H2↑+2OH-阳极:2OH--2e→H2O+1/2O2↑总反应:2H2O→2H2↑+O2↑由浸没在电解液中的一对电极，中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成水电解池，通以一定电压（达到水的分解电压1.23V和热平衡电压1.47V以上）的直流电，水就发生电解。根据用户产量需求，使用多组水电解池组合，减小体积和增加产量，就形成水电解槽的压滤型组合结构。本公司生产的压力型水电解槽采用左右槽并联型结构，中间极板接直流电源正极，两端极板接直流电源负极，并采用双极性极板和隔膜垫片组成多个电解池，并在槽内下部形成共用的进液口和排污口，上部形成各自的氢碱和氧碱的气液体通道。由电解槽纵向看，A、B系列的氧气出口设计在中心线靠直流铜排一侧（氧铜侧），C、D、E、F系列的氢气出口设计在中心线靠直流铜排一侧（氢铜侧）。我公司生产的压力型水电解槽，目前标准产品操作压力为1.6MPa和3.2MPa两种。具有结构紧凑，运行安全，使用寿命长的特点，电解液采用强制循环，电解消耗的原料水由柱塞泵自动补充，相关参数实现自动监测和控制。。正常生产时采用30％KOH水溶液作为电解液，槽温控制在85-90℃左右，兼顾隔膜垫片的使用寿命和降低能耗的要求。水电解制氢的电解需要低电压、大电流的可调直流电源。工业上采用带平衡电抗器的CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司3双反星可控整流电路。这种电路有两个特点：第一，整流变压器有两组次极绕组，且都接成星形，为了消除变压器的直流磁化问题，两绕组的接线极性相反。第二，为了解决变压器的两组次极绕组的电流平衡问题，两组次极绕组中点通过平衡电抗器连在一起。水电解槽六相双反星带平衡电抗器整流变压器－＋整流器排污电解液阴极阳极氢气＋电解液（阴极产出）排污电解液阳极阴极氧气＋电解液（阳极产出）2、主要技术性能指标和消耗（见附表）CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司43、工作条件3.1.电解液:30%KOH水溶液3.2.原料水:3.2.1用量见附表3.2.2水质要求:3.2.2.1电阻率≥1.0×105欧姆·厘米3.2.2.2铁离子含量1mg/L3.2.2.3氯离子含量2mg/L3.2.2.4干残渣含量7mg/L3.2.2.5悬浮物含量1mg/L3.3.冷却水3.3.1温度≤30℃3.3.2用量见附表3.3.3压力:0.4～0.6MPa3.3.4水质:自来水3.4.电源3.4.1控制柜电源:三相四线制AC380V，50HZ，功率见附表3.4.2可控硅整流柜控制电源:三相四线制AC380V，50HZ3.5.控制气源3.5.1压力:0.5～0.7MPa3.5.2流量:6m3/h3.5.3露点低于环境温度10℃以下3.5.4无油、无尘，含油量≤5mg/m34、工艺流程及子系统系统简述：电解液的在强制循环、电解槽通以直流电的条件下，氢气和氧气在电解槽产生，经过分离器气液分离后，产出的氢气和氧气源源不断送出系统（当客户对气体的纯度或露点有特别的要求时，本公司可进一步提供纯化干燥系统，以水电解氢气为原料，经催化脱氧、吸附干燥、过滤除尘等工序获得纯度较高的干燥氢气）。系统自动控制设定的系统压力、槽温、分离器液位平衡、及时补充电解所消耗的原料水。各项运行参数实现自动监测和控制。可按用户需求不同，提供气动仪表控制、电动仪表控制、PLC可编程控制、上位机控制、远程通讯等控制手段以及各类分析仪表。制氢框架集成了制氢系统运行的主要设备（如分离器、洗涤器、冷却器、过滤器、碱液泵等，以及控制和调节阀门，工况测量的在线和远传仪表）。每套制氢系统通常配备控制柜、整流柜、整流变压器以及氧中氢、氢中氧等分析仪表。CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司5V121V133V134图一：制氢系统工艺及控制简图碱液箱水箱原料V143V136V142V144V135V146补水泵PLC系统或单元调节系统变送器变送器碱液泵冷却水进入温度压力综合塔过滤器V132碱液节单元温度调氧气节单元压力调差压变送器综合塔计量流V131电解槽差压调节单元氢气差压变送器Vg03氢气出口CDEF系列制氢装置，由流程（系统）图可以看出，该装置可分为九个子系统。4.1.电解液循环系统电解液循环系统的作用是：4.1.1从电解槽带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量;4.1.2将补充的原料水送给电解槽;4.1.3对电解槽内电解反应区域进行“搅拌”，以减少浓差极化，降低电耗。该系统包括如下路线（内循环）综合塔氢气氧气碱液泵碱液过滤器综合塔流量计电解槽内循环V127V128V129V131V121┌→氢分离器┐碱液泵→碱液过滤器→电解槽┤├→(碱液泵)└→氧分离器┘CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司64.2.氢气系统氢气从电解小室的阴极一侧分解出来，借助于电解液的循环和气液比重差，在氢分离洗涤器中与电解液分离形成产品气.其路线为:┌氢气出口电解槽→氢分离器→调节阀┤└阻火器排空氢气的排空主要用于开停机期间，不正常操作或纯度不达标以及故障排空。4.3.氧气系统氧气作为水电解制氢装置的副产品具有综合利用价值.氧气系统与氢气系统有很强的对称性.装置的工作压力和槽温也都以氧侧为测试点.它包括:┌用户或储存电解槽→氧洗涤器→┤└或排空氧气的排空除与氢气排空作同样考虑外，对于不利用氧气的用户，排空是常开状态.4.4.原料水系统水电解制氢(氧)过程唯一的“原材料”是高纯水，此外氢气和氧气在离开系统时要带走少量的水分。因此，必须给系统不断补充原料水，同时通过补水还维持了电解液液位和浓度的稳定性。补充水同时从氢、氧两侧补入。原料水箱→补水泵→氢分离洗涤器→电解槽。4.5.冷却水系统水的电解过程是吸热反应，制氢过程必须供以电能，但水电解过程消耗的电能超过了水电解反应理论吸热量，超出部分主要由冷却水带走，以维持电解反应区正常的温度。电解反应区温度高，可降低能源消耗，但温度过高，石棉质的电解小室隔膜将被破坏，同时对设备长期运行带来不利。本装置要求工作温度保持在不超过90℃为最佳。此外，所生成的氢气、氧气也须冷却除湿。可控硅整流装置也设有必要的冷却管路。冷却水分三路流入系统：┌温度调节阀→碱液冷却器→出口冷却水入口┤氢（氧）气冷却器→出口┕整流柜冷却管路→排放4.6.充氮和氮气吹扫系统装置在调试运行前，要对系统充氮作气密性试验。在正常开机前也要求对系统的气相充氮吹扫，以保证氢氧两侧气相空间的气体远离可燃可爆范围。充氮口设在氢、氧分离洗涤器连通管的一侧，氮气引入后流经:CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司7┌─氢分离洗涤器→阻火器→排空充氮口┤└─氧分离洗涤器→排空4.7.排污系统由如下排污点组成：4.8.1电解槽两端排污管4.8.2碱液过滤器排污管4.8.3原料水箱排污管4.8.4碱箱排污管4.8.5氢（氧）管路排污管4.8.6氢（氧）分离器液位计排污4.8.整流系统根据法拉第定律，水电解制氢装置产品气的产量与小室电解电流成正比。额定电流见后附表。4.9.控制系统5、制氢站安装5.1.CDEF系列制氢设备布置，符合GB50177-93《氢氧站设计规范》要求一般可分为四室布置:5.1.1制氢间:放置电解槽及框架（含纯化框架）。5.1.2控制间:放置控制柜、整流柜。5.1.3辅助间:放置补水泵、碱液箱、原料水箱、无油空压机、原料水制备装置等。）5.1.4、变压器间：放置变压器。5.2.制氢间与辅助间的地板应耐碱，并设有排污下水道。5.3.制氢机与各辅助设备的液体管路以及电解槽与框架间的液体管路宜在地沟敷设，电解槽与框架间的气体管路可在空间或地沟内架设。5.4.整流柜与电解槽连接的电缆地沟最好与排污地沟分别设置，并设有地沟盖。5.5.氢氧气放空出口应分别设置在制氢间两侧，并高出房顶1.5m以上，管口应作防雨设施。5.6仪表取样气体必须用管引至室外放空。5.7.控制柜与框架折线距离不大于20m，框架与电解槽距离约2.5m，电解槽与墙的距离≥1.5m。备注：具体布置和安装根据用户实际情况并参照设计规范布置和安装。6、操作与维护6.1开机前检查6.1.1.详细检查有无金属工具杂物等异物落放在电解槽上，槽体清洁干燥、无短路和绝缘不良现象。整流柜铜排清洁干净，无接触不良和绝缘不良现象，整个工艺系统整洁，CDEF系列水电解制氢设备使用说明书苏州竞立制氢设备有限公司8稳固，排污沟畅通，槽体上部无漏雨和其它的滴漏。6.1.2.按流程图检查现场连管和安装是否正确，按照电气图检查接线是否正确规范。6.1.3.检查接地、防雷装置、气源等是否符合要求，并预先联系好保证稳定供电、供气、供水。检查原料水系统为无污染、无腐蚀材料制成，并经过严格除油、除污，阀除油除锈，一般宜为不锈钢制作。冷却水系统压力，流量能满足工艺要求并确保冷却水系统无泄漏。6.1.4.排空系统畅通，无冻结阻塞。6.1.5.检查设备仪器仪表系统安装的正确性,检查电、气接头有无松动、脱开。6.2气密性试验6.2.1.关闭制氢机所有外连阀门（V101，V102，V111，V113，V130，V133，V134，V140，V183，V184，V185，V187，V188，V189），打开制氢机内机内所有阀门。6.2.2.通过阀V140向系统充入工业纯以上氮气，压力到1.0MPa时关V101，检查系统有无泄漏，检查没泄露后升压至1.2MPa观察有无泄露，确保无泄漏后，再升压到1.68MPa检查气密情况，检查泄漏情况并消除漏点。系统保压12小时，泄漏量不超过每小时5‰为良好。6.2.3.打开V102，V113，缓缓卸压（注意：先确认V103，V114已打开，Vt01，Vt02置于放空状态）。或关V102，V113，慢慢打开V183，V184，V185利用氮气压力卸压，卸压完毕后关闭相应的阀门。6.3.清洗制氢装置调试运行前，须用原料水清洗系统内部容器和管路:6.3.1.补水泵的起动转换开关为手动停止档（联锁消除档）；6.3.2.清洗水箱、碱箱，并给原料水箱充满水；6.3.3.置所有阀门为关闭状态，然后开V143，V134，V122（V124），V123（V125），V127，V