电解水制氢是一种清洁、高效、可持续的制氢 技术，其制氢工艺简单，氢气纯度可达 99.999%， 产品纯度高。电解水制氢不受电厂周边有无可靠、合格外购氢气条件的限制，设备寿命期内制氢成本 低，已普遍应用于燃煤电厂、燃气电厂和核电厂， 为这些电厂的氢冷发电机持续提供可靠且满足发电 机纯度、湿度要求及用量的氢气。
为了缓解传统能源短缺和环境污染问题的加剧，国内正在陆续建设一批规模化的风力发电厂、太阳能光伏发电厂和太阳能光热发电厂。这些可 再生能源发电厂配套的氢能一体化项目规模大，氢气纯度要求高，电解水制氢技术在大规模制氢中是 潜力，也是成熟的技术之一。
1、电解水制氢技术简介
电解水制氢技术是以除盐水为原料，借助直流 电的作用，将水分解为氢气和氧气的电化学过程。根据电解槽种类的不同，电解水制氢主要分为碱性电解水制氢、PEM 质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢三种技术。由于PEM 质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽造价相对较高，应用实例相对较少，加上碱性电解水制氢的槽体结构简单、易于操作、价格相对 便宜且技术成熟，目前在传统电厂应用的是碱性电解水制氢。碱性电解水制氢技术安全可靠、运行寿命长、经济性能好，也比较适合应用于可再 生能源发电厂配套的大规模氢能项目。因此，本文中的电解水制氢是指碱性电解水制氢技术。
2、电解水制氢设计相关规定
由于电解水制氢产生的氢气属于甲类可燃气体，制氢站的生产火灾危险性类别为甲类，制氢站的设计应严格执行下列标准、规范的相关规定：
1）《氢气站设计规范》（GB 50177－2005），该标准对氢站的总平面布置、工艺系统、设备选 择、工艺布置、建筑结构、电气及仪表控制、防 雷接地、给水排水及消防、采暖通风、氢气管道、阀门等相关设计都作了详细的规定，其中以黑体 字标志的条文为强制性条文，在设计时必须严格 执行。
2）《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058－2014），制氢站内有爆炸危险房间或区域的等级定义应符合该标准的规定，爆炸危险等级区域的划分应符合《氢气站设计规范》（GB 50177－ 2005） 中附录A 的规定。
3）《建筑设计防火规范》（GB 50016－2014），制氢站内有爆炸危险房间应执行该标准的规定，设 置泄压设施。
4）《石油化工企业设计防火规范》（GB50160－2008） 中关于输送可燃气体的压缩机设计的相关规定。
5）《氢气使用安全技术规程》（GB 4962－2008）， 该标准规定了氢气在使用、置换、储存、压缩与充 （灌） 装、排放过程以及消防与紧急情况处理、安全防护方面的安全技术要求。
6）《发电厂化学设计规范》（DL 5068－2014）中关于制氢站设计的相关规定。
7）《氢冷发电机氢气湿度技术要求》（DL/T651－2017） 中关于氢气湿度技术要求和氢气干燥器设计的相关规定。
8）《电力建设施工技术规范 第6 部分：水处理及制氢设备和系统》（DL 5190.6－2012） 中关于制氢设备的相关规定。
9） 《电力建设施工质量验收及评价规程 第6 部分：水处理及制氢设备和系统》（DL ∕T 5210.6－ 2009） 中关于制氢设备的相关规定。
10） 《氧气站设计规范》（GB 50030－2013） 中关于氧气设计的相关规定。
3、电解水制氢在传统电厂中的设计
本文以某2×660 MW 机组燃煤电厂为例，来阐述其电解水制氢系统设计方案。
3. 1 基础数据
1） 发电机充氢容积：120 Nｍ。
2） 发电机漏氢量：≤16 Nｍ/24 h。
3） 发电机运行氢压：0.5 MPa （g）。
4） 氢气供应出口压力：0.8 MPa。
5） 补氢纯度：≥99.9%。
6） 补氢湿度：露点温度≤-50 ℃。
3. 2 工艺系统方案
《发电厂化学设计规范》（DL 5068－2014） 规定：制氢设备的总容量，宜按全部氢冷发电机的正常消耗量以及能在7 天时间积累起大一台氢冷发电机的一次启动充氢量之和设计。
根据此标准规定及基础数据，制氢设备出力计算如下：
2 台发电机 7 天正常氢气消耗量：16×7×2=224（Nｍ）。
1 台发电机置换氢气系统所需氢气量：120×3=360（Nｍ）。
1 台发电机充氢至运行氢压所需氢气量：120×5=600（Nｍ）。
1 台发电机一次启动的充氢量：360+600=960（Nｍ）。
2×660 MW 机组制氢设备出力：（224+960） ÷7÷24=7.1（Nｍ/h）。
基于以上计算结果，该电厂电解水制氢站主要设备配置方案：
1） 配置 1 套 10 Nｍ/h 的电解水制氢装置及附属设备，包括电解槽、氢分离器、氧分离器、氢洗涤器、氢冷却器、氢气水分离器、氢排水器、脱氧干燥/纯化器、碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器等。
2） 配置 1 套电解水制氢辅助设备，包括碱液箱、除盐水补水箱、补水泵等。
3） 配置 1 台流量为 10 Nｍ /h， 出口压力为3.2 MPa 的氢气压缩机；配置1 台氢气缓冲罐。
4） 配置 4 台标准水容积为 13.9 m3，充氢压力为3.2 MPa 的氢气贮存罐。
5） 配置1 套氢气分配盘，进口压力为3.2 MPa，出口压力为0.8 MPa。
6） 配置1 台气动阀门用压缩空气贮存罐。
7） 配置1 套氮气瓶组。
8） 配置在线分析仪器，包括氢气检漏仪、氢气露点仪、氢中氧分析仪和氧中氢分析仪；配置压力表、压力变送器、液位计和温度计等仪表。
9） 配置配电柜、整流柜、制氢控制柜和DCS控制柜等电控设备。
3. 3 设备布置
电解水制氢站总占地约 33 m×37 m，周围设有不低于 2.5 m 的实体围墙，围墙内分为电解水制氢车间和贮存罐区。电解水制氢车间与贮存罐区间隔16 m，满足规范所要求的安全距离。
电解水制氢车间包括电解间、辅助间、压缩间、配电间和控制间，电解水制氢装置及附属设备、氮气瓶组布置在电解间，电解水制氢辅助设备布置在辅助间，氢气压缩机、氢气缓冲罐和氢气分配盘布置在压缩间，配电柜和整流柜布置在配电间， 制氢控制柜和 DCS 控制柜布置在控制间。氢气贮存罐和压缩空气贮存罐布置在室外贮存罐区。
4、电解水制氢在氢能项目中的设计
本文以某300 MW 风力发电及太阳光伏发电厂为例，来阐述其配套氢能一体化项目电解水制氢系统设计方案。
4. 1 基础数据
1） 电解水制氢规模：30 MW。
2） 氢气贮存量：11 100 Nｍ。
3） 氢气供应出口压力：20 MPa。
4） 氢气纯度：≥99.999%。
5） 氢气湿度：露点温度≤-50 ℃。
6） 氢气中氧含量：≤5 ppm （体积浓度）。
4. 2工艺系统方案
根据以上基础数据，该风电及光伏发电厂氢能项目电解水制氢站主要设备配置方案：
1） 配置6 套1 000 Nｍ/h 的电解水制氢装置及附属设备，每套包括电解槽、氢分离器、氧分离 器、氢洗涤器、氧洗涤器、氢冷却器、氧冷却器、氢气水分离器、氧气水分离器、氢排水器、氧排水 器、脱氧干燥/纯化器、碱液循环泵、碱液冷却器、碱液过滤器等。
2） 配置3 套电解水制氢辅助设备，每2 套制氢
装置共用 1 套辅助设备， 每套辅助设备包括碱液箱、除盐水补水箱、补水泵等。
3） 配置 7 台流量为 1 000 Nｍ/h，出口压力为
20 MPa 的氢气压缩机，6 用 1 备；配置 2 台氢气缓冲罐。
4） 配置15 台标准水容积为37 m3，充氢压力为
20 MPa 的氢气鱼雷贮存罐，并配置3 辆专用鱼雷贮存罐长管拖车，用于向各加氢站和氢气用户运输高压氢气。
5） 由于风电及光伏发电厂不设置除盐水制备系统，其配套的氢能项目需在制氢站内设置除盐水制备和贮存设备，向制氢设备提供电解用原料除盐水。除盐水制备系统的水源为市政自来水，采用全膜法处理工艺。
配置3 套出力为4 t/h 的除盐水制备装置，2 用1
备；并配置1 台100 m3 除盐水箱，满足制氢设备连续运行12 h 除盐水用量。
6） 配置 1 套气动阀门用压缩空气制备和贮存装置，包括2 台空压机，1 套过滤净化装置和2 台压缩空气贮存罐。
7） 配置 3 套氮气瓶组，每 2 套制氢装置共用 1套氮气瓶组。
8） 配置在线分析仪器， 包括氢气检漏仪、氢气露点仪、氢中氧分析仪和氧中氢分析仪；配 置压力表、 压力变送器、 液位计和温度计等仪表。
9） 配置变压器、整流柜、制氢控制柜和DCS控制柜等电控设备。
4. 3 设备布置
电解水制氢站总占地约 129 m×103 m，周围设有不低于 2.5 m 的实体围墙，围墙内分为电解水制氢车间和长管拖车充装站。
电解水制氢车间与长管拖车充装站间隔 40 m， 满足规范所要求的安全距离。电解水制氢车间包括电解间、辅助间、压缩间、氮气瓶间、除盐水制备间、空压机间、变压器间、整流柜间和控制间，电解水制氢装置及附属设备布置在电解间，电解水制氢辅助设备布置在辅助间，氢气压缩机和氢气缓冲罐布置在压缩间，氮气瓶组布置在氮气瓶间，除盐水制备和贮存设备布置在除盐水制备间，压缩空气制备和贮存装置布置在空压机间，变压器布置在变压器间，整流柜布置在整流柜间， 制氢控制柜和 DCS 控制柜布置在控制间。
氢气鱼雷贮存罐每 5 罐为 1 组，按车位顺序依次停放在3 个长管拖车充装站内，长管拖车充装站为敞开式建筑，上部设有顶棚。
5 、结 论
碱性电解水制氢技术的槽体结构简单、易于操作、价格便宜且技术成熟，已普遍应用于燃煤电 厂、燃气电厂和核电厂的氢冷发电机补氢。这些传 统电厂设置的电解水制氢装置设计出力一般为 10 Nｍ/h，配套设置相应贮氢容量的氢气贮存罐， 能为电厂氢冷发电机持续提供可靠且满足发电机纯 度、湿度要求及用量的氢气。
碱性电解水制氢技术安全可靠、运行寿命长、经济性能好， 在大规模制氢中是潜力， 也是成熟的技术之一， 比较适合应用于风力、太阳能光伏、太阳能光热等可再生能源发电厂配 套的氢能一体化项目。这些大规模氢能项目设置 的电解水制氢装置设计出力一般为 1 000 Nｍ/h， 配套设置相应贮氢容量的氢气鱼雷贮存罐和专用 鱼雷贮存罐长管拖车，能为各加氢站和氢气用户 持续提供可靠且满足纯度、湿度要求及用量的氢气。
