電廠中的氫氣

氫氣的高導熱性和最低密度的特性使其成為高容量渦輪發生器（TG）的理想冷卻介質。由于氣體密度最低，它提高了渦輪發生器的效率，與空氣冷卻的渦輪發生器相比，減少了風阻損失。全世界近70%的60兆瓦以上的渦輪發生器是氫氣冷卻的。

氫氣所帶來的挑戰是什么？

1. 氫氣的物理特性

氫氣是一種無色、無臭、無味和高度可燃的氣體。只有通過氣體傳感器才能檢測到它的存在。

2. 可燃性和爆炸性

氫氣是高度可燃的，當氫氣濃度為4%至75%時，與空氣接觸會自動點燃。泄漏到空氣中的氫氣可能會自燃。氫氣的火是非常熱的，看不見的，因此會導致嚴重的意外燒傷。在最佳燃燒條件下（氫氣與空氣的體積比為29%），啟動氫氣燃燒所需的能量遠遠低于其他普通燃料所需的能量。

氫氣泄漏到封閉空間和不通風的地方，會很快造成爆炸的危險。

3. 事故的典型原因

氫氣相關事故的原因與其他可燃氣體相關事故的原因相似。人為錯誤，或忽略了按照規定的安全做法進行氣體處理操作，導致了大多數事故。

氫氣是一種非常小的分子，粘度低，因此容易泄漏。除非使用致密的金屬形式，如鍛件或殺傷鋼，否則氫氣作為最小的分子，會從罐子和氣瓶中滲透出來。很多金屬由于長期與氫氣接觸而脆化，導致金屬疲勞而失效。因此，設備設計考慮不充分會導致故障和事故的發生。

氫氣是如何輸送到TG的？

1. 商業來源的氣瓶

這是迄今為止發電廠最常見的氫氣輸送方法之一，但它充滿了挑戰，如氫氣純度較低，氫氣中存在水分，這反過來又會導致繞組的腐蝕，從而降低設備的壽命。另一個主要挑戰是鋼瓶的可用性，因此發電廠在現場保持大量的氫氣鋼瓶庫存，以應對任何供應鏈的中斷。

正如美國能源部事故報告網站所報告的那樣，很多與氫氣意外釋放有關的事故都是由于加注連接不當或設備故障而發生的（請參見附件中2008年美國某電廠氫氣爆炸的照片）。螺紋接頭的連接和斷開的數量增加了氫氣泄漏和安全故障的可能性。根據國際公約，所有可燃氣體的接頭都是反螺紋的。很多氫氣用戶被發現使用錯誤的螺紋鋼瓶，導致了災難性的后果。

2. 現場氫氣生成器

由于從外部供應商那里獲得氫氣的挑戰，現場制氫已繼續在發電廠中獲得認可。有很多現場制氫的技術，包括從水中提取氫氣，從碳氫化合物中提取氫氣，如甲醇或天然氣。

由于發電廠所需的氫氣量非常小，因此最好采用水電解制氫機。由于設備的成本相對較低，尺寸更小，操作和維護相對簡單，利用電解水制氫已成為一種首選模式。

比較各種水電解技術中的安全問題

1. 單極水電解制氫機

這種技術是水電解的原始方法，目前仍在發電廠中使用。單極水電解器使用封閉的頂部低壓槽來產生氫氣。使用的電解質是DM水和苛性堿溶液。這種設備帶來的安全挑戰是

a. 處理危險化學品，如氫氧化鉀。

b. 操作員暴露在煙霧和高溫工作條件下。

c. 由于機械設計不良導致的氫氣泄漏。

d. 由于分離器質量不穩定，氫氧混合的風險較大。

e. 氫氣的主要產生者是浮在水面上的氣瓶。機械限位開關的故障可能導致井噴。

f. 由于兩級壓縮系統，風險增加。

g. KOH（苛性堿）的痕跡很有可能與氫氣一起攜帶，從而導致壓縮機、氣缸以及TG內部的腐蝕故障。

2. 雙極水電解法 堿性（液體）電解質

雙極水電解器由于其相對較小的尺寸，正在繼續替換舊的單極技術電解器。然而，這種技術帶來了以下安全問題。

a. 危險的電解質化學品

基于堿性的雙極水電解仍然需要使用液體堿性電解質，如氫氧化鉀（KOH）等危險化學品。由于每隔幾個月就需要更換或添加電解液堿液，操作人員會接觸到這些化學品。

b. 淤泥的形成

在系統中循環的液體電解質需要不斷監測其比重，以確保沒有淤泥形成。污泥的形成反過來又導致電解槽的低效運行，并增加對產生相同數量產品氫氣的功率要求。它還會導致更高的操作溫度，這反過來又造成了一個非常不安全的條件。

c. 平衡壓力的氫氣和氧氣生產

水電解通過將水（H2O）分裂成H2和O2分子而從水中產生氫氣。氫氣和氧氣在類似的工藝壓力下產生，因此必須采取外部監測措施，以防止氫氣和氧氣的混合。氧氣分析儀監測氫氣流，氫氣分析儀監測氧氣流的不安全水平，從而發出停機信號。然而，分析儀本身的壽命是有限的，不能相信它能提供萬無一失的安全。在可使用的壽命結束時不更換傳感器會導致災難性的事故。

d. 二區分類

雙極堿性電解器，由于其技術和內部含有氫氣和氧氣的體積，造成了危險區域的分類，因此，安裝在其附近的所有其他設備都必須適合危險區域的安裝。使用普通的電氣和電子儀器或部件將導致不安全的操作條件。

e. 石棉膜片

用于分離氫氣和氧氣的隔膜通常是石棉，這是一種已知的致癌物。

f. 依靠分析儀、氣體泄漏檢測器和PLC進行安全操作

純度分析儀監測氫氣和氧氣流中的不安全氣體水平，并輔以氣體泄漏檢測器，以檢測電解槽區域的任何氫氣泄漏。帶有過期傳感器的監測器/分析器是一種自我否定的安全機制，完全依賴于人為干預和糾正措施。負責安全的PLC本身發生故障或程序被破壞時，需要一個監督的熱冗余PLC。

美國Proton OnSite - HOGEN公司是如何做到的？SPE技術雙極水電解如何解決安全問題？

HOGEN? SPE（固體聚合物電解質）技術是雙極技術的一個進步，其中堿性電解質被涂有電解質的固定膜所替換。HOGEN? 融合了很多安全特性，包括：

1. 固體聚合物電解質 ? 無腐蝕性，對人體安全無害。固體電解質既不會循環，也不會被消耗，從而使電解池的功能壽命超過10年。(請參閱附件中的固體膜照片）。

2. 壓差設計？這個關鍵的設計是將氧氣和氫氣保持在不同的壓力下，確保在物理上，氧氣不能夾帶氫氣流。這確保了安全，不需要外部監測。

3. 不使用石棉。隔膜（或質子交換膜）是一種商業化的產品，也用于氫燃料電池，觸摸起來是安全的，可供人類使用。

4. 硬連接的雙冗余獨立安全電路獨立于控制設備運行的PLC或微處理器。

5. 稀釋吹掃空氣不允許氫氣濃度接近不安全水平。

6.  氫氣裝置不會使區域分類變為危險，因此適合安裝在正常通風良好的工業空間。

7.  通過使用固定管道分配氫氣，消除了TG中日常補氫的鋼瓶處理。