電解水制氫是一種清潔、高效、可持續的制氫 技術，其制氫工藝簡單，氫氣純度可達 99.999%， 產品純度高。電解水制氫不受電廠周邊有無可靠、合格外購氫氣條件的限制，設備壽命期內制氫成本 低，已普遍應用于燃煤電廠、燃氣電廠和核電廠， 為這些電廠的氫冷發電機持續提供可靠且滿足發電 機純度、濕度要求及用量的氫氣。
為了緩解傳統能源短缺和環境污染問題的加劇，國內正在陸續建設一批規?；娘L力發電廠、太陽能光伏發電廠和太陽能光熱發電廠。這些可 再生能源發電廠配套的氫能一體化項目規模大，氫氣純度要求高，電解水制氫技術在大規模制氫中是 潛力，也是成熟的技術之一。
1、電解水制氫技術簡介
電解水制氫技術是以除鹽水為原料，借助直流 電的作用，將水分解為氫氣和氧氣的電化學過程。根據電解槽種類的不同，電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、PEM 質子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫三種技術。由于PEM 質子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽造價相對較高，應用實例相對較少，加上堿性電解水制氫的槽體結構簡單、易于操作、價格相對 便宜且技術成熟，目前在傳統電廠應用的是堿性電解水制氫。堿性電解水制氫技術安全可靠、運行壽命長、經濟性能好，也比較適合應用于可再 生能源發電廠配套的大規模氫能項目。因此，本文中的電解水制氫是指堿性電解水制氫技術。
2、電解水制氫設計相關規定
由于電解水制氫產生的氫氣屬于甲類可燃氣體，制氫站的生產火災危險性類別為甲類，制氫站的設計應嚴格執行下列標準、規范的相關規定：
1）《氫氣站設計規范》（GB 50177－2005），該標準對氫站的總平面布置、工藝系統、設備選 擇、工藝布置、建筑結構、電氣及儀表控制、防 雷接地、給水排水及消防、采暖通風、氫氣管道、閥門等相關設計都作了詳細的規定，其中以黑體 字標志的條文為強制性條文，在設計時必須嚴格 執行。
2）《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB50058－2014），制氫站內有爆炸危險房間或區域的等級定義應符合該標準的規定，爆炸危險等級區域的劃分應符合《氫氣站設計規范》（GB 50177－ 2005） 中附錄A 的規定。
3）《建筑設計防火規范》（GB 50016－2014），制氫站內有爆炸危險房間應執行該標準的規定，設 置泄壓設施。
4）《石油化工企業設計防火規范》（GB50160－2008） 中關于輸送可燃氣體的壓縮機設計的相關規定。
5）《氫氣使用安全技術規程》（GB 4962－2008）， 該標準規定了氫氣在使用、置換、儲存、壓縮與充 （灌） 裝、排放過程以及消防與緊急情況處理、安全防護方面的安全技術要求。
6）《發電廠化學設計規范》（DL 5068－2014）中關于制氫站設計的相關規定。
7）《氫冷發電機氫氣濕度技術要求》（DL/T651－2017） 中關于氫氣濕度技術要求和氫氣干燥器設計的相關規定。
8）《電力建設施工技術規范 第6 部分：水處理及制氫設備和系統》（DL 5190.6－2012） 中關于制氫設備的相關規定。
9） 《電力建設施工質量驗收及評價規程 第6 部分：水處理及制氫設備和系統》（DL ∕T 5210.6－ 2009） 中關于制氫設備的相關規定。
10） 《氧氣站設計規范》（GB 50030－2013） 中關于氧氣設計的相關規定。
3、電解水制氫在傳統電廠中的設計
本文以某2×660 MW 機組燃煤電廠為例，來闡述其電解水制氫系統設計方案。
3. 1 基礎數據
1） 發電機充氫容積：120 Nｍ。
2） 發電機漏氫量：≤16 Nｍ/24 h。
3） 發電機運行氫壓：0.5 MPa （g）。
4） 氫氣供應出口壓力：0.8 MPa。
5） 補氫純度：≥99.9%。
6） 補氫濕度：露點溫度≤-50 ℃。
3. 2 工藝系統方案
《發電廠化學設計規范》（DL 5068－2014） 規定：制氫設備的總容量，宜按全部氫冷發電機的正常消耗量以及能在7 天時間積累起大一臺氫冷發電機的一次啟動充氫量之和設計。
根據此標準規定及基礎數據，制氫設備出力計算如下：
2 臺發電機 7 天正常氫氣消耗量：16×7×2=224（Nｍ）。
1 臺發電機置換氫氣系統所需氫氣量：120×3=360（Nｍ）。
1 臺發電機充氫至運行氫壓所需氫氣量：120×5=600（Nｍ）。
1 臺發電機一次啟動的充氫量：360+600=960（Nｍ）。
2×660 MW 機組制氫設備出力：（224+960） ÷7÷24=7.1（Nｍ/h）。
基于以上計算結果，該電廠電解水制氫站主要設備配置方案：
1） 配置 1 套 10 Nｍ/h 的電解水制氫裝置及附屬設備，包括電解槽、氫分離器、氧分離器、氫洗滌器、氫冷卻器、氫氣水分離器、氫排水器、脫氧干燥/純化器、堿液循環泵、堿液冷卻器、堿液過濾器等。
2） 配置 1 套電解水制氫輔助設備，包括堿液箱、除鹽水補水箱、補水泵等。
3） 配置 1 臺流量為 10 Nｍ /h， 出口壓力為3.2 MPa 的氫氣壓縮機；配置1 臺氫氣緩沖罐。
4） 配置 4 臺標準水容積為 13.9 m3，充氫壓力為3.2 MPa 的氫氣貯存罐。
5） 配置1 套氫氣分配盤，進口壓力為3.2 MPa，出口壓力為0.8 MPa。
6） 配置1 臺氣動閥門用壓縮空氣貯存罐。
7） 配置1 套氮氣瓶組。
8） 配置在線分析儀器，包括氫氣檢漏儀、氫氣露點儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀；配置壓力表、壓力變送器、液位計和溫度計等儀表。
9） 配置配電柜、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設備。
3. 3 設備布置
電解水制氫站總占地約 33 m×37 m，周圍設有不低于 2.5 m 的實體圍墻，圍墻內分為電解水制氫車間和貯存罐區。電解水制氫車間與貯存罐區間隔16 m，滿足規范所要求的安全距離。
電解水制氫車間包括電解間、輔助間、壓縮間、配電間和控制間，電解水制氫裝置及附屬設備、氮氣瓶組布置在電解間，電解水制氫輔助設備布置在輔助間，氫氣壓縮機、氫氣緩沖罐和氫氣分配盤布置在壓縮間，配電柜和整流柜布置在配電間， 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。氫氣貯存罐和壓縮空氣貯存罐布置在室外貯存罐區。
4、電解水制氫在氫能項目中的設計
本文以某300 MW 風力發電及太陽光伏發電廠為例，來闡述其配套氫能一體化項目電解水制氫系統設計方案。
4. 1 基礎數據
1） 電解水制氫規模：30 MW。
2） 氫氣貯存量：11 100 Nｍ。
3） 氫氣供應出口壓力：20 MPa。
4） 氫氣純度：≥99.999%。
5） 氫氣濕度：露點溫度≤-50 ℃。
6） 氫氣中氧含量：≤5 ppm （體積濃度）。
4. 2工藝系統方案
根據以上基礎數據，該風電及光伏發電廠氫能項目電解水制氫站主要設備配置方案：
1） 配置6 套1 000 Nｍ/h 的電解水制氫裝置及附屬設備，每套包括電解槽、氫分離器、氧分離 器、氫洗滌器、氧洗滌器、氫冷卻器、氧冷卻器、氫氣水分離器、氧氣水分離器、氫排水器、氧排水 器、脫氧干燥/純化器、堿液循環泵、堿液冷卻器、堿液過濾器等。
2） 配置3 套電解水制氫輔助設備，每2 套制氫
裝置共用 1 套輔助設備， 每套輔助設備包括堿液箱、除鹽水補水箱、補水泵等。
3） 配置 7 臺流量為 1 000 Nｍ/h，出口壓力為
20 MPa 的氫氣壓縮機，6 用 1 備；配置 2 臺氫氣緩沖罐。
4） 配置15 臺標準水容積為37 m3，充氫壓力為
20 MPa 的氫氣魚雷貯存罐，并配置3 輛專用魚雷貯存罐長管拖車，用于向各加氫站和氫氣用戶運輸高壓氫氣。
5） 由于風電及光伏發電廠不設置除鹽水制備系統，其配套的氫能項目需在制氫站內設置除鹽水制備和貯存設備，向制氫設備提供電解用原料除鹽水。除鹽水制備系統的水源為市政自來水，采用全膜法處理工藝。
配置3 套出力為4 t/h 的除鹽水制備裝置，2 用1
備；并配置1 臺100 m3 除鹽水箱，滿足制氫設備連續運行12 h 除鹽水用量。
6） 配置 1 套氣動閥門用壓縮空氣制備和貯存裝置，包括2 臺空壓機，1 套過濾凈化裝置和2 臺壓縮空氣貯存罐。
7） 配置 3 套氮氣瓶組，每 2 套制氫裝置共用 1套氮氣瓶組。
8） 配置在線分析儀器， 包括氫氣檢漏儀、氫氣露點儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀；配 置壓力表、 壓力變送器、 液位計和溫度計等儀表。
9） 配置變壓器、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設備。
4. 3 設備布置
電解水制氫站總占地約 129 m×103 m，周圍設有不低于 2.5 m 的實體圍墻，圍墻內分為電解水制氫車間和長管拖車充裝站。
電解水制氫車間與長管拖車充裝站間隔 40 m， 滿足規范所要求的安全距離。電解水制氫車間包括電解間、輔助間、壓縮間、氮氣瓶間、除鹽水制備間、空壓機間、變壓器間、整流柜間和控制間，電解水制氫裝置及附屬設備布置在電解間，電解水制氫輔助設備布置在輔助間，氫氣壓縮機和氫氣緩沖罐布置在壓縮間，氮氣瓶組布置在氮氣瓶間，除鹽水制備和貯存設備布置在除鹽水制備間，壓縮空氣制備和貯存裝置布置在空壓機間，變壓器布置在變壓器間，整流柜布置在整流柜間， 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。
氫氣魚雷貯存罐每 5 罐為 1 組，按車位順序依次停放在3 個長管拖車充裝站內，長管拖車充裝站為敞開式建筑，上部設有頂棚。
5 、結 論
堿性電解水制氫技術的槽體結構簡單、易于操作、價格便宜且技術成熟，已普遍應用于燃煤電 廠、燃氣電廠和核電廠的氫冷發電機補氫。這些傳 統電廠設置的電解水制氫裝置設計出力一般為 10 Nｍ/h，配套設置相應貯氫容量的氫氣貯存罐， 能為電廠氫冷發電機持續提供可靠且滿足發電機純 度、濕度要求及用量的氫氣。
堿性電解水制氫技術安全可靠、運行壽命長、經濟性能好， 在大規模制氫中是潛力， 也是成熟的技術之一， 比較適合應用于風力、太陽能光伏、太陽能光熱等可再生能源發電廠配 套的氫能一體化項目。這些大規模氫能項目設置 的電解水制氫裝置設計出力一般為 1 000 Nｍ/h， 配套設置相應貯氫容量的氫氣魚雷貯存罐和專用 魚雷貯存罐長管拖車，能為各加氫站和氫氣用戶 持續提供可靠且滿足純度、濕度要求及用量的氫氣。
