核电站采用外购氢气与自制氢气的优劣分析

冯志明李小磊

摘要：目前国内大多数大功率的发电机基本上采用水氢氢冷却方式,即用水冷却发电机定子线棒,氢气冷却发电机定子铁芯和转子。但氢气的缺点是渗透性强,容易从设备中泄漏出来,其次是氢气与氧气、空气混合后的爆炸范围广,有爆炸危险，所以对于电厂来说，氢气的使用是效益与风险并存的。现我们从工艺流程，系统成本以及安全方面对外购氢气与自制氢气系统的优劣进行比较，文中主要以福建福清3、4号机组与海南昌江1、2号机组的供氢系统为例进行分析。

关键词：核电站；氢气系统；安全

氢气系统作为核电厂气体系统的重要组成部分，对核电厂安全稳定运行起着至关重要的作用。现下文就是根据福清3、4号机组（外购氢气）与海南昌江1、2号机组（自制氢气）为例，从工艺流程、系统成本以及安全方面对这两种供氢方式进行分析。

1、氢气供应系统的类型与现状

目前国内大型电厂（包括火电厂、核电站等）主要的供氢方式有两种。①.外购氢气：外购氢气主要是通过采购外来氢气，然后充注至电厂的贮存区域，待下游用户需要使用时直接输送至用户即可。②.自制氢气：自制氢气主要是电厂采购制氢设备，由电厂自己生产氢气以满足电厂的运行需要。第一种方式对外部依赖较大，有一定的运输成本，但是系统比较简单，日常维护较少；第二种对外部依赖较少，基本不存在运输成本问题，但是系统对工艺要求相对复杂，日常运行维护水平较高。

下面是列举了一些目前国内部分核电站氢气系统的供应模式：

表1国内部分核电站的氢气供应方式

由上表可知，我国目前核电站氢气的供应方式外购和自制的都有采用，现我们根据实际情况对这两种方式进行分析。

2、方案分析

2.1工艺流程对比

（1）外购氢气主要是从专门生产氢气的厂家进行采购，然后运输至现场充注至现场的氢气储罐，待下游用户需要使用氢气，直接输送至下游即可。这种供氢方式工艺流程简单，操作方便。但是在进行氢气充注的过程中需要防止氢气泄漏带来的风险。

按福清3、4号机组设计，现场安装有4个40m3氢气储罐，将4个氢气储罐充注至正常备用状态（运行压力为3.0MPa）正常需要4小时左右。

（2）自制氢气是通过电站自己采购制氢设备，电解水方式制氢。

电解流程如下：

①碱性条件下：

阴极4H2O+4e¯=2H2↑+4O¯

阳极4OH¯-4e¯=2H2O+O2↑

总反应：4H2O=2H2↑+O2↑

②酸性条件：

阳极2H2O-4e¯=O2↑+4H+

阴极4H++4e¯=2H2↑

通过化学反应分生产出氢气，然后储存至现场的氢气储罐进行备用，待下游用户需要使用氢气，直接输送至下游即可。这种方式工艺流程较为复杂，并且制氢持续时间较长，中途需要有人值守巡检，所以对人工成本有一定的要求。

2.2系统成本

2.1.1设备成本

（1）外购氢气供氢系统主要的设备组成如下

表2外购氢气系统主要设备组

(2)自制氢气供氢系统主要设备组成如下

表3外购氢气系统主要设备组成

以上就是两种供氢方式的主要设备组成。

表4经济成本

从上面对比可以看出，首先设备采购方面，自制氢气比外购氢气的设备复杂很多，这就导致设备采购成本相对较高，但是在后期系统运行方面，自制氢气的运行成本比外购氢气的运行成本低很多，所以从长远来看，自制氢气的的成本更低。

2．3安全性能分析

氢气的缺点是渗透性强,容易从设备中泄漏出来,其次是氢气与氧气、空气混合后的爆炸范围广(空气中氢的爆炸范围是氢含量4%～75%),有爆炸危险，所以对于电厂来说，氢气的使用是效益与风险并存的。所以氢气对厂房的设计要求、位置以及痛风效果都有严格的要求。

（1）外购氢气

由于设备比较简单（主要就是4个氢气储罐、氢气分配集流装置以及就地控制柜）所以占地面积较小，可控性也很强。以福清3、4号为例，厂房采用顶棚悬空，四面通透的设计，这样就保证了厂房的充

分通风效果，在保证了安全性的同时，还节约了建设成本。但是由于氢气的来源是采用外购，所以在氢气充注作业过程中需要注意氢气泄漏带来的安全隐患。

（2）自制氢气；

①由于自制氢气设备较为复杂，设备数量也较多，所以占地面积相对外购氢气系统的占地面积大了许多，可控性相对较小。

②由于制氢设备、整流器、控制柜属于电气设备，所以对厂房要求较高，不可能采取顶棚悬空的设计。但是在系统运行时就会带电运行，一旦出现氢气泄漏，这些电气设备就是一个重大安全隐患。

3、结语

综上所述，外购氢气系统工艺运行相对简单，设备采购成本较低，如果电厂附件有稳定的气源，而运输成本较低，则可以考虑采用外购的方式为电厂提供氢气。但是结合电解制氢方案符合核电站用氢量大的特点，不受运费及外购氢气价格波动的影响，同时长远来看运行成本更低，虽然自制氢气的安全隐患相对外购氢气的隐患更多，但是这些现在都是可以采用人为措施进行防范的。所以从外购氢气和自制氢气这两种方案来看，自制氢气的优势更明显。

参考文献：

（1）李良浩.核电站氢气供应方案选择华电技术（2014）

（2）GB50177-2005氢站设计规范