妈湾电厂制氢加氢一体站技术创新

妈湾电厂制氢加氢一体站技术创新

谢桂祥

深圳妈湾电力有限公司 广东省 深圳市 518052

深圳妈湾电厂始建于1992年，位于深圳市南山区南头半岛,毗邻前海蛇口自贸区,现有6台300MW级燃煤发电机组，总装机容量1960MW，电厂原有一座自用制氢站，配置2套10Nm3/h中压水电解制氢设备。本项目利用电厂原有燃油泵房区域建设一座三级加氢站,日加氢能力1000kg/d，并对原有制氢站进行扩容改造，形成制氢加氢一体站。

一、项目概况

妈湾电厂制氢加氢一体站由妈湾电力有限公司投资建设，项目总投资4670万元，占地5490m2，设计日制氢能力1000kg/d，日加氢能力1000kg/d，站内储氢量973.4kg，可对35MPa氢燃料电池汽车加氢，也可对氢气管束车充氢，供氢方式主要为站内制氢，也可采用管束车供氢，涵盖了氢能利用产业链中氢气制备、储存、运输、利用四个环节。项目于2021年9月16日开工建设，2022年1月20日首次加氢试运行，2022年4月22日首次制氢试运行。

四、制氢工艺

本项目制氢站采用碱性电解水制氢技术，用30%KOH水溶液作为电解液，将水电解为氢气和氧气，其电解反应式为：

阴极:2H2O+2e→H2↑+2OH-

阳极:2OH--2e→H2O+1/2O2↑

总反应式:2H2O→2H2↑+O2↑

电解槽采用中间正极、二端负极的供电方式，气液从电解槽两端引出（引出管路无电位差），在碱液循环泵及气体升力的作用下进入制氢框架内的氢(氧)分离器，在重力的作用下进行气液分离，分离出氢(氧)气经气体冷却器冷却至30℃~40℃。再经气体捕滴器将游离水去除，在薄膜调节阀的作用下升至额定压力后，送到下道工序。在氢、氧分离器下部的电解液先混合后，由碱液循环泵抽出，经碱液过滤器（滤出电解液中的机械杂质），碱液冷却器（将H2O分解产生的热量由冷却水带走，保证电解槽恒定的工作温度），又回到电解槽，完成电解液的循环。

五、系统配置

1、制氢站利用电厂原自用制氢站升级改造，产能扩大50倍，配置如下设备：

拆除原有2套10Nm3/h水电解制氢设备，新建凯豪达500Nm3/h的中压水电解制氢装置2套。

13.9 m³1.6MPa储氢罐5个，有效储氢量100.5kg。

1.6MPa汇流排1套。

2、加氢站利用原有燃油泵房改建，不新增建筑物，配置如下设备：

中鼎20MPa500Nm3/h@1.2MPa隔膜式氢气压缩机2台。

中鼎45MPa500Nm3/h@12.5MPa隔膜式氢气压缩机1台。

豪顿45MPa500Nm3/h@12.5MPa隔膜式氢气压缩机1台。

中集安瑞科20MPa储氢瓶组1台，容积9*2.35m3，有效储氢量295.4kg。

中集安瑞科45MPa储氢瓶组4台，容积分别为4*1m3、4*1m3、6*1m3和6*1m3，组成1套三级储氢瓶组，分配比例为低8：中6：高6，有效储氢量577.5kg。

舜华35MPa双线双枪双计量加氢机3台，加氢流量0.18-3.5kgH2/min，每台加氢机配备TK16和TK25加氢枪各1把。

舜华20MPa单系统双软管卸氢柱1台。

舜华20MPa单系统双软管氢气充装柱1台。

20MPa氢气减压汇流排1套。

3、公用工程配置如下设备：

250m3/h循环冷却水系统1套，用于制氢系统冷却。

制冷量148kw冷冻水装置2套，用于4台氢气压缩机冷却。

制冷量96KW冷冻水装置1套，47KW冷冻水装置1套，用于加氢预冷。

氮气汇流排2套，用于控制系统用气和设备吹扫用气。

4、预留70MPa氢气加注系统设备如下：

87.5MPa200Nm3/h@32.5MPa氢气压缩机1台。

1m387.5MPa储氢罐1个，有效储氢量47kg。

70MPa单线单计量加氢机1台。

制冷量50kw加氢预冷装置1套。

六、服务功能

制氢加氢一体站具备如下服务功能：

1、通过加氢机对氢燃料电池汽车加氢。

2、通过管道向南海油脂工业（赤湾）有限公司供氢。

3、通过管道向妈湾电厂发电机组供氢。

4、通过氢气充装柱向20MPa氢气管束车充氢。

5、通过卸氢柱从20MPa氢气管束车卸氢，实现外购氢源向站内供氢。

七、应用场景

1、深圳西部港区氢燃料电池集装箱重卡车辆加氢。

2、前海蛇口自贸区氢能源公交示范项目氢燃料电池大巴车辆加氢。

3、深圳及周边氢燃料电池物流车辆加氢。

4、深圳氢燃料电池垃圾清运车辆加氢。

5、南海油脂工业（赤湾）有限公司食品生产用氢。

6、妈湾电厂发电机组冷却用氢。

7、氢气管束车对外供氢。

八、技术创新

本项目作为集团首批科技创新投资项目，在实施过程中重点研究并落实了氢能利用各环节核心技术国产化、深圳产化，在确保安全的前提下积极采用新技术、新工艺、新材料，项目实施中进行了多项技术创新。

1、大容量低能耗中压碱性水电解制氢装置

选用深圳市凯豪达氢能源有限公司生产的中压碱性水电解制氢装置，单台额定产氢量500Nm

3/h，可实现20-110%连续调节，电解槽配置NiFe合金复合材料3D析氧电极，电极采用三维互穿多孔结构设计，高孔隙率，可大大提高电解电极的体积效率，从而提高电解槽产氢效率。小室平均电压1.9V，电流密度3000A/m2，直流能耗小于4.5kwh/Nm3。

2、高纯度低杂质氢气产出品质

制氢车间配备电解槽、制氢框架、纯化框架，电解槽内电解产生的氢气，经制氢框架气液分离，再经过氢气冷却器冷却、捕滴除水，然后进入氢气纯化框架进一步提纯，纯化装置利用催化反应和分子筛吸附的原理去除氢气中的氧气、水以及其他杂质。纯化后的氢气纯度高于99.999%（摩尔分数），含水量低于5µmol/mol，即5ppm，露点温度低于-65℃。氢气指标满足《GB/T 37244-2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料-氢气》的要求，满足《GB 31633-2014 食品安全国家标准 食品添加剂 氢气》的要求。

3、制氢装置零排放无污染

制氢框架和纯化框架运行中的冷凝水(内含少量氢氧化钾溶液)不直接排放，经气水分离后回流至原料水箱，重复利用，实现制氢装置无碱液排放、无污染。

4、制氢加氢一体化DCS控制

一体站制氢、储氢、加氢系统采用DCS集中控制，选用上海新华XDC800系统，控制室位于加氢站，实现制氢站无人值守。值班控制室设计于防爆区域之外，有利于安全管理。

5、制氢车间集约化紧凑布局

在原2套10Nm3/h水电解设备的400m2制氢车间内，安装2套500Nm3/h的制氢设备，增加氢气纯化装置，产能扩大50倍，实现制氢车间集约化紧凑布置。车间厂房高度由原来的6m加高至7.6m，原钢筋混凝土屋面改造为卸爆轻钢金属屋面，并设置良好的自然和强制通风系统。

6、氢气压缩机双品牌配置

加氢站配置隔膜式氢气压缩机4台，其中20MPa压缩机国产设备较成熟，运行较稳定，所以选用了中鼎恒盛气体设备（芜湖）有限公司生产的两级双膜头氢气压缩机。45MPa压缩机进口品牌应用较多，国产品牌尚处于起步阶段，为保障一体站运行可靠性，所以选用了中鼎恒盛气体设备（芜湖）有限公司和豪顿华工程有限公司生产的单级单膜头氢气压缩机各1台。

7、多功能云平台运营监控管理

一体站选用塑云科技（深圳）有限公司开发的制氢加氢一体站数字化运营监控管理云平台，实现全站设备物联网数据采集联动，以安全监控为核心，高效运营为重点，24h监控设备状态，实现一体站安全、可靠、高效、低成本运营。主要功能模块包括：

数字可视化分析大屏：以100英寸大屏幕为展示载体，将实时业务数据进行可视化呈现，助力管理人员宏观、全面掌握一体站总体运营状况。

安全监控：通过数据采集，实时监控各设备的运行状态及参数，如有设备异常，及时发出预警信息，以便值班人员尽快消除设备安全隐患。

销售管理：通过车牌识别、IC卡管理、客户管理，实现车辆进站、加氢、计费、扣款的全流程管理，并可按周期自动生成客户对账单，提高运营效率。

运营管理：通过人员排班管理，可实现每天的排班任务设置，自动统计班次内的销售数据、设备表底信息，实现快速交接班对账，减少交接班对运营的影响。

妈湾电厂制氢加氢一体站项目列入《深圳市氢能产业发展规划（2021-2025年）》，是深圳市首批氢能利用项目，是深圳市首座商业运营制氢加氢一体站，也是深圳市首座商业运营加氢站。本项目涵盖了氢能利用产业链中氢气制备、储存、运输、利用四个环节，旨在打造深圳市氢能利用产业氢气制、储、运、用项目示范工程，为推进深圳市氢能产业发展做出贡献。