Электростанции на водородном топливе

1. Электростанции на водородном топливе Электростанции на водородном топливе на топливных элементах — новейшие технологии в электроэнергетике. Топливные элементы на водороде преобразуют водород и кислород в электроэнергию, а побочными продуктами их работы являются вода и тепловая энергия. Эта перспективная технология может иметь множество применений, особенно при раздельном производстве экологически чистой электроэнергии в местах с важными потребителями электроэнергии, такими как аэропорты, банки, информационные центры, станции поисково-спасательных служб, больницы и телекоммуникационные станции. 

Топливные элементы локального применения обеспечивают энергетическую безопасность за счет выработки высоко¬качественной электроэнергии. Барьеры для широкого внедрения технологий топливных элементов включают в себя относительно высокие начальные капитальные расходы, строгие требования к техническому обслуживанию и эксплуатации и проблемы хранения и доставки топлива. Для обеспечения широкого внедрения топливных элементов следует в первую очередь рассмотреть возможность их использования на ответственных объектах, таких как больницы и другие места, где перебои с подачей электроэнергии могут привести к серьезным последствиям. Для подобных объектов стоимость электростанции может являться не столь значимым фактором. У нас в стране практически отсутствует нормативная база по проектированию, строительству и эксплуатации электростанций на водородном топливе. Нормативная база находится в стадии разработки, её разработка продвигается очень медленно из-за недостаточности финансирования. В ряде европейских странах, в США, нормативная база давно работает и уже имеется достаточно большой опыт эксплуатации электростанций на водородном топливе. В этой связи следует более подробно сказать о конструктивных особенностях таких электростанций 2. Устройство системы на топливных элементах Система на топливных элементах представляет собой генератор постоянного тока, использующий водород в качестве топлива с номинальной выходной мощностью от 5кВт до 2000кВт, в дальнейшем по схеме электро¬снабжения постоянный ток инвертируется в переменный ток, т.е. устанавливается инвертор. Примером использования изделия мощностью 5кВт является использование его в качестве резервного источника электрического питания постоянного тока для телекоммуникационного оборудования. Рис.1 Внешний вид электростанции на топливных элементах мощностью 5кВт Система на топливных элементах состоит из модуля генерации электроэнергии и системы подачи водорода. Модуль генерации электроэнергии включает батарею топливных элементов, электронную аппаратуру поддержания заданных параметров электрического питания и вспомогательные подсистемы (Рис.2). Рис.2 Модуль генерации электроэнергии Рис. 3 Модуль хранения водорода Модуль оборудован аккумуляторными батареями, энергия которых требуется для обеспечения переходных процессов.(собственных нужд) Подача водорода к модулю генерации электроэнергии обеспечивает либо от внешней системы, либо от стандартного модуля хранения водорода, который обычно входит в комплект поставки оборудования (Рис.3). Дополнительный модуль хранения водорода представляет блок, в котором находятся несколько водородных емкостей, обычно это баллоны высокого давления, который обеспечивает необходимую регулировку давления. 3. Особенности монтажа Системы на топливных элементах пред¬назначены только для наружной установки. Заводы-изготовители систем в своих инструкциях по монтажу требуют, чтобы строительство, ввод в действие, эксплуатация и обслуживание систем выполнялось только квалифицированным персоналом, прошедшим специальную подготовку на заводе-изготовителе. Небрежности и ошибки в процессе монтажа и эксплуатации оборудования могут привести к получению тяжелых и даже опасных для жизни травм, к значительному материальному ущербу и повреждению оборудования. Система устанавливается на фундаменте, к которому предъявляются жесткие требования. Фундамент выравнивается по уровню с максимальным углом наклона монтажной поверхности не более 1 градуса. Такая точность объясняется конструктивными особенностями топливных элементов, топливный элемент должен заполняться водородом по всей поверхности элемента. Для систем с небольшой мощностью в качестве фундамента может использоваться бетонная дорожная плита, положенная на подушку из щебня. Рис. 3. Модуль хранения водорода Изделие жестко крепится на фундамен¬те с помощью анкерных болтов. С передней и задней стороны системы имеются экс¬плуатационные панели, перед которыми необходимо обеспечить свободное про¬странство шириной не менее 1 метра для ремонта и технического обслуживания Система должна быть установлена таким образом, чтобы свести к минимуму длину соединительных кабелей между модулями генерации и модулем хранения водорода. При нормальной работе генератора происходит слив воды из системы. Например, при мощности 5кВт из системы выливается целых 2 литра воды в час. В климатических условиях с отрицательными температурами, или если грунт на площадке характеризуется плохими дренажными свойствами, рекомендуется сооружать под фундаментом колодец, засыпанный гравием, под имеющимся в шкафу дренажным отверстием. При нарушении данного требования генератор может быть залит водой и поврежден. Соединительные кабели прокладываются в стальных трубах. Силовые кабели и кабели управления прокладываются в разных трубах. 4. Система заземления Системы на топливных элементах раз¬работаны с плавающим заземлением, это изделия с маркировкой «FG», и с системой заземления TN-C-S. В системе TN-C-S общая шина постоян¬ного тока изделия присоединена к контуру заземления. О плавающем заземлении не¬обходимо сказать подробнее. «Плавающая» земля — это не соединён¬ная с грунтом земли система проводников, относительно которой отсчитывается по¬тенциал в электрической схеме. Плавающая I земля образуется в случае, когда общий провод небольшой части электрической схемы изделия электрически не соединяет¬ся с шиной защитного заземления, то есть с землёй. Типовыми примерами таких систем являются батарейные измерительные при¬боры, автоматика автомобиля, бортовые си¬стемы самолёта. Плавающая земля появля¬ется при использовании DC/DC или AC/DC преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлён. По-видимому, разработчики изделия использовали плавающую землю для ис¬ключения кондуктивных наводок через общий провод заземления. Следует пом¬нить, что потенциал на плавающей земле относительно шины заземления может составлять от десятка до нескольких сотен вольт. В связи с этим разработчики изделия рекомендуют использовать только специ¬альные измерительные приборы при прове¬дении ремонтных и регламентных работ, а работу выполнять специально подготовленному персоналу, имеющему специальный сертификат. Обычно в качестве защитных мер при использовании плавающей земли изготовители оборудования рекомендуют соединять (или сами соединяют внутри изделия) плавающую землю через сопротивление величиной от десятков килоом до единиц мегаом с землей. Но при этом, разность потенциалов между плавающей землей и относительно земли остается. Емкости с водородом взрывоопасны. Согласно ПУЭ изд.6 Табл. 7.3.3 категория смеси — ПС, группа смеси Т1. Температу¬ра самовоспламенения смеси группы Т1 с воздухом выше 450 градусов Цельсия Табл. 7.3.2 и Табл. 7.3.6. Очевидно, что заземление изделия должно быть выполнено как для взрывоо¬пасных промышленных объектов. Сформулируем основные требования к заземлению и его проверке. На взрывоопасных промышленных объ¬ектах при монтаже заземления многожиль¬ным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного I давления в винтовых зажимах. Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы на¬водки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжения или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или удалени¬ем искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки. При прокладке в общем пучке или ка¬бельном канале кабели с искроопаснымии и искробезопасными цепями должны быть разделены промежуточным слоем изо¬ляционного материала или заземлённой металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используют¬ся кабели с металлической оболочкой или экраном. Заземлённые металлические конструк¬ции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут ис¬крить во время грозы или при коммутации мощного оборудования. На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции. Вертификация заземления Для обнаружения неисправностей заземления используют осциллографы с «плавающим» (батарейным) питанием и самописцы. Самописцы помогают найти плохие («шуршащие») контакты в цепи за¬земления и питания электронной аппарату¬ры. Для этого с помощью многоканального компьютерного самописца контролируют интересующий параметр, напряжение в цепи низковольтного питания, в питающей сети 220В и разность напряжений между не-сколькими точками системы заземления. 5. Основные условные обозначения на оборудовании На изделиях на топливных элементах используются специальные термины, опре¬деления и обозначения, присущие данному типу оборудования. Обозначения необхо¬димы для понимания состава изделия при беглом осмотре оборудования. Приведем некоторые из них: Обозначение Определение E-STOP Аварийная остановка: состояние, контролируемое автоматикой изделия, при котором полностью выключается внешнее элек¬трическое питание. EESM Модуль аккумулирования электроэнергии. Аккумуляторы си¬стемы на топливных элементах. FG Наличие в изделии плавающего заземления. Информирует о наличии напряжения «плавающего заземления», относительно потенциала земли. FCS Система на топливных элементах: включает модуль генерации электроэнергии и систему подачи водорода. GCC Системный контроллер (например, GenCore) с системным про¬граммным обеспечением, включающий: распределительную сеть, собственные нужды, аварийное выключение. HSM Модуль хранения водорода. В модуль хранения водорода входит емкость с водородом и средства для его подачи. Он включает ко¬жух для емкостей с водородом, трубопровод, клапаны, а также средства контроля и управления. ON/OF Отключение электрического питания и предотвращение его по¬дачи к устройствам в процессе технического обслуживания. MSDS Документ изготовителя. Сертификат безопасности с информа¬цией о составе изделия, возможных опасностях и процедурах безопасного обращения с изделием. Работа нескольких устройств в одной конфигурации Специально заказываемая опция, позволяющая координировать работу нескольких систем на топливных элементах, в том числе работу в параллель нескольких изделий. P&ID Схема оборудования и технологического процесса. Обеспечивает схематическое описание всех компонентов системы . PGM Модуль генерации электроэнергии. Включает батарею топливных элементов, вспомогательные подсистемы и модуль управления параметрами электрической нагрузки. РСМ Модуль управления параметрами электрического питания. Включает преобразователи постоянного тока и/или системные аккумуляторы. 6. Условия работы электростанций на топливных элементах Системы на топливных элементах, как правило, могут работать при температуре окружающего воздуха от -40°С до 46°С, Шотландии, при относительной влажности от 0% до 95%Для электростанции при мощности генератора 5кВт, и весе модуля генерации электроэнергии 160 кг (без учета веса емко¬стей с водородом), расход топлива составля¬ет около 65 литров в минуту при давлении водорода близкому к атмосферному. Вы¬бросы воды составляют 2 литра воды в час. Уровень шума 60 децибелов на удалении 1 метра от генератора. Системы на топливных элементах име¬ют, на наш взгляд, существенные недостат¬ки, основные из которых при отрицатель¬ных температурах окружающего воздуха расходуется электроэнергия на подогрев топливных элементов, далее если изделие находится в ждущем режиме, при высоких положительных температурах мощность генерации снижается. Положительным в изделии является полная автоматизация работы. Предусмо¬трен автоматический цикл периодического приведения параметров к заданным усло¬виям, который обеспечивает самотестиро¬вание системы управления и подсистем, управление вспомогательным оборудова¬нием. Установленный в изделия микро¬процессор контролирует практически все возможные параметры работы системы. Возможна установка практически любых дополнительных датчиков, например, обна¬ружения сдвига относительно монтажной поверхности (смещение), попадания воды вовнутрь системы и несанкционирован¬ного открывания смотровой панели, и ряд всевозможных опций. Рис. 4 Электростанция 144кВт, Шотландия 7. Взрыво- и пожароопасность электро¬станций, нормативная база Практическое использование водорода в энергетике связано с рядом серьезных проблем, вызванных его взрывоопасностью и искроопасностью (взрывах при появле¬нии искры), в том числе при статическом разряде. Это сильно затрудняет и ограни¬чивает его использование, к примеру, в дви¬гателях внутреннего сгорания и приводит к тому, что сегодня огромное количество этого топлива и энергоносителя просто вы¬брасывается в воздух. Справка. Водород при смеси с возду¬хом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объ¬ёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароо-пасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение. Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96% объ¬ёмных; при смеси с воздухом от 4% до 75% объёмных. Зона установки электростанции с балло¬нами относится к зоне класса В-Гг согласно ПУЭ п.7.3.43 (наружные технологические установки). До последнего времени для предотвра¬щения воспламенения и взрыва смесей водорода с воздухом использовались в основном не химические, а инженерные методы: огнепреградители, искрогасители, ограничение контакта с окислителем, раз¬бавление инертными газами и т.п. Но они далеко не всегда применимы и малоэффек¬тивны. Веществами, обладающими неко¬торым огнегасящим свойством, являются также галогенопроизводные углеводородов — талоны (хладоны). Но и их применение ограничено коррозионной агрессивностью, токсичностью, нестойкостью при хране¬нии, высокой стоимостью и опять же недо¬статочной эффективностью. Разработанные в Институте структур¬ной макрокинетики и проблем материалове¬дения (ИСМАН, г. Черноголовка) ингибито¬ры практически позволяют предотвращать взрывы водорода и управлять горением. Ингибиторы — это вещества тормозящие действия цепных реакций. Наличие 1% ин-гибитора предотвращает переход горения во взрыв любых смесей водорода в воздухе. С помощью ингибиторов удается эффектив¬но управлять распространением пламени, переходом горения в детонацию, характе¬ристиками детонации и даже разрушать стационарную детонационную волну. Они успешно прошли тестовые испытания, про¬веденные межведомственной комиссией, в состав которой входили представители Росэнергоатома, ВНИИПО МВД России, Ленинградской атомной электростанции. Есть основания полагать, что проблема взрывоопасности водорода на практике будет окончательно решена. При проектировании систем на топлив¬ных элементах, при проверке проектной документации и выполнении последующего надзора за работой электростанций реко¬мендуется использовать, кроме известной нормативной документации по энергетике, следующую нормативную документацию: ГОСТ 12.1.010-76 Система стандартов безопасности труда. Взрывобезопасность. Общие требования, ГОСТ 12.1.018-93 Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Об¬щие требования, ГОСТ 949-73 Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр 19,6 МПа (200 кгс/см2). Технические условия, ГОСТ 12247-80 Баллоны стальные бес¬шовные большого объема для газов на Рр 31,4 и 39,2 МПа (320 и 400 кгс/см2), ГОСТ 3022-80 Водород технический. Технические условия, ГОСТ 51672-2000 Водород газообразный чистый, ПБ 03-598-03 Правила безопасности при производстве водорода методом электро¬лиза воды. Правила разработаны в соответствии с Федеральным законом от 21.07.97 №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»; Положением о Федеральном горном и промышленном надзоре России, утвержденным постановле¬нием Правительства Российской Федерации от 03.12.01 №841; Общими правилами про¬мышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных про-изводственных объектов, утвержденными постановлением Госгортехнадзора России от 18.10.02 №61-А, зарегистрированными Минюстом России 28.11.02 №3968 и предна¬значенными для применения всеми органи¬зациями независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, осуществляющими деятельность в области промышленной безопасности и поднадзор¬ных Госгортехнадзору России. 8. Особенности эксплуатации систем на топливных элементах Эксплуатировать и обслуживать систе¬му на топливных элементах изготовитель разрешает только специально обученному в заводских условиях квалифицированному персоналу, имеющему специальный серти¬фикат. Изготовитель требует от обслуживаю¬щего персонала умения эксплуатировать оборудование с горючими газами, газами под давлением, трубопроводами под дав¬лением и действующие электроустановки. Работы по эксплуатации, обслуживанию и ремонту генераторов электроэнергии и сопутствующего оборудования изготовитель рекомендует производить в строгом соответствии со всеми действующими в стране нормативными актами, стандартами, правилами и законами. В случае отсутствия в стране соответствующих нормативных ак¬тов рекомендует руководствоваться между¬народными документами. При работе в системе с плавающим заземлением необходимо соблюдать соот¬ветствующие меры безопасности. Даже при отключении нагрузки вы¬ключателем нагрузки система продолжает работать и вырабатывать электроэнергию для собственных нужд до тех пор, пока по¬дается топливо на топливные элементы. В случае обнаружения явно нештатной ситуации, например утечку водорода, из¬готовитель оборудования рекомендует от¬ключать систему дистанционно. В Москве и в Московской области на объектах МПС и на объектах у операторов мобильной связи более года эксплуатируют¬ся несколько электростанции на топливных элементах производства фирмы Plug Power Gen Core (США) мощностью от 5 до 30кВт. Отзывы специалистов только положитель¬ные. Основной трудностью эксплуатации является замена баллонов с водородом из-за их большого веса. Выводы: Электростанция на топливных элементах при размещении модуля генерации электроэнергии совместно с модулем хранения водорода относится к взрывоопасным объектам. Система заземления на электростанции должна быть выполнена так, как выполняется для взрывоопасных объектов; с учетом наличия систем заземления на сетевом источнике питания, на водородной электростанции и на самом объекте электроснабжения. Целесообразно рекомендовать разработчикам проектной документации для большей наглядности выполнять чертеж заземления на отдельном листе. При рассмотрении проектной документации следует уделять внимание вопросу обеспечения горизонтали фундамента (площадки) для установки системы, и обеспечения слива технологической воды, особенно в зимних условиях. Рекомендовать проектным организациям разрабатывать отдельный раз¬ дел в проекте «Эксплуатация». В разделе «Эксплуатация» должны быть отражены основные вопросы эксплуатации с учетом взрывоопасное™ объекта. В проектной документации должен быть решен вопрос технологии замены баллонов с водородом, с учетом применения техники и механизмов. О.В. Никитаев Заместитель генерального директора ООО “ИКАНД”

Назад к списку информации

наши заказчики