科普 | 电解水制氢在火电厂中的应用

在火力发电领域，确保发电机组高效稳定运行至关重要，其中冷却介质的选择起着关键作用。目前，大型机组多采用氢气作为冷却介质，这背后有着诸多考量。

一、发电机组冷却介质的要求 —— 氢气为何脱颖而出？

发电机在运行过程中，由于转子与定子线圈内有电流流过会产生铜损，定子铁芯及其边端结构件在交变磁场作用下产生铁损，转子与定子表面因切割磁场局部产生涡流损耗，若不及时排出，发电机线圈温度升高，将降低绝缘强度，甚至引起绝缘损坏。因此，需要高效的冷却介质来保证发电机在允许温度下正常运行。

氢冷发电机组示意图

氢气凭借多重核心优势，成为大型发电机的理想冷却介质，不仅有低密度、高导热性等特点，还兼具卓越的绝缘性能和灭弧效果。

低密度：让发电机 “轻装上阵”。氢气密度仅为空气的 1/14.3（标准状态下，氢气 0.08987kg/m³，空气 1.293kg/m³）。当氢气在发电机内部循环时，流动阻力远小于空气，能大幅降低通风系统的能量损耗，不仅让内部部件运转更轻松，还能使机组整体温升降低 10-15℃，间接提升发电效率，减少不必要的能耗浪费。

高导热性：快速带走 “多余热量”。氢气的导热系数是空气的1.51倍，且扩散速度快。发电机运行时，绕组、铁芯产生的热量能被氢气迅速吸收，并快速传递到冷却器中，避免热量在关键部件堆积。就像给机组装了 “高效散热通道”，确保转子、定子等核心部件始终在安全温度范围内工作，防止因局部过热损伤绝缘。

强绝缘性：给设备 “穿好防护衣”。标准状态下，氢气的击穿场强约为 30kV/cm，而空气仅为 21kV/cm，意味着氢气能承受更高电压而不被 “击穿”。而且经过干燥处理（露点控制在 - 50℃以下）的氢气不含水分和杂质，不会像空气那样因湿度变化波动绝缘性能，也不会与环氧玻璃布管、云母带等绝缘材料发生反应，能有效减少因绝缘失效导致的停机事故。

优灭弧效果：及时 “扑灭危险火花”。若发电机内部绝缘出现缺陷，可能产生局部放电或电弧。此时氢气能快速发挥作用：一方面凭借高导热性迅速吸收电弧热量，将温度降至燃点以下；另一方面氢气不助燃，不会加剧电弧燃烧，也不会产生臭氧、氮氧化物等腐蚀性气体。实际应用中，氢气冷却的发电机，电弧事故持续时间通常不到 0.1 秒，远短于空气冷却机型，大幅降低设备损坏风险。

二、氢气如何对发电机组进行冷却？

根据发电机定子绕组、转子绕组及定子铁芯的冷却介质差异，常见的氢气冷却方式主要分为三类，不同方式适用于不同容量和工况的机组，具体分类及特点如下：

以下重点介绍氢氢氢冷却方式的具体冷却过程，该方式因全系统依赖氢气散热，对氢气循环效率和纯度要求更高，也是当前大型先进机组的主流选择：

氢氢氢冷却的结构基础

采用氢氢氢冷却的发电机，内部设计了更精细的氢气流通系统：定子绕组采用 “气隙通风 + 内部风道” 双重冷却结构，绕组导线内部预留细小通风孔；转子绕组同样设置轴向和径向通风道，确保氢气能深入导体内部；定子铁芯则通过冲片间的通风槽形成横向通风道，配合外壳的密封腔室，构建全方位氢气循环网络。同时，发电机两端转子上各装有一台高效离心式风扇（而非普通热套风扇），为氢气循环提供更强动力，确保氢气在高流速下实现高效换热。

发电机结构示意图

氢气的内部循环路径（以 1000MW 超超临界机组为例）

进入腔室的低温氢气，会分两路完成冷却：一路直接接触发热的定子铁芯，吸收铁芯因磁滞、涡流产生的热量；另一路则通过转子绕组上的通风孔，深入转子内部，带走绕组电流做功产生的铜损热量。吸收热量后的氢气温度升高至 60-70℃，变成高温氢气，随后顺着通道流向中间的热风室，完成一轮 “吸热行程”。

循环起始于发电机外壳内的低温氢气区（温度约 38℃ - 42℃）：

第一步：转子两端的离心式风扇启动后，产生高压气流，将低温氢气分为三路：

一路通过定子铁芯的横向通风槽，以 “横向冲刷” 方式流过定子铁芯，吸收铁芯因磁滞、涡流产生的热量，温度升至 55℃ - 60℃后，流向铁芯两端的热风汇集区；

第二路通过定子绕组的气隙通道，进入绕组导线内部的通风孔，以 “穿芯流动” 方式带走定子绕组的铜损热量，受热后温度升至 60℃ - 65℃，从绕组端部流出至热风区；

第三路通过转子绕组的径向通风道，深入转子内部，与高速旋转的转子绕组充分接触，吸收转子铜损热量，温度升至 62℃ - 68℃后，从转子两端的通风孔排出至热风区。

第二步：三路高温氢气在热风汇集区汇合后，温度统一达到 60℃ - 68℃，随后通过发电机外壳上的导风板，被引导至环绕外壳布置的 氢气冷却器（通常为 4 - 6 组，呈环形分布）。

第三步：高温氢气在冷却器内与管侧流动的循环水（水温约 30℃ - 35℃）进行热交换，热量被循环水带走，氢气温度降至 38℃ - 42℃，重新变为低温氢气。冷却后的低温氢气被离心式风扇重新吸入，进入下一轮循环，整个循环周期仅需 2 - 3 秒。

氢气内部循环示意图

三、火电厂多种供氢方式的对比

目前电厂内的供氢系统主要有三种：厂内设置水电解制氢装置供氢、外购氢瓶供氢、直接通过管道供氢。此外，还有供氢和制氢相结合的模式，如通过瓶装氢气对发电机进行启动充氢，通过在线制氢机对发电机进行连续补氢。以下为几种常见供氢方式的详细对比：

四、氢瓶供氢及 PEM 电解水中压在线制氢结合的优化方案

在上述供氢方式中，氢瓶供氢及在线制氢结合的模式虽有优势，但随着 PEM（质子交换膜）电解水制氢技术的成熟，将其与氢瓶供氢结合形成 “氢瓶启动充氢 + PEM 电解水中压在线补氢” 的方案，成为当前火电厂供氢系统的优化方向，该方案能有效弥补单一供氢方式的不足，为发电机稳定运行提供更可靠的保障，主要优势如下：

氢压与纯度双稳定：PEM 设备产氢纯度达 99.97% 以上，能长期维持发电机内氢纯度≥98%，避免通风损耗增加；0~100% 智能控量可精准匹配需求，杜绝氢压波动，保障冷却效率，实测可提升发电机效率 0.2%-0.3%，支撑满负荷运行。

实时监控报警：设备搭载氢量跟踪系统，数据实时上传 DCS，补氢量异常激增时（如超正常 5 倍）立即报警，泄漏发现时间缩至分钟级；还能在线监测纯度，不达标时自动停机，防止影响绝缘。

运维便捷，成本优化：PEM 设备无腐蚀性液体，维护仅需定期换过滤器、查膜组件，维护量远低于碱性电解设备；启动停机 3-5 分钟响应快。成本上，仅启动用外购氢，日常靠厂内制氢，结合 PEM 能耗低 10%-15% 的特点，年供氢成本可降 15%-20%，还减少氢瓶存储占地与风险。

供应稳定有保障：氢瓶与 PEM 电解水形成 “双供氢源”：日常以 PEM 在线补氢为主，若 PEM 设备需临时检修（如更换膜组件、过滤器），可快速切换至备用氢瓶供氢，无需中断发电机氢气供应；反之，若氢瓶采购延迟，PEM 设备也能持续补氢，避免因单一供氢源故障导致的停机风险，确保供氢连续性。

氢瓶供氢及 PEM 电解水中压在线制氢结合的优化方案