某电厂1400MW电解水制氢深度调峰项目建议书20181203

1、某核电厂1400MW电解水制氢深度调峰项目建议书一、概述1.1项目概况XXXXX核电厂位于XX省XX市XX镇，安装有6564MW发电机组。2017年等效利用小时7000h,除停机时间的平均发电负荷率80%。本项目拟1400MW（每个单元20MW）电解水制氢，配套提升机组发电负荷率，实现深度调峰。项目采用质子交换膜（PEM）电解水制氢技术，设备冷启动时间5分钟，热启动时间0.1毫秒，负载0100%随机可调。本项目产氢能力为280000Nm3/h（25吨/小时），产生的氢气通过管道运输/车辆运输等方式，供应周边石化、合成氨、火箭燃料、化肥、煤制醇烃等企业，并配备一定的储气量满足下游连续供应的需要。

2、用气企业通过替代原有的煤化工、天然气重整等化石能源方式制氢，实现环保升级，节约环境容量指标。同时项目可以采用质子膜电堆发电模式，把氢气再次转化为电力，起到抽水蓄能电站的作用，从而实现调峰调频。本项目总造价63.08亿元，由XX和XX联合投资。本项目年产氢气23.8亿立方米、氧气11.9亿立方米，氢气市场价约1.52.5元/Nm3，氧气因为会供应过剩，本项目不考虑氧气销售，气体销售收入35.759.5亿元；项目年耗电量125.664亿度，电价0.25元，电厂增加售电收入31.41亿元；通过提升发电机组负荷降低了燃料损失，提升了核电站利用率，节约约15亿元。1.2项目建设必要性XX省随着新能源发电

3、和省外来电的大幅增长，核电比重持续降低，电力供应结构逐步向清洁化、受入型转变，城镇化的快速发展加大了电网峰谷差，电网调峰、新能源消纳、冬季民生供热保障和夏季空调制冷矛盾凸显。随着电力市场化程度的提高，运用市场机制和经济杠杆，增加低谷负荷，培育售电侧主体增值服务能力，提高机组调峰能力有重要意义。核电站所在的省目前有两座可为核电站安全稳定运行提供配套的抽水蓄能电站XX和XX。XX抽水蓄能电站位于XX省XX县，安装6台30万千瓦发电机组，总装机容量180万千瓦。XX抽水蓄能电站位于XXXX县，安装4台30万千瓦发电机组，总装机容量120万千瓦。但是调峰能力接近上限，急需新增调峰配套设施来调节。为增加

4、机组调峰的积极性，目前XX省对公用机组参与电网调峰调频奖励发电量，未来市场化的发展以电厂的有偿竞价调峰为主。电解水制氢在利用低谷电制氢可以提高机组负荷率，降低单位发电成本，同时提高机组的调峰能力，获得多重收益。随着XX电网负荷的不断增长，XX电网电力峰谷差将会进一步加大，造成XX电网出现电力负荷波峰期间电力供应不足，电力负荷波谷期间，火力、风力、光伏、核电发电过剩问题。随着风电装机容量的快速增长，XX凭借临海优势，海上风电表现出广阔的发展前景。风电发电最大出力将逐渐攀升，XX电网调峰难度将进一步加大。利用过剩电制氢，可以提高发电机组的负荷系数，从而降低机组的单位燃料消耗和厂用电率，提高了机组的

5、经济效益。利用电解水装置的灵活调节性能，实现对电网的深度调峰和辅助服务，可以获取辅助服务的收益，对于提高电力系统可再生能源消纳能力有十分重要的意义。二、工艺方案2.1、制氢工艺系统本项目配置1400MW质子交换膜制氢装置，利用低谷电力电解水生产氢气，配置制氢能力28万方/小时，同时配置相应的储氢能力以满足下游用户生产的需要。质子交换膜（PEM）电解水制氢技术，设备冷启动时间5分钟，热启动时间0.1毫秒，负载0-100%可调。PEM电解纯水制氢工艺中，水分子被电解可同时获得氢气和氧气，产生的氧气与传统空气分离工艺获得的氧气相比，其纯度更高，在工业和医疗等行业具有更大的利用价值，本项目在利用氢气的

6、同时，氧气亦进行收集、纯化、液化后外供。PEM电解纯水制氢反应遵循如下反应过程：（1）水电解和氧气析出：水分子（2H2O）在正极发生水解反应，受电场和催化剂的共同作用分裂成质子（4H+）、电子（4e-）和气态氧（02）；（2）质子交换：4H+质子被吸入含有磺酸基化合物的PEM固体质子交换膜内，在电势差的影响下通过固体质子交换膜到达负极；（3）电子传导：正极水解反应产生的4e-电子通过外部电路传导至负极；（4）氢气析出：4H+在负极与4e-发生反应，析出氢气（2H2）。与碱性水电解制氢过程不同的是，PEM电解纯水制氢过程中，PEM固体质子交换膜可将水分子分解成H+和O2的同时，还起到分离气体的作

7、用。图2.PEM电解纯水制氢工艺及装置原理图PEM电解纯水制氢技术采用贵金属电极，纯水作为电解液，不添加任何化学物质，虽然设备成本较高，但提升了电解效率，避免了环境污染等问题。更重要的是，相比于碱性水电解制氢设备，PEM电解制氢设备系统组成大大简化，负荷响应速度快，可在5min内启动，而碱液制氢设备启动时间至少2h。因此，PEM电解制氢设备表现出对电力系统更强的适应性以及更简便的可维护性。若采用PEM设备，则基本无需设置备用设备。PEM电解纯水制氢装置采用集成化成套装置，主要包括氢/氧气体系统、补水系统和干燥净化系统等多个子系统。图3.PEM电解纯水制氢装置及部件H1浮丁H：GaiManagG

8、En&ntp99.9995%露点：-65C杂质：无碱雾压力：3.0Mpa（2）氢气运输管道氢气运输管道设计管径508毫米，设计压力4兆帕，长度20km。管道设计标准参照输气管道工程设计规范、工业金属管道设计规范、氢气站设计规范，案例参照中石油管道局承建洛阳炼化有限责任公司河南省济源市工业园区洛阳市吉利区氢气管道。（3）氢气储存系统由于夏季尖峰时段制氢设备需要停机，本项目考虑一定的氢气储气装置。储气罐采用球罐，P=3MPa，水容积1500m3。2.3、氧气综合利用工艺方案本工程电解出的氧气纯度高，属于医用级氧气，可利用价值大。拟采用低温液化后储存进行利用。低温液化通过制冷机循环把氧气分别冷却和冷

9、凝成液态，并送入氧气储存罐。气体的液化是根据气体的特性、冷凝温度和使用要求通过相应的液化循环实现的典型的循环有节流液化循环、带膨胀机的液化循环、气体制冷机循环和复叠式制冷循环（即多工质、多次逐级预冷循环）等。气体液化设备一般包括压缩机、纯化器、贮槽、输液系统、自动控制系统和气体贮存系统等。被液化的气体经过压缩机压缩和膨胀机膨胀来制冷（或者通过外加冷源预冷），并通过纯化器把混在其中的水蒸汽、高冷凝温度的其他杂质气体除掉，以避免这些杂质气体在低温下固化，阻塞管道和阀门。液化过程是在极低温度下进行的。为了提高效率和可靠性，对液化设备有如下要求：采取完善的绝热措施，以减少冷量损失。对于氧液化，一般采用

10、真空多层绝热。有高度的密封性，以防止泄漏，避免经济损失和可燃性气体燃烧的危险。设备紧凑、高效，以提高经济性。例如采用等温效率咼的压缩机、等熵效率咼的膨胀机、传热效果好的换热器等。成套设备应尽量采用自动控制和先进技术，以提高可靠性。液化后的氧气可分两部分，一部分储存在氧气储存设备；另一部分可进入灌瓶间充灌台，为氧气钢瓶充灌氧气。2.4、公用工程本项目除盐水需求量为280t/h，除盐水指标为电导率Vlus/cm。本项目循环冷却方式采用闭式循环供水系统。闭式循环供水系统由冷却设施、循环水泵、循环水管（沟）及相应的建（构）筑物组成。循环水量需求为140000t/h，补水量为2800t/h。是否可以使用

11、核电站自有冷却设施配套。2.5、建筑部分制氢车间整体建筑为1层，采用加气混凝土砌块，制氢间和配电间采用无门、窗、洞口的防火墙分割。地面采用不发火花地面。加强通风，采用可开启门窗面积来满足规范要求的泄爆面积。采取轻质屋面用于厂房的泄爆。屋顶设置漏氢监测探头，并与屋顶风机连锁。屋顶风机同时满足连锁启动和手动强制通风要求。本项目建设地点位于XX核电厂厂区5km以外，主要生产车间面积12000车间整体占地面积21000,配套设施约30000m2o2.6、制氢系统供电方案电解水装置供电电压为10kV，整流后电解槽使用，目前根据电厂的接线情况和容量，主要考虑从发电机端口（XXkV）接线，通过变压器转换为1

12、0kV，给装置供电。10kV配电装置拟采用单母线接线方式，共设2段，每段均采用离相母线接至变压器。设一台低压干式变压器，为380V低压设备供电，电源引自10kV段，380/220V配电装置采用单母线接线。10kV厂用电开关设备采用全隔离手车中置式真空开关柜，均选用真空断路器，额定开断电流为50kA。低压配电装置采用低压抽屉式开关柜。由于大量整流装置，考虑10kV装设有源滤波器。拟设中压无功补偿柜用于补偿旋转设备无功功率。10kV配电柜集中布置于10kV配电室内，10kV高压配电室与主变压器、GIS起布置。低压配电柜和干式变压器集中布置于低压配电室内，低压配电室与水工车间联合布置。配电室应考虑防

13、火防爆要求。三、投资估算与商业模式3.1投资估算本项目总造价63.08亿元，配置1400MW质子交换膜制氢装置，同时配备储气容量和输气管道。项目投资金额（万元）备注制氢及氢气、氧气压缩储存设施投资520000280000Nm3/hPEM电解制氢装置、氢气压缩和储存系统、氧气压缩/液化/储存系统设施及安装项目投资金额（万元）备注费氢气管道运输15000.0020km看用气企业在什么地方，管径508毫米，设计压力4兆帕制氢站内电气费用24736.94主变压器、开关柜、电缆及主变油池和配电室等氢站必要的电气投资制氢站厂房及配套车间投资4057.3551000m3冷却装置投资11211.37循环水泵系

14、统、机力通风冷却塔、给排水管道、消防炮等冷却设施厂前区设施796.00化验室、维修、办公、生活设施征地费及道路、绿化、沟道等6246.2411.5公顷，20元/m2其他费用15770.95按照工程费用的2.5%计取静态投资合计630800单位制氢站投资（万元/Nm3/h）2.25按照280000Nm3/h的供氢能力折算静态投资估算表3.2商业模式本项目XX公司与XX公司联合投资。本项目自XX发电厂采购电力，同时有权参与电厂调峰奖励的分成。4.1测算边界条件项目名称单位数值备注制氢能力Nm3/h2800001套制氢设备运行小时小时8500建设期月12项目经济运行期年30静态投资万元630800固

15、定资产折旧年限年20制氢设备运行电耗kW/Nm3/h4.8制氢站年耗电量亿KWh125.664制氢、压缩、运输、储存、冷却系统、电气设备耗电，综合电耗5.28kWh/Nm3制氢用无离子水水耗m3/h225无离子水水价元/m320含3%增值税冷却水全年耗水量万m32380自来水水价元/t4.37含10%增值税全年排污水水量万m314排污水处理单价元/t28含3%增值税口疋贝人140人工工资及福利费万元/年10保险费%0.25修理费%0.5制氧量Nm3/h140000出售氧气单价元/Nm30含16%增值税产量巨大，市场冲击很大4.2成本构成电力是生产氢气的主要成本，在电价0.25元/kWh（含税）

16、情况下测算氢气成本为1.04元/Nm（含税），在月50%毛利率情况下，氢气销售价格可以定在1.5元/Nm（含税），低于普通制氢成本，具备市场竞争力。序号成本项单位成本（元/Nm3）备注1电力1.03综合电耗4.8kWh/Nm3,在不含税电价0.2155元/kWh情况下，不含税电力2折旧和维修0.13按20年平均折算3人工0.014其他0.04包括：冷却水费、保险费、制氢用水费（无离子水）、排污水处理费、财务费用（流动资金利息）5成本合计1.21446减：氧气收入0.2考虑氧气产出数里大，冲击市场空分工厂，目前空分工厂售价1.5元/Nm3，我们考虑0.4元/m3售价7氢气成本1.01氢气成本（含

17、税）81.1768含16%增值税测算电价从0.20-0.35元/kWh（含税）情况下，氢气成本为如下表。电价（含税）（元/kWh）氢气成本（含税）（兀/Nm3）0.20.93680.251.17680.31.41680.351.65684.3氢气销售收入本项目年产氢气23.8亿Nm3，年产氧气11.9亿Nm3，按氢气1.5元/Nm3（含税）、氧气0.4元/Nm3（含税）价格计算，年销售氧气收入达40.46亿元，25%所得税税后利润约5亿元。4.4售电收入增加本项目年耗电量125.664亿kWh，以0.25元/kWh（含税）电价结算，电厂每年增加售电收入31.416亿元（含税）。核电站80%出力

18、下，20%发电量被浪费了，直接为电厂产生超过10亿超额收入4.5取代煤化工/天然气重整等制氢产生排碳效益本项目产物无污染，生产23.8亿立方米氢气，如果采用煤化工制氢C+2H2O=CO2+2H2，排放二氧化碳减少260.72万吨，采用天然气重整为CH4+2H2O=CO2+4H2，排放二氧化碳减少165.88万吨，及相应的二氧化硫、氮氧化物、粉尘等。4.6调峰奖励收益根据XX，有偿调峰起始基准为机组申报最大可调出力的70%，每减少10%为一档，一共分为七档，目前各档报价均统一为100元/MWh，预计未来随着调峰需求的进一步加大，深度调峰服务费价格还有上涨空间。根据2018年上半年XX省调峰调频奖

19、励发电量计划公示，XX电厂#1机组有XXXXh负荷率低于XX%,获得XX亿度奖励电量；2机组有772h负荷率低于XX%,获得XX亿度奖励电量；由此可见1400MW的电解水装置一年至少可以满负荷XXXh,在调峰的同时提高机组的运行经济性。粗略估算本项目投产后，可以在原有深度调峰小时数基础上再增加lOOOh,获得调峰奖励电量XX亿度，获得调峰奖励收入XX亿元。五、技术提供方及业绩简介5.1、质子交换膜（PEM）电解水制氢技术优势质子交换膜（PEM）电解水制氢技术是一种先进的制氢技术，具有如下几个特点：（1）通过质子交换膜反应容器,将去离子水电解成高纯度氢气。在制氢过程中除了使用去离子水外不使用任何

20、其他化学药品。（2）水电解产生的氢透过质子膜，进入氢气子系统，水和氧气在不能透过质子膜。（3）制氢机一键启动，五分钟产出合格氢气。（4）真正无人值守，制氢过程自动控制，无需担心氢氧液位问题。（5）遇到故障，制氢机自动识别故障类别采取降级模式运行，电解制氢则直接跳机，阀门关闭，若遇到阀门不严故障，会造成氢氧侧液位失衡。（6）维修成本低。只需对空气滤网和净水器滤芯、干燥剂进行定期更换，全年维护时间小于8小时，每次维修时间不超过1小时。电解电池堆15年无大修。5.2、美国ProtonOnSitePEM品牌简介（公司为挪威Nel公司子公司）美国PROTONENERGYSYSTEMS,INC.成立于19

21、96年，地址位于美国康涅狄格州（Connecticut）沃林福德市（Wallingford）。美国一直致力于开发和应用质子交换膜（PEM）电解槽技术，全球首创了兆瓦级PEM电解制氢设备，设备无需添加碱液，设备集成，自动控制，氢气纯度99.9995%。公司是美国军方、宇航系统、燃料汽车和可再生能源工业，稳定信赖的供应商；是“美国氢协会特殊会员”；同时成为“加利福尼亚燃料电池协会”的合作伙伴。美国Proton公司设备通过了cTUVus、CE、ANAB、TUV和IS09001：2008认证。5.3、ProtonONSitePEM电解水制氢项目业绩美国ProtonPEM电解水制氢装置已在美国、意大利、西班牙、罗马尼亚、保加利亚、墨西哥、波多黎各等70多个国家广泛采用，在役设备2600余台（其中中国国内在役30余台）。PROTON现场制氢装置部分国内业绩序号项目名称应用行业投产日期规格型号数量1浙江台州电