CN109742800A - 一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统及工作方法，包括氢气系统、然气系统、可再生能源发电系统和余热利用系统，可再生能源发电系统与氢气系统连接，氢气系统分别与然气系统和余热利用系统连接，然气系统与余热利用系统连接；氢气系统、然气系统和可再生能源发电系统还均与电网系统连接，然气系统还与然气管道连接；氢气系统还与燃料电池就地用户、氢气用户端连接，余热利用系统还与热用户端、冷/热用户端连接。本发明优先利用可再生能源进行电解水制氢，并将氢能源利用系统与燃气分布式以及电网有机地结合起来，克服现有能源网络中存在的不足，既能解决天然气短缺的状况，又具有电网调峰的功能，具有极大的节能和环保效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源互联网系统，特别是基于氢能源利用与燃气分布式以及电网相结合的能源互联网系统。
背景技术
当前，我国正面临能源革命和产业结构调整的关键期，虽然发展氢能可以替代传统化石能源，既是我国能源安全战略的重要组成部分，也是优化能源消费结构的重要途径。氢能来源广泛、能量效率高、能量密度高。作为最清洁的能源，氢能本身无污染、可以达到零碳排放，排放物仅为水和热量。氢能是世界能源舞台上一种举足轻重的二次能源，是一种极为优越的能源，主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量约为汽油的3 倍、天然气的2.5倍、酒精的5.2 倍、煤炭的4.3倍。燃烧的产物除了H2O 无其他中间产物，整个供能过程无浪费、无污染。另外，氢能资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，氢气利用演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。
太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能、波浪能等可再生能源，具有资源丰富、使用清洁的特点，但却具有明显的时间性、区域性和不稳定性等缺点，使其应用价值大打折扣。由于氢能具备电能和热能所缺乏的可储存性，使得氢能成为最好的可再生能源的二次载体。可以将不稳定的可再生能源转化为氢能储存起来，便于持续稳定地使用。因而，从某种角度来说，发展氢能是发展可再生能源的先决条件。氢能以其来源多样、清洁无污染、能量密度大、可再生、易存储、用途广泛等优点，被视为全球能源向可持续发展转型的主要路径之一，在大规模可再生能源整合和终端应用方面潜力巨大。
中国天然气产量不断增长，但消费缺口也是十分巨大的。伴随着天然气消费快速增长，中国供气安全保障问题越来越严峻，而资源每年的增量仍然不足以支撑天然气市场连续300亿立方米的年增量。进口LNG 和进口管道气受到接收站、管道能力和进口气价资源的制约。未来，国产常规气产能释放的红利将会逐步减弱，产量增量将维持在80亿方以内。
综上所述，在天然气短缺的情况下，氢能是极为有力且重要的补充，同时氢能作为可再生能源的二次载体，为可再生能源的发展提供了契机。目前，天然气分布式能源项目普遍存在功能单一，与外界能源网络缺乏互动连接，且天然气网络、电网等各大能源网络之间基本处于割裂状态，严重影响了我国能源系统的整体效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能源互联网络，克服现有能源网络中存在的不足，既能解决天然气短缺的状况，又具有电网调峰的功能，具有极大的节能和环保效益，实现各种能源之间的有力调配与结合。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：包括氢气系统、然气系统、可再生能源发电系统和余热利用系统，所述可再生能源发电系统与氢气系统连接，所述氢气系统分别与然气系统和余热利用系统连接，所述然气系统与余热利用系统连接；所述氢气系统、然气系统和可再生能源发电系统还均与电网系统连接，所述然气系统还与然气管道连接；所述氢气系统还与燃料电池就地用户、氢气用户端连接，所述余热利用系统还与热用户端、冷/热用户端连接。
进一步而言，所述氢气系统包括电解水系统、储氢罐、燃料电池发电系统、储氧罐和氢膨胀发电系统，所述然气系统包括燃机发电机组、LNG储罐、气化系统和天然气燃料电池系统，所述可再生能源发电系统包括太阳能发电系统和斯特林热发电系统，所述余热利用系统包括余热锅炉发电系统、吸收式热泵系统和蓄冷/蓄热设备；所述太阳能发电系统、斯特林热发电系统均与电解水系统连接，所述电解水系统分别与储氢罐、储氧罐和氢膨胀发电系统连接，所述储氢罐分别与燃料电池发电系统、氢膨胀发电系统连接；所述燃料电池发电系统分别与余热锅炉发电系统、吸收式热泵系统连接，所述吸收式热泵系统还与蓄冷/蓄热设备连接；所述储氧罐分别与燃机发电机组、氧气用户端连接，所述LNG储罐与气化系统连接，所述气化系统分别与天然气燃料电池系统、燃机发电机组和蓄冷/蓄热设备连接，所述天然气燃料电池系统分别与余热锅炉发电系统、吸收式热泵系统连接。
进一步而言，所述氢膨胀发电系统与氢气用户端连接，所述燃料电池发电系统与燃料电池就地用户连接，所述余热锅炉发电系统与热用户端连接，所述蓄冷/蓄热设备与冷/热用户端连接。
进一步而言，所述气化系统与然气管道连接，所述然气管道与天然气燃料电池系统连接。
进一步而言，所述太阳能发电系统、斯特林热发电系统、电解水系统、燃料电池发电系统、氢膨胀发电系统、燃机发电机组、天然气燃料电池系统和余热锅炉发电系统均与电网系统连接。
所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法如下：
所述可再生能源发电系统利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水系统，多余的电量送入电网系统。
所述电解水系统优先使用可再生能源发电系统所发电力和电网系统谷段的电力，电解水系统产生的氢气进入储氢罐、产生的氧气进入储氧罐，氢膨胀发电系统所发电力优先供给电解水系统或就地消纳，多余电量送入电网系统。
所述燃料电池发电系统所发电力优先就地消纳，多余电量送电网系统；经氢膨胀发电系统后的氢气供给氢气用户端。
气化系统置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备，气化后的天然气进入外输然气管道，或者，部分进入天然气燃料电池系统或燃机发电机组，天然气燃料电池系统所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统或吸收式热泵系统，燃机发电机组所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统。
所述余热锅炉发电系统的余热蒸汽进入吸收式热泵系统或进入热用户端，吸收式热泵系统产生的冷/热量直接进入冷/热用户端或经蓄冷/蓄热设备后进入冷/热用户端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）为可再生能源提供了有效的二次载体-氢气，并可以将氢气储存起来，便于持续稳定地使用；
（2）氢能有效地缓解了天然气不足的状况，氢气燃烧的产物除了H2O 无其他中间产物，整个过程无污染，具有显著的环境效益和社会效益，且氢气可由水制取，资源丰富，达到持续发展的目的；
（3）氢燃料电池可以在谷段时间段消耗电能制氢并将能量储存下来，白天用电高峰期消耗氢气向电网送电，实现了电网调峰功能；
（4）天然气燃料电池/氢燃料电池可同时提供电能和可利用热，总利用效率可达90%，比传统的燃气轮机/内燃机/微燃机机组具有更高的能效，是对传统燃机的有效补充，且具有模块化结构，组装和维护方便，适应多种环境及气候条件，比传统燃机更灵活；
（5）余热利用系统具有储能装置，使得蓄冷/蓄热更加灵活，提高了整体的能源利用率，节约了资源；
（6）能源系统可以实现针对某区域或工业园区等的打包售电、售气、供冷/热等业务，实现盈利模式多样化；
（7）系统中各模块可根据用户需求量身定制，更加接近用户侧，且能源利用清洁高效；
（8）本发明可利用智能控制系统将氢能、天然气、电力等能源互联网有机地连接起来，依据市场行情、客户需求及成本等实时调控各模块工作状况，使整体用能最经济，整体能源转化最高。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图中：氢气系统A、然气系统B、可再生能源发电系统C、余热利用系统D、太阳能发电系统1、斯特林热发电系统2、电解水系统3、储氢罐4、燃料电池发电系统5、储氧罐6、氢膨胀发电系统7、燃机发电机组8、LNG储罐9、气化系统10、天然气燃料电池系统11、余热锅炉发电系统12、吸收式热泵系统13、电网系统14、然气管道15、氧气用户端16、热用户端17、燃料电池就地用户18、氢气用户端19、蓄冷/蓄热设备20、冷/热用户端21。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，包括氢气系统A、然气系统B、可再生能源发电系统C和余热利用系统D，可再生能源发电系统C与氢气系统A连接，氢气系统A分别与然气系统B和余热利用系统D连接，然气系统B与余热利用系统D连接；氢气系统A、然气系统B和可再生能源发电系统C还均与电网系统14连接，然气系统B还与然气管道15连接；氢气系统A还与燃料电池就地用户18、氢气用户端19连接，余热利用系统D还与热用户端17、冷/热用户端21连接。其中，氢气系统A、然气系统B、可再生能源发电系统C和余热利用系统D中任何一个系统故障其他几个系统都能进行补充。
本实施例中，氢气系统A包括电解水系统3、储氢罐4、燃料电池发电系统5、储氧罐6和氢膨胀发电系统7，然气系统B包括燃机发电机组8、LNG储罐9、气化系统10和天然气燃料电池系统11，可再生能源发电系统C包括太阳能发电系统1和斯特林热发电系统2，余热利用系统D包括余热锅炉发电系统12、吸收式热泵系统13和蓄冷/蓄热设备20；太阳能发电系统1、斯特林热发电系统2均与电解水系统3连接，电解水系统3分别与储氢罐4、储氧罐6和氢膨胀发电系统7连接，储氢罐4分别与燃料电池发电系统5、氢膨胀发电系统7连接；燃料电池发电系统5分别与余热锅炉发电系统12、吸收式热泵系统13连接，吸收式热泵系统13还与蓄冷/蓄热设备20连接；储氧罐6分别与燃机发电机组8、氧气用户端16连接，LNG储罐9与气化系统10连接，气化系统10分别与天然气燃料电池系统11、燃机发电机组8和蓄冷/蓄热设备20连接，天然气燃料电池系统11分别与余热锅炉发电系统12、吸收式热泵系统13连接。
本实施例中，氢膨胀发电系统7与氢气用户端19连接，燃料电池发电系统5与燃料电池就地用户18连接，余热锅炉发电系统12与热用户端17连接，蓄冷/蓄热设备20与冷/热用户端21连接。
本实施例中，气化系统10与然气管道15连接，然气管道15与天然气燃料电池系统11连接。
本实施例中，太阳能发电系统1、斯特林热发电系统2、电解水系统3、燃料电池发电系统5、氢膨胀发电系统7、燃机发电机组8、天然气燃料电池系统11和余热锅炉发电系统12均与电网系统14连接。
本实施例中，基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法如下：
可再生能源发电系统C利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水系统3，多余的电量送入电网系统14。
电解水系统3优先使用可再生能源发电系统C所发电力和电网系统14谷段的电力，电解水系统3产生的氢气进入储氢罐4、产生的氧气进入储氧罐6，氢膨胀发电系统7所发电力优先供给电解水系统3或就地消纳，多余电量送入电网系统14。
燃料电池发电系统5所发电力优先就地消纳，多余电量送电网系统14；经氢膨胀发电系统7后的氢气供给氢气用户端19。
气化系统10置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备20，气化后的天然气进入外输然气管道15，或者，部分进入天然气燃料电池系统11或燃机发电机组8，天然气燃料电池系统11所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统12或吸收式热泵系统13，燃机发电机组8所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统12。
余热锅炉发电系统12的余热蒸汽进入吸收式热泵系统13或进入热用户端17，吸收式热泵系统13产生的冷/热量直接进入冷/热用户端21或经蓄冷/蓄热设备20后进入冷/热用户端21。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：包括氢气系统（A）、然气系统（B）、可再生能源发电系统（C）和余热利用系统（D），所述可再生能源发电系统（C）与氢气系统（A）连接，所述氢气系统（A）分别与然气系统（B）和余热利用系统（D）连接，所述然气系统（B）与余热利用系统（D）连接；所述氢气系统（A）、然气系统（B）和可再生能源发电系统（C）还均与电网系统（14）连接，所述然气系统（B）还与然气管道（15）连接；所述氢气系统（A）还与燃料电池就地用户（18）、氢气用户端（19）连接，所述余热利用系统（D）还与热用户端（17）、冷/热用户端（21）连接。
2.根据权利要求1所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：所述氢气系统（A）包括电解水系统（3）、储氢罐（4）、燃料电池发电系统（5）、储氧罐（6）和氢膨胀发电系统（7），所述然气系统（B）包括燃机发电机组（8）、LNG储罐（9）、气化系统（10）和天然气燃料电池系统（11），所述可再生能源发电系统（C）包括太阳能发电系统（1）和斯特林热发电系统（2），所述余热利用系统（D）包括余热锅炉发电系统（12）、吸收式热泵系统（13）和蓄冷/蓄热设备（20）；所述太阳能发电系统（1）、斯特林热发电系统（2）均与电解水系统（3）连接，所述电解水系统（3）分别与储氢罐（4）、储氧罐（6）和氢膨胀发电系统（7）连接，所述储氢罐（4）分别与燃料电池发电系统（5）、氢膨胀发电系统（7）连接；所述燃料电池发电系统（5）分别与余热锅炉发电系统（12）、吸收式热泵系统（13）连接，所述吸收式热泵系统（13）还与蓄冷/蓄热设备（20）连接；所述储氧罐（6）分别与燃机发电机组（8）、氧气用户端（16）连接，所述LNG储罐（9）与气化系统（10）连接，所述气化系统（10）分别与天然气燃料电池系统（11）、燃机发电机组（8）和蓄冷/蓄热设备（20）连接，所述天然气燃料电池系统（11）分别与余热锅炉发电系统（12）、吸收式热泵系统（13）连接。
3.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：所述氢膨胀发电系统（7）与氢气用户端（19）连接，所述燃料电池发电系统（5）与燃料电池就地用户（18）连接，所述余热锅炉发电系统（12）与热用户端（17）连接，所述蓄冷/蓄热设备（20）与冷/热用户端（21）连接。
4.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：所述气化系统（10）与然气管道（15）连接，所述然气管道（15）与天然气燃料电池系统（11）连接。
5.根据权利要求2所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统，其特征在于：所述太阳能发电系统（1）、斯特林热发电系统（2）、电解水系统（3）、燃料电池发电系统（5）、氢膨胀发电系统（7）、燃机发电机组（8）、天然气燃料电池系统（11）和余热锅炉发电系统（12）均与电网系统（14）连接。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法，其特征在于：所述可再生能源发电系统（C）利用太阳能发电，所发的电量优先供给电解水系统（3），多余的电量送入电网系统（14）。
7.根据权利要求6所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法，其特征在于：所述电解水系统（3）优先使用可再生能源发电系统（C）所发电力和电网系统（14）谷段的电力，电解水系统（3）产生的氢气进入储氢罐（4）、产生的氧气进入储氧罐（6），氢膨胀发电系统（7）所发电力优先供给电解水系统（3）或就地消纳，多余电量送入电网系统（14）。
8.根据权利要求7所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法，其特征在于：所述燃料电池发电系统（5）所发电力优先就地消纳，多余电量送电网系统（14）；经氢膨胀发电系统（7）后的氢气供给氢气用户端（19）。
9.根据权利要求7或8所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法，其特征在于：气化系统（10）置换出的冷量进入冷管网或需冷工艺或蓄冷/蓄热设备（20），气化后的天然气进入外输然气管道（15），或者，部分进入天然气燃料电池系统（11）或燃机发电机组（8），天然气燃料电池系统（11）所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统（12）或吸收式热泵系统（13），燃机发电机组（8）所产生的高温烟气进入余热锅炉发电系统（12）。
10.根据权利要求9所述的基于天然气、氢气、电力的能源互联网系统的工作方法，其特征在于：所述余热锅炉发电系统（12）的余热蒸汽进入吸收式热泵系统（13）或进入热用户端（17），吸收式热泵系统（13）产生的冷/热量直接进入冷/热用户端（21）或经蓄冷/蓄热设备（20）后进入冷/热用户端（21）。
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