CN110543157A - 一种多能互补智慧供应热电氢的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能互补智慧供应热电氢的系统及方法，系统包括依次连接的天然气发电装置、电源转换装置、固态氧化物电解池堆和热交换装置，其中：所述天然气发电装置分别与天然气调压计量装置、空气供给系统和热交换装置连接；所述电源转换装置分别与分布式光伏发电装置、分布式风力发装置和电网送出装置连接；所述固态氧化物电解池堆的蒸汽入口依次与热交换装置和水处理装置连接，所述固态氧化物电解池堆的氢气出口依次与氢气脱水装置和氢气增压装置连接。本发明旨在提高天然气、风力、光伏的综合利用效率，为终端用能企业提供最丰富的产品，实现能源的综合供应，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种依托天然气成熟的储运发电技术和风力、光伏新能源发电技术进行多能互补、供应耦合，实现对电力网，热力网，氢气网等类主要终端能源网络的错峰智能供应系统。
背景技术
天然气(Natural Gas)，是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低，因而能从根本上改善环境质量，被公认是地球上最干净的化石能源。
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
风力发电是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的风速(微风的程度)，便可以开始发电。
全球风能、水能、太阳能等清洁能源资源非常丰富，理论年可开采量相当于全球化石能源剩余探明可采储量的38倍。但他们致命缺点是不能长期稳定的提供能源输出，需要依靠现有能源系统补能调峰或单独配置储能调峰系统。
电解水制氢过程实际上是一种能量转换过程，即将一次能源转换为能源载体氢能的过程。因此电解水制氢系统组成主要由一次能源系统和电解池系统组成。SOEC电解制氢系统工作原理为:一次能源系统输出电能和高温热能至SOEC电解池系统，在电能和高温热能的共同作用下，将水蒸气电解生成氢气和氧气。从热力学角度，随着温度升高，水的理论分解电压有所下降，制氢过程中电能的消耗减少，热能的消耗增加，能量转换效率可以超过90％。具体的反应为:
阴极反应:H2O+2e－→H2+O2－
阳极反应:O2 －→2e－+1/2O2
总反应:H2O→H2+1/2O2
工业用户是天然气贸易商的主要客户群体之一，当工业用户购买天然气后，最终还是通过天然气化学反应产生热能、电能、冷能、氢气等来加工工业产品。工业用户的行业一般集中在精细化工、制药、造纸、化肥、石油化工、不锈钢及金属加工和锂电池等行业，用户终极需求主要是电能、蒸汽、热水、热风、导热油、氢气、冷冻水和冷热空调等。这样来看，传统的天然气贸易效率是很低的，每个终端用户只能从贸易商处采办天然气，并自己投入大量的人力、物力和财力来自建装置获得最终想要的热能、冷能、电能、氢气等。在这种最原始的贸易模式中，工业用户不仅要自己投资天然气储运设施、燃气轮机、燃气锅炉，冰机装置、发电装置、制氢及提纯装置而且还要安排专业技术人员负责这些设施的运行和维护。
本发明主要采用天然气作为主体能源发电、供热、制冷，同时考虑整合风力、光伏分布式发电设备构成耦合多能互补系统，利用天然气发电副产废热、风力、光伏富余电力通过SOEC电解水制氢储能。本发明提供了一套工业园热能、冷能、电能、氢气综合供给的方案。不仅可以降低园区内工业用户的投资成本和生产成本，而且还能为能源供应商自己带来增值，产品多样化。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种多能互补智慧供应热电氢的系统及方法，旨在提高天然气、风力、光伏的综合利用效率，为终端用能企业提供最丰富的产品，实现能源的综合供应，应用前景广阔。
本发明所采用的技术方案是：一种多能互补智慧供应热电氢的系统，包括依次连接的天然气发电装置、电源转换装置、固态氧化物电解池堆和热交换装置，其中：所述天然气发电装置分别与天然气调压计量装置、空气供给系统和热交换装置连接；所述电源转换装置分别与分布式光伏发电装置、分布式风力发装置和电网送出装置连接；所述固态氧化物电解池堆的蒸汽入口依次与热交换装置和水处理装置连接，所述固态氧化物电解池堆的氢气出口依次与氢气脱水装置和氢气增压装置连接。
本发明还提供了一种多能互补智慧供应热电氢的方法，包括如下内容：
一、天然气发电系统产生电力和热能：
管网来的天然气经调压计量系统调压到中压后送至天然气发电装置，空气供给系统将空气压缩到中压后送至天然气发电装置，所述天然气发电装置将产生的电力发送给电源转换装置，同时将产生的高温尾气送至热交换装置；
二、电力供应系统为电网和固态氧化物电解池堆提供电能：
所述电源转换装置将天然气发电装置产生的电力与风力、光伏发电装置产生的电力耦合后稳定对电网输出提供电力；同时将风力、光伏发电装置产生的电力、电网低谷电转换后输出给固态氧化物电解池堆；
三、制氢系统提供燃料氢气
所述固态氧化物电解池堆将高温品水蒸气分解成含水氢气和氧气，其中：含水氢气经过脱水、增压后成为燃料氢气，副产的氧气则送至天然气补燃装置实现富氧助燃提高燃烧效率和燃烧温度为热交换装置补充热量；
四、热交换装置利用回收的热能生产高品位蒸汽和低品位热水：
所述天然气发电装置副产的高温尾气、固态氧化物电解池堆副产的高温产品气、天然气补燃装置生产的高温气，均通向热交换装置进行梯级换热，回收的热能将水处理装置产生的纯净水加热成为高品位蒸汽和低品位热水。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明提出了依靠天然气发电副产废热维持反应制氢温度，利用SOEC电解水制氢来储存风力、光伏、电网富余电力的技术路线，实现了多能互补、高效利用。本发明能实现蒸汽、热水、冷水、电力、燃料电池级氢的能源综合对外供应，是未来综合能源供应站切实可行的建设模式之一，为能源供应商带来增值，产品多样化。本发明提供了一种依托天然气成熟的储运发电体系和风力、光伏发电技术进行能源供应耦合，建设以供应电力网，热力网，氢气网等类主要终端能源网络的为目的智能供应系统。本发明也可以用于大规模制氢、氢气液化工厂。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为一种多能互补智慧供应热电氢的系统的示意图。
具体实施方式
一种多能互补智慧供应热电氢的系统，如图1所示，主要包括：天然气调压计量装置1、空气供给系统2、天然气发电装置3、电源转换装置4、电网供电接入装置5、电网送出装置6、分布式光伏发电装置7、分布式风力发装置8、固态氧化物电解池堆9、热交换装置10、水处理装置11、溴化锂制冷机12、氢气脱水装置13、氢气增压装置14、天然气补燃装置15、尾气排放系统16、氢热电三网智能感知控制模块17。
具体地，
1)由天然气调压计量装置1、空气供给系统2、天然气发电装置3、热交换装置10、天然气补燃装置15、尾气排放系统16等组成了天然气发电系统来产生电力和热能。
天然气通过天然气调压计量装置1将压力调整成稳定压力；天然气调压计量装置1出口的天然气分两股，第一股由管道连接天然气发电装置3的入口实现燃气发电，并产生高温尾气通过热交换装置10回收热量后排放至尾气排放系统16；第二股送至天然气补燃装置15进行富氧燃烧，燃烧后的高温气为热交换装置10提供额外高品位热量。
空气自大气中吸入空气供给系统2，增压后的空气分两股，第一股空气通过管道送至天然气发电装置3的空气入口参加燃气发电，并产生高温尾气通过热交换装置10回收热量后排放至尾气排放系统16；第二股空气送至天然气补燃装置15燃烧，燃烧后的高温气为热交换装置10提供额外热量。
其中：
天然气发电装置3可以是燃气内燃机、燃气轮机、固态氧化物电池等关键设备组成的系统。
热交换装置10可以是管壳式换热器、板式换热器、蓄热式换热器等关键设备组成的系统。
空气供给系统2可以是螺杆压缩机、往复压缩机、离心压缩机等关键设备组成的系统。
2)由天然气发电装置3、电源转换装置4、电网供电接入装置5、电网送出装置6、分布式光伏发电装置7、分布式风力发装置8等组成了电力供应系统，为电网和固态氧化物电解池提供电能。
天然气发电装置3产生的电力通过电缆通至电源转换装置4；分布式光伏发电装置7产生的电力通过电缆通至电源转换装置4；分布式风力发装置8产生的电力通过电缆通至电源转换装置4；电网供电接入装置5在用电低谷时可以通过电缆将富余电力送至电源转换装置4；电源转换装置4根据电网需求进行发电送出；电源转换装置4将不能送出的电力转化成为满足固态氧化物电解池的电流。
3)固态氧化物电解池堆9、热交换装置10、水处理装置11、氢气脱水装置13、氢气增压装置14等组成了制氢系统。
自来水经水处理装置11深度杂质脱出后，通过管道经热交换装置10加热成蒸汽后送至固态氧化物电解池堆9入口参加制氢反应。固态氧化物电解池堆9分别产生含水氢气和高纯氧气，其中含水氢气送至热交换装置10回收热能后经氢气脱水装置13脱除水分，并最终送至氢气增压装置14压缩至合适的压力去终端用户或者氢气管网。固态氧化物电解池堆9产生的高纯氧气则送至天然气补燃装置15参加天然气富氧燃烧反应为制氢补充消耗的热能。
其中：
水处理装置11可以是现场脱盐水装置；也可以是纯净水储存供给装置，由外部统一进行水处理后配送。
4)热交换装置10、水处理装置11、溴化锂制冷机12等组成了制冷系统。
自来水经水处理装置11杂质脱出后，通过管道经热交换装置10加热成热水，在夏季市场对热水缺少消耗时，可以送至溴化锂制冷机12转化成冷水外输给终端用户用于温度调节等消费。
5)氢热电三网智能感知控制模块17
氢热电三网智能感知控制模块17具有感知电网、热力管网、氢能管网三网需求，控制全厂设备运行状态的功能。氢热电三网智能感知控制模块17可以根据三网实时消费需求数据智能调节装置工作负荷，实现以下效果：1对电网、光伏、风力富余电能的吸纳并制氢储进氢能管网；2对电网峰值需求的感知，将装置主要能源作为电力输出进电网调峰；3对热力管网需求的感知，调整相关负荷转化成热能满足热力用户需要。
其中：
本发明可以根据热力管网、电网、氢能管网三网用户特性，指定其中天然气或氢能来建设储能设施承受需求波动，以帮助实现热力管网、电网、氢能管网用户的需求实时保障。
本发明还提供了一种采用天然气、风力、光伏等多能互补来实现热电氢智慧供应的方法，包括如下内容：
一、通过调压计量系统的天然气，空气供给系统提供的空气经由天然气发电装置产生电力送至电源转换装置4，与风力、光伏发电装置产生的电力，耦合后稳定对电网输出提供电力；
二、天然气发电装置3副产的高温尾气、固态氧化物电解池堆9副产的高温产品气、天然气补燃装置15富氧燃烧生成的高温气，都通向热交换装置10进行梯级热能回收，回收的热能将水处理装置产生的纯净水加热为高品位蒸汽和低品位热水。
三、当夏季热水需求量较低时，则考虑热水供给溴化锂制冷机12转换成冷却水，实现对外供应冷却水。
四、风力、光伏、电网低谷电等电力经由电源转换装置4输出给固态氧化物电解池堆9，用于将高温品水蒸气分解成含水氢气和氧气，其中含水氢气经过脱水、增压后成为燃料氢气，用于氢气外输管网和用氢客户。
五、本发明利用氢热电三网智能感知控制模块感知电网、热力网、氢能网三网需求，智能调节全厂装置负荷，实现：
1、对电网、光伏、风力电能的吸纳并制氢储进氢能管网；
2、对电网峰值需求的感知，调整主要负荷转化成电力输出进电网调峰；
3、对热力管网需求的感知，调整主要负荷转化成热能满足热力用户需要。
本发明的工作原理是：
本发明提供了一种依托天然气成熟的储运发电体系和风力、光伏发电技术进行能源供应耦合，建设以供应电力网，热力网，氢气网等类主要终端能源网络为目的的智能供应系统。旨在提高天然气、风力、光伏的综合利用效率，为终端用能企业提供最丰富的产品。
流程1：管网来的天然气经调压计量系统1调压到中压(0.4MPa左右)然后送至天然气发电装置3；空气供给系统2将空气压缩到中压(0.4MPa左右)然后送至天然气发电装置3；在燃气发电装置里利用天然气与空气反应的化学能发电(根据不同发电设备选型，获得不同电压)外送或制氢，产生高温尾气用于回收生成蒸汽或热水。
流程2：风力、光伏、电网富余低谷电力经由电源转换装置4输出(输出电压1V左右)给固态氧化物电解池堆9，用于将高温品水蒸气分解成含水氢气和氧气；电解水蒸气时，水蒸气(需掺混有少量H2，保证阴极的还原气氛以防止Ni被氧化)从电解池的阴极进入，在阴极发生电解生成H2和O2 －，O2 －通过电解质层的传导到达阳极侧，在阳极失去电子生成O2。其中含水氢气经过脱水、增压后可以成为性能优异的氢能输送至氢能管网或终端用户。其中产生的氧气则送至天然气补燃装置15实现富氧助燃提高燃烧效率和燃烧温度为热交换装置10补充热量。
流程3：当夏季热水需求量较低时，热交换装置10输出的热水则供给溴化锂制冷机12转换成冷却水，实现对外供应冷却水。
Claims (10)
1.一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：包括依次连接的天然气发电装置、电源转换装置、固态氧化物电解池堆和热交换装置，其中：所述天然气发电装置分别与天然气调压计量装置、空气供给系统和热交换装置连接；所述电源转换装置分别与分布式光伏发电装置、分布式风力发装置和电网送出装置连接；所述固态氧化物电解池堆的蒸汽入口依次与热交换装置和水处理装置连接，所述固态氧化物电解池堆的氢气出口依次与氢气脱水装置和氢气增压装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述天然气调压计量装置和空气供给系统分别与天然气补燃装置连接，所述天然气补燃装置与热交换装置的高温尾气入口连接。
3.根据权利要求2所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述固态氧化物电解池堆的氧气出口依次与热交换装置和天然气补燃装置连接。
4.根据权利要求1所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述水处理装置依次与热交换装置和热水输出管道连接。
5.根据权利要求4所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述水处理装置与溴化锂制冷机形成冷却水循环系统，所述热水输出管道与溴化锂制冷机连接。
6.根据权利要求1所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述电源转换装置与电网供电接入装置连接。
7.根据权利要求1所述的一种多能互补智慧供应热电氢的系统，其特征在于：所述热交换装置的蒸汽出口与蒸汽输出管道连接。
8.一种多能互补智慧供应热电氢的方法，其特征在于：包括如下内容：
一、天然气发电系统产生电力和热能：
管网来的天然气经调压计量系统调压到中压后送至天然气发电装置，空气供给系统将空气压缩到中压后送至天然气发电装置，所述天然气发电装置将产生的电力发送给电源转换装置，同时将产生的高温尾气送至热交换装置；
二、电力供应系统为电网和固态氧化物电解池堆提供电能：
所述电源转换装置将天然气发电装置产生的电力与风力、光伏发电装置产生的电力耦合后稳定对电网输出提供电力；同时将风力、光伏发电装置产生的电力、电网低谷电转换后输出给固态氧化物电解池堆；
三、制氢系统提供燃料氢气
所述固态氧化物电解池堆将高温品水蒸气分解成含水氢气和氧气，其中：含水氢气经过脱水、增压后成为燃料氢气，产生的氧气送至天然气补燃装置实现富氧助燃提高燃烧效率和燃烧温度为热交换装置补充热量；
四、热交换装置利用回收的热能生产高品位蒸汽和低品位热水：
所述天然气发电装置产生的高温尾气、固态氧化物电解池堆产生的高温产品气、天然气补燃装置产生的高温气，均通向热交换装置进行热能回收，回收的热能将水处理装置产生的纯净水生产为高品位蒸汽和低品位热水。
9.根据权利要求8所述的一种多能互补智慧供应热电氢的方法，其特征在于：当夏季热水需求量较低时，热交换装置输出的热水则供给溴化锂制冷机转换成冷却水，用于对外供应。
10.根据权利要求8所述的一种多能互补智慧供应热电氢的方法，其特征在于：采用氢热电三网智能感知控制模块感知电网、热力网、氢能网三网需求，智能调节全厂装置负荷，实现：
(1)对电网、光伏、风力电能的吸纳并制氢，储进氢能管网；
(2)对电网峰值需求的感知，将主要能源作为电力输出进电网调峰；
(3)对热力管网需求的感知，调整相关负荷转化成热能满足热力用户需要。
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