CN110544979A - 基于氢能燃料电池的水电站保安电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源；氢源通过管道输送至储氢装置进行存储；储氢装置内的氢气通过管道输送至氢燃料电池用作原料；氢燃料电池的输出端与逆变装置的输入端电连接；逆变装置的输出端与水电站厂用电系统的交流电压母线电连接；水电站厂用电系统的交流电压母线与保安负荷的输入端电连接；氢燃料电池输出的直流电经逆变装置转换为交流电后输出至水电站厂用电系统的交流电压，为保安负荷供电；储氢装置和氢燃料电池之间的管道上设置有输氢控制单元；还包括氢电联控装置，分别与输氢控制单元、氢燃料电池、逆变装置和交流电压母线电连接。本发明提供一种完全零排放、清洁环保的水电站保安电源新方式。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电机电技术领域，具体涉及一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源。
背景技术
为了取得水能落差，中大型水电站一般都有大坝等蓄水防洪设施，这些设施闸门的正常启闭直接关系整个电站的安全。因此水电站对这些重要的用电负荷设置保安电源，以确保这些设施的正常运行。除此之外，水电站内的消防设备、渗漏排水设备、电梯等也属于保安负荷。目前，水电站的保安电源均采用柴油发电机冷备用的方式。
水电站柴油发电机保安电源是在大坝、电站厂房等水电站涉及安全的重要部位设置柴油发电系统，包括柴油机、发电机、储油箱、排烟系统、配电设备等，柴油发电机通过电缆和上述重要用电负荷连接。在水电站失去正常工作电源以及所有外来电源时，通过快速启动柴油发电机向大坝泄洪闸门、消防、渗漏排水等保安设备供电。
当以柴油为燃料作为水电站保安电源动力源时，户内布置时需要设置专用的柴油机房、专用储油罐室，排烟通道；户外布置时需要外部连接的运输通道。不论户内、户外布置的柴油发电机均会在运行时产生大量的废气和噪音，即使是短时运行也极不环保。且大型水电站大坝内设置柴油发电机房和油罐邮箱等储油装置，消防安全需特殊设计和考虑。
氢能作为一种环保燃料，已大规模应用于工业场所，其衍生产品氢燃料电池具有温室气体零排放、无污染、无噪音、易维护等优点。目前氢燃料电池主要应用于新能源汽车行业，但由于价格高昂、布置尺寸限制等尚未大规模普及，在水电站中尚未涉及研究与应用。然而水电站水量充足，有时又因电能无法消纳导致“弃水”而造成能源浪费，这些都为水电站通过“弃水”制氢创造了有利条件，从而实现能源的再利用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源，取代了常规柴油发电机组，实现了零排放、清洁环保的保安方式。
本发明提供了一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于包括氢源、储氢装置、氢燃料电池、逆变装置；氢源通过管道输送至储氢装置进行存储；储氢装置内的氢气通过管道输送至氢燃料电池用作原料；氢燃料电池的输出端与逆变装置的输入端电连接；逆变装置的输出端与水电站厂用电系统的交流电压母线电连接；水电站厂用电系统的交流电压母线与保安负荷的输入端电连接；氢燃料电池输出的直流电经逆变装置转换为交流电后输出至水电站厂用电系统的交流电压，为保安负荷供电；储氢装置和氢燃料电池之间的管道上设置有输氢控制单元；输氢控制单元包括泵、阀门、压力调节器和流量调节器，用于控制储氢装置对氢燃料电池的氢气供给量；还包括氢电联控装置，分别与输氢控制单元、氢燃料电池、逆变装置和交流电压母线电连接；氢电联控装置通过逻辑判断水电站厂用电系统状态，当交流电压母线失去正常工作电源，启动氢燃料电池为保安负荷供电；氢电联控装置根据保安负荷容量以及负荷特性，通过输氢控制单元控制储氢装置输送的氢气压力、流量和氢燃料电池输出的电压、电流、频率。
上述技术方案中，储氢装置和氢燃料电池之间的管道内设置有流量监测元件，实时反馈向氢电联控装置反馈管道内氢气流量；氢电联控装置根据保安负荷特性、电池能量密度与电功率输出的变化及关系，确定合理的补气值并以此控制输氢控制单元调节管道内氢气流量。
上述技术方案中，氢燃料电池集成有监测及控制元件，监测及控制元件实时反馈向氢电联控装置反馈温度信息和湿度信息；氢电联控装置通过确定系统合理的工作温度及膜的湿度，控制氢燃料电池反应物流速与流量。
上述技术方案中，氢燃料电池采用质子交换膜燃料电池，氢燃料电池容量根据水电站厂用电系统保安负荷的大小确定。
上述技术方案中，储氢装置现地布置，采用1000Mpa及以下的高压气态储氢方式或低温液态存储方式将氢气存储于特制容器中，放置位置是地面或采用地下存储。
上述技术方案中，逆变装置将氢燃料电池输出的直流电转换为400V交流电或35kV及以下其他各类厂用电电压等级。
上述技术方案中，氢源采用电解氢工艺在水电站内制氢或采用压缩氢气或液化氢成品。
当电站出现事故，常规厂用电系统各级供电电源均失效时，此情况下，正常交流工作电源和交流电压母线失电，相应信号传递至氢电联控装置，氢电联控装置随即向逆变装置输入工作信号，逆变装置随即投入工作状态，向交流电压母线充电，供给保安负荷
本发明通过氢燃料电池、储氢系统等与常规供电系统的优化配置研究，将氢燃料电池应用于水电站保安电源系统，取代了常规柴油发电机组，实现了零排放、清洁环保的保安电源供电系统。本发明与传统柴油发电机作为水电站保安电源相比，主要优势有：(1)水电站水能资源丰富，本发明所需氢源可利用水电站“弃水”制氢而取得，无能量成本。(2)氢燃料电池能作为一种清洁能源，无污染、无噪音。(3)设备维护工作量小。(4)电能质量高、电压稳定性好、供电可靠性高、供电响应快。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
其中，1-氢源，2-储氢装置，3-氢燃料电池，4-逆变装置，5-保安负荷，6-氢电联控装置，7-变压器，8-正常工作交流电源，9-保安负荷，10-非保安负荷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于包括氢源、储氢装置、氢燃料电池、逆变装置；氢源通过管道输送至储氢装置进行存储；储氢装置内的氢气通过管道输送至氢燃料电池用作原料；氢燃料电池的输出端与逆变装置的输入端电连接；逆变装置的输出端与水电站厂用电系统的交流电压母线电连接；水电站厂用电系统的交流电压母线与保安负荷的输入端电连接；氢燃料电池输出的直流电经逆变装置转换为交流电后输出至水电站厂用电系统的交流电压，为保安负荷供电；储氢装置和氢燃料电池之间的管道上设置有输氢控制单元；输氢控制单元包括泵、阀门、压力调节器和流量调节器，用于控制储氢装置对氢燃料电池的氢气供给量；还包括氢电联控装置，分别与输氢控制单元、氢燃料电池、逆变装置和交流电压母线电连接；氢电联控装置通过逻辑判断水电站厂用电系统状态，当交流电压母线失去正常工作电源，启动氢燃料电池为保安负荷供电；氢电联控装置根据保安负荷容量以及负荷特性，通过输氢控制单元控制储氢装置输送的氢气压力、流量和氢燃料电池输出的电压、电流、频率。本发明通过通过功率管理模块，针对不同保安负荷通过改变氢燃料电池的进气量来控制、调节氢燃料电池输出的电功率，保证供电电压和供电电流的稳定，提供良好的瞬态响应。
上述技术方案中，储氢装置和氢燃料电池之间的管道内设置有流量监测元件，实时反馈向氢电联控装置反馈管道内氢气流量；氢电联控装置根据保安负荷特性、电池能量密度与电功率输出的变化及关系，确定合理的补气值并以此控制输氢控制单元调节管道内氢气流量。
上述技术方案中，氢燃料电池集成有监测及控制元件，监测及控制元件实时反馈向氢电联控装置反馈温度信息和湿度信息；氢电联控装置通过确定系统合理的工作温度及膜的湿度，控制氢燃料电池反应物流速与流量。
上述技术方案中，氢燃料电池采用质子交换膜燃料电池，通过供给氢和氧，产生直流电，发电仅产生水，实现了水电站保安电源供电的无污染和零排放。氢燃料电池容量根据水电站厂用电系统保安负荷的大小确定。
上述技术方案中，储氢装置现地布置，采用1000Mpa及以下的高压气态储氢方式或低温液态存储方式将氢气存储于特制容器中，放置位置是地面或采用地下存储以及满足相关消防要求。
上述技术方案中，逆变装置将氢燃料电池输出的直流电转换为400V交流电或35kV及以下其他各类厂用电电压等级。所述氢燃料电池组通过电缆与DC-AC逆变即逆变装置器连接。
上述技术方案中，氢源采用电解氢工艺在水电站内制氢或采用压缩氢气或液化氢成品。氢源可以源自电站本身电解氢，该方法适用所有水电站(厂)。氢源可利用水电站“弃水”产生的电能，采用电解氢工艺在水电站内制氢；所制得的氢气在水电站内采用车辆运输或采用管道以10MPa及以下压力运输压缩氢气至储氢装置所在地；也可采用其它任何方式制氢获取成品。运输产品氢气的方式为：采用车辆、火车、驳船运输压缩氢气或液化氢；或采用管道以10MPa及以下压力运输压缩氢气；或采用化学载体运输。本发明对电站设备节能降耗，尤其对于实现水电站发电-输电-运维全过程零排放和100％清洁可再生能源开发和利用具有重要意义。
氢燃料电池能量密度参数的设定、DC-AC逆变供电电压和供电电流稳定是该新保安电源方式下的重要技术组成部分：(1)纯净的氢气进入流量系统，包括管道、泵、阀、压力或流量调节器等，通过流量监测，用以提供足够的反应物，在考虑保安负荷特性、电池能量密度与电功率输出的变化及关系，确定合理的补气值。(2)通过监测及控制元件确定系统合理的工作温度及膜的湿度，控制反应物流速与流量。(3)通过功率管理模块，针对不同负荷通过改变进气量来控制、调节燃料电池输出的电功率，保证供电电压和供电电流的稳定，提供良好的瞬态响应。
基于氢燃料电池的水电站保安电源操作运行方式如下：
(1)发生全厂停电时，运行人员操作注意事项：当发生全厂停电事故时，所有机组全部跳闸，有可能会造成机组停机流程无法执行完毕，严密观测机组停机情况，手动辅助，确保正常停机，避免事故扩大。
(2)保安电源投入操作步骤：检查所有10KV、0.4KV厂用相关的所有开关在分闸，若没有分闸，手动断开；检查氢燃料电池监控信息、压力阀表、气体罐表等一切可以显示保安电源可正常投切的信息点，确认其具备投入条件后，首先开启供氢及供氧阀门，将氢气和氧气输入氢燃料电池系统，当氢燃料电池系统正常工作后，合上保安电源向系统供电侧开关，当系统供电侧母线开关充电正常后；合上保安负荷馈线开关，主要包括：1)(地下)厂房的渗漏排水用电负荷；2)(地下)厂房必要的通风设备、事故照明等负荷；3)电站消防水泵、事故排烟风机、消防电梯等消防用电负荷；4)电站上、下水库大坝等泄洪设施用电负荷(如有)；上、下游水道工作闸门启闭设备等用电负荷(如有)。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于包括氢源、储氢装置、氢燃料电池、逆变装置；氢源通过管道输送至储氢装置进行存储；储氢装置内的氢气通过管道输送至氢燃料电池用作原料；氢燃料电池的输出端与逆变装置的输入端电连接；逆变装置的输出端与水电站厂用电系统的交流电压母线电连接；水电站厂用电系统的交流电压母线与保安负荷的输入端电连接；氢燃料电池输出的直流电经逆变装置转换为交流电后输出至水电站厂用电系统的交流电压，为保安负荷供电；储氢装置和氢燃料电池之间的管道上设置有输氢控制单元；输氢控制单元包括泵、阀门、压力调节器和流量调节器，用于控制储氢装置对氢燃料电池的氢气供给量；还包括氢电联控装置，分别与输氢控制单元、氢燃料电池、逆变装置、正常交流工作电源和交流电压母线电连接；氢电联控装置通过逻辑判断水电站厂用电系统状态，交流电压母线、正常交流工作电源失电，启动氢燃料电池为保安负荷供电；氢电联控装置根据保安负荷容量以及负荷特性，通过输氢控制单元控制储氢装置输送的氢气压力、流量和氢燃料电池输出的电压、电流、频率。
2.根据权利要求1所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于储氢装置和氢燃料电池之间的管道内设置有流量监测元件，实时反馈向氢电联控装置反馈管道内氢气流量；氢电联控装置根据保安负荷特性、电池能量密度与电功率输出的变化及关系，确定合理的补气值并以此控制输氢控制单元调节管道内氢气流量。
3.根据权利要求2所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于氢燃料电池集成有监测及控制元件，监测及控制元件实时反馈向氢电联控装置反馈氢燃料电池的温度信息和湿度信息；氢电联控装置通过确定氢燃料电池合理的工作温度及膜的湿度，控制氢燃料电池反应物流速与流量。
4.根据权利要求3所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于氢燃料电池采用质子交换膜燃料电池，氢燃料电池容量根据水电站厂用电系统保安负荷的大小确定。
5.根据权利要求1所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于储氢装置现地布置，采用1000Mpa及以下的高压气态储氢方式或低温液态存储方式将氢气存储于特制容器中，放置位置是地面或采用地下存储。
6.根据权利要求1所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于逆变装置将氢燃料电池输出的直流电转换为400V交流电或35kV及以下其他各类厂用电电压等级。
7.根据权利要求1所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于氢源采用电解氢工艺在水电站内制氢或采用压缩氢气或液化氢成品。
8.根据权利要求1所述的基于氢能燃料电池的水电站保安电源，其特征在于当电站出现事故，常规厂用电系统各级供电电源均失效时，此情况下，正常交流工作电源和交流电压母线失电，相应信号传递至氢电联控装置，氢电联控装置随即向逆变装置输入工作信号，逆变装置随即投入工作状态，向交流电压母线充电，供给保安负荷。
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