CN113357086A - 一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于氢能的风‑火耦合冷热电联供系统，包括风力发电系统、火力发电系统、电解水制氢系统、燃料电池系统及吸收式制冷系统。风力发电系统及火力发电系统与总线连接，当火力发电系统调峰能力到达下限时，风力发电系统的多余电能给所述电解水制氢系统供电；所述电解水制氢系统用于制备氢气，在电能富余时，将氢气送入燃料电池；在电能不足时，燃料电池工作，并利用燃料电池余热带动燃气轮机工作，提高能量利用效率，补偿功率缺额。吸收式制冷系统与电解水制氢系统连接，利用电解水制氢系统的余热制冷。本发明既提升了火力发电系统深度调峰极限及其经济性，也对系统余热进行了充分利用，最终实现冷热电联供。

Description

一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统
技术领域
本发明涉及一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统。
背景技术
从我国能源转型趋势上看，经过多年的快速发展，无论是装机容量和发电总量，我国均是居世界第一的风电、光伏等新能源发电大国。
但是，伴随装机容量的快速增加，风电消纳问题将是一个长期存在的动态问题。总的来看，本地电能有效需求不足使供需长期失衡、新能源电源的出力间歇和波动特性使并网消纳严重不足，是高“弃风窝电”的主要原因。2019年全网弃风电量169亿千瓦时，主要发生在“三北”地区，占全国弃风电量的80％以上。
发明内容
为克服现有技术所存在的问题，本发明提出一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，利用弃风来制氢，并将产生的氢气供给燃料电池系统，燃料电池系统辅助火力发电系统进行深度调峰，从而达到消纳弃风电力，加大深度调峰极限并提高能量利用效率的目的。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述的风-火耦合冷热电联供系统包括：风力发电系统、火力发电系统、电解水制氢系统、燃料电池系统及吸收式制冷系统；其中，风力发电系统分别与所述电解水制氢系统以及负荷连接，为负荷供电，当火力发电系统调峰能力到达下限时，多余电能给所述电解水制氢系统供电；所述电解水制氢系统与燃料电池系统连接，产生的氢气存储在储氢罐中，在总发电功率小于负荷需求时，氢气送入燃料电池系统；燃料电池系统与电解水制氢系统及负荷相连接，在风力发电机组功率无法满足负荷需求时，使用储氢罐中的氢气工作，燃气轮机利用燃料电池产生的余热工作，共同补偿功率缺额；火力发电系统与负荷相连接，为风电调峰；风力发电系统产生的多余电能电解水制氢，燃料电池系统辅助发电，吸收式制冷系统利用余热制冷，既提升了火力发电系统深度调峰极限及其经济性，也对系统余热进行了充分利用，最终实现冷热电联供。
所述风力发电系统与电解水制氢系统相连；当火力发电系统调峰能力到达调峰下限时，风力发电系统所产生的多余电能用于电解水制氢，其余时刻，风力发电系统产生的电能全部送至负荷。
所述电解水制氢系统包括：电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、纯化系统、原料水箱、补水泵、碱液循环泵及过滤器；其中：
所述电解槽分别与所述过滤器、冷却器、及风力发电系统中的机侧AC/DC变流器相连。风力发电系统通过机侧AC/DC变流器为电解槽提供直流电压，过滤器为电解槽补充碱液，电解槽中所产生的含碱液的氢气与氧气通至冷却器中冷却，冷却器分别与氢分离器、氧分离器连通；氧分离器与氧气罐连通，并通过纯化系统与燃料电池系统连接。冷却后仍含碱液的氢气与氧气分别通至氢分离器与氧分离器中完成气液分离，分离出的氧气通至氧气罐储存，分离出的氢气通至纯化系统纯化后通过压缩机压缩，之后通至燃料电池系统中。所述的原料水箱与补水泵连接，补水泵与氢分离器、氧分离器连接，根据电解槽中碱液情况，原料水箱通过补水泵添加适当碱液到氢分离器与氧分离器中；氢分离器、氧分离器与碱液循环泵连接，碱液循环泵与冷却器相连，冷却器与过滤器相连，分离出的碱液与添加的碱液通过管道进入碱液循环泵，碱液循环泵将碱液通至冷却器中冷却，再将冷却后的碱液通至过滤器过滤，过滤后的碱液通至电解槽中；冷却水通至冷却器中，进行热交换后，将热能送至吸收式制冷系统；电解水制氢系统产生的氢气通入压缩机，将产生的氢气压缩并送至燃料电池系统。
所述燃料电池系统包括：储氢罐、燃料电池、预热器、后燃室、DC/AC变流器、燃气轮机及发电机；其中，
燃料电池系统与电解水制氢系统相连，当电能不足时，所述储氢罐将氢气送出；氢气与氧气通过压缩机后，进入预热器；预热器对通入的氢气和氧气加热，然后分别送入燃料电池的阴极和阳极；氢气和氧气在燃料电池中燃烧后，通入后燃室，让气体进一步燃烧；后燃室中的高温燃气排出，被燃气轮机利用，带动发电机发电，之后燃气轮机的排气热量送入预热器进一步利用；预热空气之后的乏汽经过换热器，为生活热水提供热能；在负荷所需电能不足时，燃料电池发出的电能通过DC/AC变流器变为交流，再通过变压器与负荷连接，与燃气轮机所发电能共同补偿功率缺额。
所述的吸收式制冷系统包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液热交换器及节流阀；其中，
电解水制氢系统的余热通至发生器中；发生器分别与冷凝器及吸收器相连，经过加热，发生器内溶液中的制冷剂被蒸发出来，送入冷凝器，另一方面，因制冷剂被析出，发生器中的溶液经过溶液热交换器冷却且节流阀降压后，变为有吸收能力的吸收液，被溶液泵泵入吸收器中；冷凝器分别与发生器及蒸发器相连，高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经过节流后到蒸发器，制冷剂蒸发带走外部输入的空调冷冻水的热量，完成制冷；在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的溶液，并将该溶液用泵送到发生器；冷凝器和吸收器在工作过程中，会释放热，通过冷却水对温度进行调控。
所述的火力发电系统在负荷高峰时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，增加发电机出力；在负荷低谷时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，减少发电机出力。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益成果：
1)通过电解水制氢为燃料电池系统提供氢气，降低燃料电池加氢成本；
2)风力发电系统产生的多余电能电解水制氢，燃料电池系统辅助发电，提升了火力发电系统深度调峰极限及其经济性。
3)利用余热，提高了系统能量的利用效率，并可为多种形式的负荷提供能量。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统包括：风力发电系统、火力发电系统、电解水制氢系统、燃料电池系统及吸收式制冷系统；其中，风力发电系统分别与所述电解水制氢系统以及负荷连接，为负荷供电，当火力发电系统调峰能力到达下限时，多余电能给所述电解水制氢系统供电；所述电解水制氢系统与燃料电池系统连接，产生的氢气存储在储氢罐中，在总发电功率小于负荷需求时，氢气送入燃料电池系统；燃料电池系统与电解水制氢系统及负荷相连接，在风力发电机组功率无法满足负荷需求时，使用储氢罐中的氢气工作，燃气轮机利用燃料电池产生的余热工作，共同补偿功率缺额；火力发电系统与负荷相连接，为风电调峰；风力发电系统产生的多余电能电解水制氢，燃料电池系统辅助发电，吸收式制冷系统利用余热制冷，既提升了火力发电系统深度调峰极限及其经济性，也对系统余热进行了充分利用，最终实现冷热电联供。
所述风力发电系统与电解水制氢系统相连；当火力发电系统调峰能力到达调峰下限时，风力发电系统所产生的多余电能用于电解水制氢，其余时刻，风力发电系统产生的电能全部送至负荷。
所述电解水制氢系统包括：电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、纯化系统、原料水箱、补水泵、碱液循环泵及过滤器；其中，
所述电解槽分别与所述过滤器、冷却器及风力发电系统中的机侧AC/DC变流器相连；风力发电系统与机侧AC/DC变流器连接，通过机侧AC/DC变流器为电解槽提供直流电压，过滤器为电解槽补充碱液，电解槽中所产生的含碱液的氢气与氧气通至冷却器中冷却，冷却后仍含碱液的氢气与氧气分别通至氢分离器与氧分离器中完成气液分离，分离出的氧气通至氧气罐储存起来，分离出的氢气通至纯化系统纯化后通过压缩机压缩，之后通至燃料电池系统中；原料水箱与补水泵连接，补水泵与氢分离器、氧分离器连接，根据电解槽中碱液情况，原料水箱通过补水泵添加适当碱液到氢分离器与氧分离器中；氢分离器、氧分离器与碱液循环泵连接，碱液循环泵与冷却器相连，冷却器与过滤器相连，分离出的碱液与添加的碱液通过管道进入碱液循环泵，碱液循环泵再将碱液通至冷却器中冷却，再将冷却后的碱液通至过滤器过滤，过滤后的碱液通至电解槽中；冷却水通至冷却器中，进行热交换后，将热能送至吸收式制冷系统；系统产生的氢气通入压缩机，用于将产生的氢气压缩并送至燃料电池系统。
所述燃料电池系统包括：储氢罐、燃料电池、预热器、后燃室、DC/AC变流器、燃气轮机及发电机；其中，
燃料电池系统与电解水制氢系统相连，当电能不足时，所述储氢罐将氢气送出；氢气与氧气通过压缩机后，进入预热器；预热器对通入的氢气和氧气加热，然后分别送入燃料电池的阴极和阳极；氢气和氧气在燃料电池中燃烧后，通入后燃室，让气体进一步燃烧；后燃室中的高温燃气排出，被燃气轮机利用，带动发电机发电，之后燃气轮机的排气热量送入预热器进一步利用；预热空气之后的乏汽经过换热器，为生活热水提供热能；在负荷所需电能不足时，燃料电池发出的电能通过DC/AC变流器变为交流，再通过变压器与负荷连接，与燃气轮机所发电能共同补偿功率缺额。
所述的吸收式制冷系统包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液热交换器及节流阀；其中，
电解水制氢系统的余热通至发生器中；发生器与冷凝器及吸收器相连，经过加热，发生器内溶液中的制冷剂被蒸发出来，送入冷凝器，另一方面，因制冷剂被析出，发生器中的溶液经过溶液热交换器冷却且节流阀降压后，变为有吸收能力的吸收液，被溶液泵泵入吸收器中；冷凝器与发生器及蒸发器相连，高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经过节流后到蒸发器，制冷剂蒸发带走外部输入的空调冷冻水的热量，完成制冷；在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的溶液，并将该溶液用泵送到发生器；冷凝器和吸收器在工作过程中，会释放热，通过冷却水对温度进行调控。
所述的火力发电系统在负荷高峰时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，增加发电机出力；在负荷低谷时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，减少发电机出力。

Claims (5)

1.一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述的风-火耦合冷热电联供系统包括：风力发电系统、火力发电系统、电解水制氢系统、燃料电池系统及吸收式制冷系统；其中，风力发电系统分别与所述电解水制氢系统和负荷连接，为负荷供电，当火力发电系统调峰能力到达下限时，多余电能给所述电解水制氢系统供电；所述电解水制氢系统与燃料电池系统连接，产生的氢气存储在储氢罐中，在总发电功率小于负荷需求时，氢气送入燃料电池系统；燃料电池系统与电解水制氢系统及负荷相连接，在风力发电机组功率无法满足负荷需求时，使用储氢罐中的氢气工作，燃气轮机利用燃料电池产生的余热工作，共同补偿功率缺额；火力发电系统与负荷相连接，为风电调峰。
2.如权利要求1所述的基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述电解水制氢系统包括：电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、纯化系统、原料水箱、补水泵、碱液循环泵及过滤器；其中，
所述电解槽分别与所述过滤器、冷却器，以及风力发电系统中的机侧AC/DC变流器相连；风力发电系统通过机侧AC/DC变流器为电解槽提供直流电压，过滤器为电解槽补充碱液，电解槽所产生的含碱液的氢气与氧气通至冷却器中冷却，冷却后仍含碱液的氢气与氧气分别通至氢分离器与氧分离器中完成气液分离，分离出的氧气通至氧气罐储存，分离出的氢气通至纯化系统纯化后通过压缩机压缩，之后通至燃料电池系统中；原料水箱与补水泵连接，补水泵与氢分离器、氧分离器连接，根据电解槽中碱液情况，原料水箱通过补水泵添加碱液到氢分离器与氧分离器中；氢分离器、氧分离器与碱液循环泵连接，碱液循环泵与冷却器相连，冷却器与过滤器相连，分离出的碱液与添加的碱液通过管道进入碱液循环泵，碱液循环泵再将碱液通至冷却器中冷却，再将冷却后的碱液通至过滤器过滤，过滤后的碱液通至电解槽中；冷却水通至冷却器中，进行热交换后，将热能送至吸收式制冷系统；系统产生的氢气通入压缩机，将产生的氢气压缩并送至燃料电池系统。
3.如权利要求1所述的基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：储氢罐、燃料电池、预热器、后燃室、DC/AC变流器、燃气轮机及发电机；其中，
燃料电池系统与电解水制氢系统相连，当电能不足时，所述储氢罐将氢气送出；氢气与氧气通过压缩机后，进入预热器；预热器对通入的氢气和氧气加热，然后分别送入燃料电池的阴极和阳极；氢气和氧气在燃料电池中燃烧后，通入后燃室，让气体进一步燃烧；后燃室中的高温燃气排出，被燃气轮机利用，带动发电机发电，之后燃气轮机的排气热量送入预热器进一步利用；预热空气之后的乏汽经过换热器，为生活热水提供热能；在负荷所需电能不足时，燃料电池发出的电能通过DC/AC变流器变为交流，再通过变压器与负荷连接，与燃气轮机所发电能共同补偿功率缺额。
4.如权利要求1所述的基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述的吸收式制冷系统包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液热交换器及节流阀；其中，
电解水制氢系统的余热通至发生器中；发生器与冷凝器及吸收器相连，经过加热，发生器内溶液中的制冷剂被蒸发出来，送入冷凝器，另一方面，因制冷剂被析出，发生器中的溶液经过溶液热交换器冷却且节流阀降压后，变为有吸收能力的吸收液，被溶液泵泵入吸收器中；冷凝器与发生器及蒸发器相连，高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经过节流后到蒸发器，制冷剂蒸发带走外部输入的空调冷冻水的热量，完成制冷；在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的溶液，并将该溶液用泵送到发生器；冷凝器和吸收器在工作过程中，会释放热，通过冷却水对温度进行调控。
5.如权利要求1所述的基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述的火力发电系统在负荷高峰时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，增加发电机出力；在负荷低谷时，配合风力发电系统的出力，平衡负荷侧的电能需求，减少发电机出力。
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