CN113446757A - 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‑火耦合发电系统、氢能系统、热能利用系统。风‑火耦合发电系统的风力发电系统、火力发电系统，二者汇聚于同一交流母线供给电负荷；氢能系统包括电解水制氢系统、高温燃料电池系统、储氢罐。当风电产生富余且火电机组无法下调时，电解水制氢系统利用多余电能制取氢气，并存储于储氢罐。当电能不足时，高温燃料电池系统利用储氢罐内氢气发电，供给电负荷；热能利用系统的余热锅炉用于接收高温燃料电池的换热器流出的余热，一部分通入火电机组的汽轮机，一部分通入制冷机组，其余通入热交换器。本发明的热能利用部分具有一定的创新性，极大提高了能源利用率。
Description
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
随着能源革命进程加快推进，新能源将迎来爆发式增长，但由于受传统发电能源的影响，现阶段仍然以火力发电为主。然而风电等新能源具有间歇性、波动性等特点，新能源加入电力系统后，会对传统火电机组的运行影响较大，具体来说，对其调峰有了更高的要求。如何保证火电机组良好运行并实现新能源大幅消纳，成为国内外关注的课题。氢能系统作为一种储能方式，具有大规模存储、跨季存储、清洁等特点，满足资源、环境和可持续发展的要求。基于氢能的多能耦合系统成为当下的理想系统。
目前，国内外学者对新能源发电制氢系统优化设计已有颇多研究，例如，以高比例可再生能源消纳为目标，建立以电、氢为能源载体，满足电、氢等多种负荷的能源系统，并以电能子系统、氢能子系统以及各负荷分布来描述电氢能源系统的结构，但未考虑冷、热负荷的供给。例如，将光伏、电池储能系统、电解槽和燃料电池等元件通过直流母线连接起来，构建了供电、供热、供冷的光伏/电解槽/燃料电池混合系统，但未考虑系统内余热的回收利用。例如，基于氢能的混合能源系统的多种结构方案，通过太阳能、风能、天然气等发电后电解制氢，满足一定的电、热、气负荷，致力于高效能源系统。
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。本发明利用多余风电制氢，并将氢气通入天然气管道供给气负荷并部分存储于储氢罐中，高温燃料电池利用存储氢气发电上网，辅助火电机组深度调峰，高温燃料电池产生的高温余热一部分通入汽轮机减少煤炭使用，一部分供给冷、热负荷。本发明极大提高了能源利用效率。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统包括：风-火耦合发电系统、氢能系统和热能利用系统。其中，火电机组和风电机组共同汇聚于同一交流母线，用于供给电负荷；所述氢能系统包括电解水制氢系统、高温燃料电池系统以及储氢罐。当风电产生富余且火电机组无法下调时，多余的电能通入电解水制氢系统，通过电解槽将电能转换为氢气。产生的氢气一部分通过运输注入天然气管道，用于供给气负荷；另一部分氢气注入储氢罐中。当负荷较大时，高温燃料电池利用储氢罐内存储的氢气发电上网，缓解火电机组调峰压力；所述热能利用系统，包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器。高温燃料电池产生的高温尾气和剩余的原料气体通过后燃室充分燃烧，通入电堆的空气和氢气，燃烧后产生的高温尾气通过换热器预热，进而进入余热锅炉转换为高温高压蒸汽，一部分通入火电机组的汽轮机中间级，另一部分通入制冷机组供给冷负荷，其余通入热交换器供给热负荷。
所述风-火耦合发电系统中，风力发电系统包括风电机组、功率变换器AC/AC和升压变压器；其中火力发电机组的三大核心设备包括锅炉、汽轮机、发电机，汽轮机为固体氧化物燃料电池提供启动热能，而燃料电池为汽轮机提供丰富的蒸汽，在保证充裕电力的情况下减少锅炉中煤炭的使用。汽轮机与燃料电池则通过管道及阀门连接，并通过温控实现热能相互利用。
所述氢能系统中的电解水制氢系统包括碱性电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、循环泵、过滤器及纯化系统。电解水制氢系统的输入端口与区域电力系统交流母线相连，电解水制氢系统的输出端口与储氢装置相连，进而将氢气输送到高温燃料电池系统。当电网需求功率增大，而可再生能源及火电机组提供的电能有限时，贮存的氢和氧通过压缩机输送给高温燃料电池系统，通过燃料电池进行能量转换，向电网提供电能，保证电网与系统之间功率平衡；所述高温燃料电池系统包括换热器、固体氧化物燃料电池及后燃室。高温燃料电池系统的输入端连接储氢装置和空气输入装置，高温燃料电池系统的输出端与功率变换器相连，进而向电网输送交流电；后燃室产生的高温废气首先进行输入气体换热，余下的中低温废气经过余热锅炉变成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽的一部分直接用于供给热负荷，并有一部分通入汽轮机，辅助火电机组发电；利用火电机组的高温蒸汽对固体氧化物燃料电池进行启动前的预热，可以有效缓解高温燃料电池的启动压力。
所述热能利用系统包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器。余热锅炉包括六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，余热锅炉用于将高温燃料电池产生的高温废气转换为高温高压蒸汽；吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀，用于换热高温高压蒸汽供给冷负荷；第一换热器(1)用于预热燃料电池电堆入口的空气、氢气，以及后燃室产生的废气，第二换热器(2)用于供给热负荷。
附图说明
图1本发明基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
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-火耦合发电系统、氢能系统和热能利用系统。其中，火电机组和风电机组共同汇聚于同一交流母线，用于供给电负荷；所述氢能系统包括电解水制氢系统、高温燃料电池系统以及储氢罐。当风电产生富余且火电机组无法下调时，多余的电能通入电解水制氢系统，通过电解槽将电能转换为氢气。产生的氢气一部分通过运输注入天然气管道，用于供给气负荷；另一部分氢气注入储氢罐中。当负荷较大时，高温燃料电池利用储氢罐内存储的氢气发电上网，缓解火电机组调峰压力；所述热能利用系统，包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器。高温燃料电池产生的高温尾气和剩余的原料气体通过后燃室充分燃烧，通入电堆的空气和氢气，燃烧后产生的高温尾气通过换热器预热，进而进入余热锅炉转换为高温高压蒸汽，一部分通入火电机组的汽轮机中间级，另一部分通入制冷机组供给冷负荷，其余最后一部分通入热交换器供给热负荷。
所述风-火耦合发电系统中，风力发电系统包括风电机组、功率变换器AC/AC和升压变压器；其中火力发电机组的三大核心设备包括锅炉、汽轮机、发电机，汽轮机为固体氧化物燃料电池提供启动热能，而燃料电池为汽轮机提供丰富的蒸汽，在保证充裕电力的情况下减少锅炉中煤炭的使用。汽轮机与燃料电池则通过管道及阀门连接，并通过温控实现热能相互利用。
所述氢能系统中的电解水制氢系统包括碱性电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、循环泵、过滤器及纯化系统。电解水制氢系统的输入端口与区域电力系统交流母线相连，电解水制氢系统的输出端口与储氢装置相连，进而将氢气输送到高温燃料电池系统。当电网需求功率增大，而可再生能源及火电机组提供的电能有限时，贮存的氢和氧通过压缩机输送给高温燃料电池系统，通过燃料电池进行能量转换，向电网提供电能，保证电网与系统之间功率平衡；所述高温燃料电池系统包括换热器、固体氧化物燃料电池及后燃室。高温燃料电池系统的输入端连接储氢装置和空气输入装置，高温燃料电池系统的输出端与功率变换器相连，进而向电网输送交流电；后燃室产生的高温废气首先进行输入气体换热，余下的中低温废气经过余热锅炉变成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽的一部分直接用于供给热负荷，并有一部分通入汽轮机，辅助火电机组发电；利用火电机组的高温蒸汽对固体氧化物燃料电池进行启动前的预热，可以有效缓解高温燃料电池的启动压力。
所述热能利用系统包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器。余热锅炉包括六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，余热锅炉用于将高温燃料电池产生的高温废气转换为高温高压蒸汽；吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀，用于换热高温高压蒸汽供给冷负荷；第一换热器(1)用于预热燃料电池电堆入口的空气、氢气，以及后燃室产生的废气，第二换热器(2)用于供给热负荷。
Claims (4)
1.一种基于氢能的风-火耦合冷热电联供系统，其特征在于，所述系统包括：风-火耦合发电系统、氢能系统、热能利用系统；其中，火电机组和风电机组共同汇聚于同一交流母线，用于供给电负荷；所述氢能系统包括电解水制氢系统、高温燃料电池系统以及储氢罐；当风电产生富余且火电机组无法下调时，多余的电能通入电解水制氢系统，通过电解槽将电能转换为氢气；产生的氢气一部分通过运输注入天然气管道，用于供给气负荷；另一部分氢气注入储氢罐中；当负荷较大时，高温燃料电池利用储氢罐内存储的氢气发电上网，缓解火电机组调峰压力；所述热能利用系统，包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器；高温燃料电池产生的高温尾气和剩余的原料气体通过后燃室充分燃烧，通入电堆的空气和氢气，燃烧后产生的高温尾气通过换热器预热，进而进入余热锅炉转换为高温高压蒸汽，一部分通入火电机组的汽轮机中间级，另一部分通入制冷机组供给冷负荷，其余通入热交换器供给热负荷。
2.根据权利要求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，所述风-火耦合发电系统的风力发电系统包括风电机组、功率变换器AC/AC和升压变压器；其中火力发电机组的三大核心设备包括锅炉、汽轮机和发电机，汽轮机为固体氧化物燃料电池提供启动热能，燃料电池为汽轮机提供丰富的蒸汽，在保证充裕电力的情况下减少锅炉中煤炭的使用；汽轮机与燃料电池则通过管道及阀门连接，并通过温控实现热能相互利用。
3.根据权利要求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，所述氢能系统中的电解水制氢系统包括碱性电解槽、冷却器、氢分离器、氧分离器、循环泵、过滤器及纯化系统；电解水制氢系统的输入端口与区域电力系统交流母线相连，电解水制氢系统的输出端口与储氢装置相连，进而将氢气输送到高温燃料电池系统；当电网需求功率增大，而可再生能源及火电机组提供的电能有限时，贮存的氢和氧通过压缩机输送给高温燃料电池系统，通过燃料电池进行能量转换，向电网提供电能，保证电网与系统之间功率平衡；
所述高温燃料电池系统包括换热器、固体氧化物燃料电池及后燃室；高温燃料电池系统的输入端连接储氢装置和空气输入装置，高温燃料电池系统的输出端与功率变换器相连，进而向电网输送交流电；后燃室产生的高温废气首先输入气体换热，余下的中低温废气经过余热锅炉变成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽的一部分直接用于供给热负荷，并有一部分通入汽轮机，辅助火电机组发电；利用火电机组的高温蒸汽对固体氧化物燃料电池进行启动前的预热，可以有效缓解高温燃料电池的启动压力。
4.根据权利要求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，所述氢能系统中的热能利用系统包括余热锅炉、吸收式制冷机和换热器；余热锅炉包括六个循环回路，每个循环回路均由下降管和上升管组成；余热锅炉用于将高温燃料电池产生的高温废气转换为高温高压蒸汽；吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵和节流阀，用于换热高温高压蒸汽供给冷负荷；第一换热器(1)用于预热燃料电池电堆入口的空气、氢气，以及后燃室产生的废气，第二换热器(2)用于供给热负荷。
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