CN113513407B - 一种热电与氢能源联合发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种热电与氢能源联合发电系统，涉及一种氢能源发电技术，为了解决现有的循环发电过程中氢气和其他绿色能源是分别发电的，发电效率低、发电稳定性差的问题。本发明的风电桨叶与风力发电机以及排气透平同轴设置；风力发电机的电能用于制氢；电解制氢装置产生的氢气通过氢气入口阀、氢气热交换器、氢气泵进入燃烧室；空气通过空气入口阀、空气热交换器、空气泵进入燃烧室；燃烧室与燃气透平相连通，透平电机、燃气透平、氢气泵、空气泵以及启动电机同轴；燃气透平与排气透平、氢气热交换器以及空气热交换器相连通；排气透平与供暖换热器相连通；氢气热交换器以及空气热交换器与供暖换热器相连通。有益效果为发电稳定性高，提高了发电效率。

Description

一种热电与氢能源联合发电系统
技术领域
本发明涉及一种氢能源发电技术。
背景技术
全球变暖已成为制约人类社会可持续发展的重要障碍，温室气体排放导致全球平均气温上升，引发极端灾害性天气频发；在众多温室气体中二氧化碳是最主要的温室气体，因此，国际社会针对二氧化碳减排尚在不懈努力；在此背景下，氢能作为替代能源展现出良好的发展前景，大量的研究内容都集中在研究将风能产生的大规模非稳定能源转换为氢气，但是氢气在存储和使用方面还存在很多问题，尤其是其应用更是难以寻找到合适的方法。为此有人设计了中国专利申请号为：CN202020298633.6，发明名称为：《太阳能风能与氨氧燃气互补循环热发电装置》的实用新型专利，提出了采用半闭式氨氢燃气布雷顿热发电系统，利用太阳能热发电、风电、光伏对氨氢燃烧发电产生的水进行电解制氢，氢气与回收的氮气混合制备氨，氨与氧、氢气混合燃烧，驱动布雷顿发电机组发电实现互补储热循环发电；但是其循环发电过程中氢气和其他绿色能源是分别发电的，导致发电效率较低，发电的稳定性较差，从而提出本申请。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的循环发电过程中氢气和其他绿色能源是分别发电的，而导致发电效率低以及发电稳定性差的问题，提出了一种热电与氢能源联合发电系统。
本发明所述的一种热电与氢能源联合发电系统包括电解制氢装置、风电桨叶、氢气入口阀、空气入口阀、空气热交换器、燃烧室、空气泵、氢气泵、启动电机、燃气透平、第一透平出口阀、第二透平出口阀、透平电机、风力发电机、供暖换热器、排气透平和氢气热交换器；
所述风电桨叶的旋转轴与风力发电机的旋转轴以及排气透平的旋转轴依次同轴设置；并且风力发电机的电力输出端与电解制氢装置的电力输入端相连；
所述电解制氢装置设有纯净水入口、氢气出口和氧气出口；其中，纯净水入口用于流入纯净水，氧气出口与外界相通，氢气出口通过氢气入口阀与氢气热交换器的氢气入口相连通；氢气热交换器的氢气出口通过氢气泵与燃烧室的氢气入口相连通；
所述空气热交换器的空气入口通过空气入口阀与外界相通；空气热交换器5的空气出口通过空气泵与燃烧室的空气入口相连通；
所述燃烧室的燃气出口与燃气透平的燃气入口相连通，并且透平电机的旋转轴、燃气透平的旋转轴、氢气泵的旋转轴、空气泵的旋转轴以及启动电机的旋转轴依次同轴设置；透平电机用于产生电能；
所述燃气透平的排气口通过第一透平出口阀与排气透平的进气口相连通，并且燃气透平的排气口还通过第二透平出口阀同时与氢气热交换器的热交换入口以及空气热交换器的热交换入口相连通；
所述排气透平的排气口与供暖换热器的进气口相连通；
所述氢气热交换器的热交换出口以及空气热交换器的热交换出口同时与供暖换热器的进气口相连通。
本发明的工作原理为：风带动风电桨叶旋转，并通过风力发电机，将风能转换为电能，风力发电机输出的电能用于对纯净水进行电解，生成氢气和氧气，生成的氧气不属于有害气体，因此电解制氢装置产生的氧气直接排放到大气中；对于电解制氢装置产生的氢气通过氢气入口阀控制氢气流量，流过氢气热交换器，流入氢气泵，经过氢气泵泵入燃烧室；同时空气经过空气入口阀的控制，经过空气热交换器后，再经过空气泵，同样泵入燃烧室；在燃烧室实现空气与氢气的燃烧，燃烧后的尾气进入燃气透平；燃气透平带动透平电机旋转，产生电能，透平电机产生的电能与电网并网。
通过控制空气和氢气的流入量实现对透平电机转速的控制；并且燃气透平与氢气泵和空气泵同轴机械连接，燃气透平带动氢气泵和空气泵运转；燃气透平的旋转轴与启动电动机的旋转轴同轴连接；当启动时候，通过启动电机带动氢气泵、空气泵、透平电机开始旋转；其中，燃气透平的排气分别进入第一透平出口阀和第二透平出口阀；排气经过第二透平出口阀的控制，再分别进入氢气热交换器和空气热交换器，将热量传递给氢气和空气；经过氢气热交换器和空气热交换器冷却的燃气排气进入供暖换热器，实现供热。
燃气透平的另一部分燃气通过第一透平出口阀进入排气透平；排气透平的旋转轴与风力发电机的旋转轴同轴连接，进而带动风力发电机旋转；通过控制流入排气透平的排气流量，并结合风电桨叶的转速，实现稳定风力发电机的转速，进而稳定风电的出力，实现风力发电的稳定控制。
本发明的有益效果是：该发电系统将风电产生的氢气直接用于辅助风力发电，并且将剩余热量用于提高风力发电的稳定性，以及提高了发电效率；通过对第一透平出口阀的调节，稳定发电的排气透平，进一步提高了发电的稳定性；并且将排气热能梯度应用，最终实现电热的联合生产。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统的工作原理图；
图2为具体实施方式六中的一种热电与氢能源联合发电系统的工作原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种热电与氢能源联合发电系统包括电解制氢装置1、风电桨叶2、氢气入口阀3、空气入口阀4、空气热交换器5、燃烧室6、空气泵7、氢气泵8、启动电机10、燃气透平11、第一透平出口阀12、第二透平出口阀13、透平电机16、风力发电机17、供暖换热器18、排气透平20和氢气热交换器21；
所述风电桨叶2的旋转轴与风力发电机17的旋转轴以及排气透平20的旋转轴依次同轴设置；并且风力发电机17的电力输出端与电解制氢装置1的电力输入端相连；风电桨叶2用于带动风力发电机17的旋转轴转动，将风能转换为电能；排气透平20的旋转轴与风力发电机17的旋转轴同轴设置，便于利用排气透平20通入排气量的控制，进而实现对风力发电机17的旋转轴转速的稳定控制；风力发电机17产生的电能用于电解制氢装置1；
所述电解制氢装置1设有纯净水入口、氢气出口和氧气出口；其中，纯净水入口用于流入纯净水，氧气出口与外界相通，氢气出口通过氢气入口阀3与氢气热交换器21的氢气入口相连通；氢气热交换器21的氢气出口通过氢气泵8与燃烧室6的氢气入口相连通；氧气不属于污染气体，可以直接排放到大气中；氢气热交换器21用于对氢气加热，有利于提高发电效率；
所述空气热交换器5的空气入口通过空气入口阀4与外界相通；空气热交换器5的空气出口通过空气泵7与燃烧室6的空气入口相连通；空气热交换器5用于对空气加热，有利于提高发电效率；
所述燃烧室6的燃气出口与燃气透平11的燃气入口相连通，并且透平电机16的旋转轴、燃气透平11的旋转轴、氢气泵8的旋转轴、空气泵7的旋转轴以及启动电机10的旋转轴依次同轴设置；透平电机16用于产生电能；透平电机16产生的电能与电网并网；燃气透平11与氢气泵8的旋转轴以及空气泵7的旋转轴同轴设置，是为了便于控制，也是为了节省能源；便于控制体现在燃气透平11、氢气泵8以及空气泵7能够同步旋转，三者之中有一个转速加快时，另外两者都会联动；节省能源体现在不需要以电能为媒介，避免能源转换过程中发生损耗；
所述燃气透平11的排气口通过第一透平出口阀12与排气透平20的进气口相连通，并且燃气透平11的排气口还通过第二透平出口阀13同时与氢气热交换器21的热交换入口以及空气热交换器5的热交换入口相连通；
所述排气透平20的排气口与供暖换热器18的进气口相连通；
所述氢气热交换器21的热交换出口以及空气热交换器5的热交换出口同时与供暖换热器18的进气口相连通。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统进一步限定，在本实施方式中，该发电系统还包括离合器9；
所述离合器9设置在启动电机10的旋转轴与空气泵7的旋转轴之间。
在本实施方式中，通过增加离合器9方便在该发电系统启动后，断开启动电机10，实现该发电系统的自动运行。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统进一步限定，在本实施方式中，该发电系统还包括氢气换热器入口阀14；
所述氢气换热器入口阀14设置在第二透平出口阀13与氢气热交换器21的热交换入口之间的管路上。
在本实施方式中，通过增加氢气换热器入口阀14，方便对进入氢气热交换器21中的热量进行控制。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统进一步限定，在本实施方式中，该发电系统还包括空气换热器入口阀15；
所述空气换热器入口阀15设置在第二透平出口阀13与空气热交换器5的热交换入口之间的管路上。
在本实施方式中，通过增加空气换热器入口阀15，方便对进入空气热交换器5中的热量进行控制。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统进一步限定，在本实施方式中，所述供暖换热器18设置在供暖系统储水箱19的内部。
在本实施方式中，将暖换热器18设置在供暖系统储水箱19的内部，有利于减少热量浪费，上一级传递的热量能够通过供暖系统储水箱19更多的传递给供暖系统。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种热电与氢能源联合发电系统进一步限定，在本实施方式中，该发电系统还包括排气透平调节阀22；
所述燃气透平11的排气口通过第二透平出口阀13与供暖换热器18的进气口相连通；
所述排气透平调节阀22设置在第二透平出口阀13与供暖换热器18的进气口之间的管路上。
在本实施方式中，通过燃气透平11的排气口通过第二透平出口阀13与供暖换热器18的进气口相连通，并加入排气透平调节阀22，能够将燃气透平11中排出的燃气直接用于为供暖换热器18提供热量，减少热量浪费。

Claims (6)

1.一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，该发电系统包括电解制氢装置(1)、风电桨叶(2)、氢气入口阀(3)、空气入口阀(4)、空气热交换器(5)、燃烧室(6)、空气泵(7)、氢气泵(8)、启动电机(10)、燃气透平(11)、第一透平出口阀(12)、第二透平出口阀(13)、透平电机(16)、风力发电机(17)、供暖换热器(18)、排气透平(20)和氢气热交换器(21)；
所述风电桨叶(2)的旋转轴与风力发电机(17)的旋转轴以及排气透平(20)的旋转轴依次同轴设置；并且风力发电机(17)的电力输出端与电解制氢装置(1)的电力输入端相连；
所述电解制氢装置(1)设有纯净水入口、氢气出口和氧气出口；其中，纯净水入口用于流入纯净水，氧气出口与外界相通，氢气出口通过氢气入口阀(3)与氢气热交换器(21)的氢气入口相连通；氢气热交换器(21)的氢气出口通过氢气泵(8)与燃烧室(6)的氢气入口相连通；
所述空气热交换器(5)的空气入口通过空气入口阀(4)与外界相通；空气热交换器(5)的空气出口通过空气泵(7)与燃烧室(6)的空气入口相连通；
所述燃烧室(6)的燃气出口与燃气透平(11)的燃气入口相连通，并且透平电机(16)的旋转轴、燃气透平(11)的旋转轴、氢气泵(8)的旋转轴、空气泵(7)的旋转轴以及启动电机(10)的旋转轴依次同轴设置；透平电机(16)用于产生电能；
所述燃气透平(11)的排气口通过第一透平出口阀(12)与排气透平(20)的进气口相连通，并且燃气透平(11)的排气口还通过第二透平出口阀(13)同时与氢气热交换器(21)的热交换入口以及空气热交换器(5)的热交换入口相连通；
所述排气透平(20)的排气口与供暖换热器(18)的进气口相连通；
所述氢气热交换器(21)的热交换出口以及空气热交换器(5)的热交换出口同时与供暖换热器(18)的进气口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，该发电系统还包括离合器(9)；
所述离合器(9)设置在启动电机(10)的旋转轴与空气泵(7)的旋转轴之间。
3.根据权利要求1所述的一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，该发电系统还包括氢气换热器入口阀(14)；
所述氢气换热器入口阀(14)设置在第二透平出口阀(13)与氢气热交换器(21)的热交换入口之间的管路上。
4.根据权利要求1所述的一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，该发电系统还包括空气换热器入口阀(15)；
所述空气换热器入口阀(15)设置在第二透平出口阀(13)与空气热交换器(5)的热交换入口之间的管路上。
5.根据权利要求1所述的一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，所述供暖换热器(18)设置在供暖系统储水箱(19)的内部。
6.根据权利要求1所述的一种热电与氢能源联合发电系统，其特征在于，该发电系统还包括排气透平调节阀(22)；
所述燃气透平(11)的排气口通过第二透平出口阀(13)与供暖换热器(18)的进气口相连通；
所述排气透平调节阀(22)设置在第二透平出口阀(13)与供暖换热器(18)的进气口之间的管路上。
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