CN113739245A - 一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统 - Google Patents

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程登峰
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缪春辉
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赵骞
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张洁
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Abstract

本发明公开了一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统。包括：第一热交换器、第二热交换器、储热水箱、冷水塔以及冷冻水机；第一热交换器和第二第二热交换器，一侧的入口分别与燃料电池冷却水循环系统和电解槽冷却水循环系统的出水口连通，一侧的出口分别通过冷水塔和冷冻水与燃料电池冷却水循环系统和电解槽冷却水循环系统的进水口连通，另一侧的出口和入口分别与储热水箱的进水口和出水口连通。储热水箱用于为暖气设施循环供水。本发明将兆瓦级氢储能电站多余的废热传输到生活区进行供暖，减少主动消纳热量，减少设备冷却系统的压力。

Description

一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统
技术领域
本发明涉及新能源领域，特别是涉及一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统。
背景技术
兆瓦级氢储能电站是一种能将富裕电量或者可再生能源电量转化为氢气存储，在用电匮乏时，再将氢气发电，并入电网的一体化储能电站。兆瓦级氢储能电站的主要核心设备，电解槽和燃料电池，在运行过程中会产生大量热量，需要专门的降温设备如冷却塔，冷冻水机，产生冷却循环水，冷却循环水将多余的热量带出设备间至冷却塔降温。在这个过程中，大量的热源被浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，所述兆瓦级氢储能电站包括燃料电池系统、燃料电池冷却水循环系统、电解槽系统和电解槽冷却水循环系统，所述热量回收系统包括：第一热交换器、第二热交换器、储热水箱、冷水塔以及冷冻水机；
所述第一热交换器，一侧入口与第一输水管路连通，一侧出口通过所述冷水塔与第一回水管路连通，另一侧出口与所述储热水箱的进水口连通，另一侧入口与所述储热水箱的出水口连通；
所述储热水箱的进水口还与第二输水管路连通；
所述第一输水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的出水口以及所述燃料电池系统的氢氧反应出水口连通，所述第二输水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的出水口连通，所述第一回水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的进水口连通；
所述第二热交换器，一侧入口与第三输水管路连通，一侧出口通过所述冷冻水机与第二回水管路连通，另一侧出口与所述储热水箱的进水口连通，另一侧入口与所述储热水箱的出水口连通；所述第三输水管路用于与所述电解槽冷却水循环系统的出水口连通，所述第二回水管路用于与所述电解槽冷却水循环系统的进水口连通；
所述储热水箱用于为暖气设施循环供水。
可选的，还包括：第一循环水泵，用于为水从所述第一输水管路到第一回水管路的运动提供动力。
可选的，还包括：第二循环水泵，用于为水从所述第三输水管路到第二回水管路的运动提供动力。
可选的，还包括：第三循环水泵，用于为水从所述第一热交换器另一侧出口到所述第一热交换器另一侧入口的运动提供动力。
可选的，还包括：第四循环水泵，用于为水从所述第二热交换器另一侧出口到所述第二热交换器另一侧入口的运动提供动力。
可选的，还包括：第五循环水泵，安装于所述储热水箱与所述暖气设施之间的管路上，用于为所述储热水箱与所述暖气设施之间水的循环提供动力。
可选的，所述第一换热器为板式换热器。
可选的，所述第二换热器为板式换热器。
可选的，当所述冷冻水机输出的水流温度低于设定阈值时，所述冷冻水机的出水口与所述第二回水管路连通。
可选的，所述设定阈值为10摄氏度。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：
针对燃料电池系统，一方面，通过第一热交换器对燃料电池冷却水循环系统输出的热水进行冷却，冷却的水经冷水塔流回燃料电池冷却水循环系统的进水口，实现对燃料电池冷却水循环系统中热水的冷却，同时将第一热交换器中经过换热后得到的热水输入储热水箱(用于供暖)中，另一方面，将燃料电池系统氢氧反应生成的热水直接输入储热水箱中，将热水二次利用，同时回收热量，提高运行效率。
针对电解槽系统，通过第二热交换器对电解槽却水循环系统输出的热水进行冷却，冷却的水经冷冻水机流回电解槽冷却水循环系统的进水口，实现对电解槽冷却水循环系统中热水的冷却，同时将第二热交换器中经过换热后得到的热水输入储热水箱(用于供暖)中，实现热量的回收利用。
综上，本发明实施例一方面能够为燃料电池系统以及电解槽系统提供冷却水，同时，还能够回收利用燃料电池系统以及电解槽系统冷却过程中的热量。在避免冷却系统能源额外消耗的同时，实现了废弃能源的二次利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中热量回收系统在燃料电池系统侧的原理结构示意图；
图3为本发明实施例中热量回收系统在电解槽系统侧的原理结构示意图。
具体实施方式
为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一无线通信模块和第二无线通信模块仅仅是为了区分不同的无线通信模块，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统。
本实施例针对兆瓦级氢储能电站提供了一种热量回收系统。
上述兆瓦级氢储能电站主要包括燃料电池系统、燃料电池冷却水循环系统、电解槽系统和电解槽冷却水循环系统等。
参见图1，上述热量回收系统包括：第一热交换器1、第二热交换器10、储热水箱5、冷水塔7以及冷冻水机8。
针对燃料电池部分：
第一热交换器1，一侧入口与第一输水管路2连通，一侧出口通过冷水塔7与第一回水管路3连通，另一侧出口与储热水箱5的进水口连通，另一侧入口与储热水箱5的出水口连通。
储热水箱5的进水口还与第二输水管路4连通。
其中，第一输水管路2用于与燃料电池冷却水循环系统的出水口以及燃料电池系统的氢氧反应出水口连通，第二输水管路4用于与燃料电池冷却水循环系统的出水口连通，第一回水管路3用于与燃料电池冷却水循环系统的进水口连通。
针对电解槽部分：
第二热交换器10，一侧入口与第三输水管路6连通，一侧出口通过冷冻水机8与第二回水管路9连通，另一侧出口与储热水箱5的进水口连通，另一侧入口与储热水箱5的出水口连通。第三输水管路6用于与电解槽冷却水循环系统的出水口连通，第二回水管路9用于与电解槽冷却水循环系统的进水口连通。
上述储热水箱5用于为暖气设施11循环供水。
上述第一热交换器1和第二热交换器10可示例性的为板式换热器。
需要说明的是，在第一热交换器1一侧的热水与另一侧的冷流体进行热交换，在本实施例中，第一热交换器1另一侧的冷流体也为水，经过与第一热交换器1一侧中热水的热交换后，进入储热水箱5。
在一个示例中，上述热量回收系统还包括：第一循环水泵，用于为水从所述第一输水管路2到第一回水管路3的运动提供动力。
在一个示例中，上述热量回收系统还包括：第二循环水泵，用于为水从所述第三输水管路6到第二回水管路9的运动提供动力。
在一个示例中，上述热量回收系统还包括：第三循环水泵，用于为水从所述第一热交换器1另一侧出口到所述第一热交换器1另一侧入口的运动提供动力。
在一个示例中，上述热量回收系统还包括：第四循环水泵，用于为水从第二热交换器10另一侧出口到第二热交换器10另一侧入口的运动提供动力。
在一个示例中，上述热量回收系统还包括：第五循环水泵，安装于所述储热水箱5与所述暖气设施11之间的管路上，用于为所述储热水箱5与所述暖气设施11之间水的循环提供动力。
下面对本发明实施例提供的热量回收系统进行详细介绍
上述热量回收系统主要分为：电解槽热量回收部分以及燃料电池热量回收部分。
(1)燃料电池热量回收部分
燃料电池在运行过程中氢气与氧气反应，产生水，由于燃料电池的效率达不到100％，因此大量的能量没有转化为电能，而是成为热量伴随着水一起产出。使得产生的水温度过高。
燃料电池热量回收部分如图2所示，该部分具有以下功能：1、能够有效降低燃料电池系统温度，提高反应效率。2、将燃料电池系统氢氧反应产生的多余的水直接送入储热水箱，提高热使用率。3、将板式换热器交换后的水经过冷却塔降温，接入燃料电池的循环水系统，使控温更有效率。
燃料电池热量回收部分运行原理如下：
1、燃料电池运行产生的热水和燃料电池冷却水循环系统出水的一部分经过板式换热器热交换，另一部分直接注入储热水箱5，提高热水利用率。
2、经板式换热器热左侧交换的水再经过冷水塔7降温，达到降温水的程度，然后进入燃料电池冷却水循环系统，给燃料电池设备降温。
3、板式换热器右侧交换出来的热水进入储热水箱5，存储热量。
4、储热水箱5中的热水经热水循环泵(上述第四循环水泵)进入暖气片给生活区供暖，供暖后的温水再进入储热水箱5。
(2)电解槽热量回收部分
电解槽热量回收部分如图3所示，其运行原理如下：
1、电解槽运行过程中原料水电解会产生高温，电解槽循环水会携带余热流出电解槽，将循环水经过板式换热器热交换，与储热水箱进行热交换，
2、板式换热器出口接入冷冻水机8，对初步降温的水继续降温，当降温后水的温度在设定阈值以下时，接入电解槽冷却水循环系统，给设备降温。其中，上述设定阈值可示例性的为10摄氏度。
3、储热水箱5的水会继续生活区暖气片供热，之后重新进入储热水箱5。
上述暖气设施11供热的过程可以与上述设备(燃料电池系统和电解槽系统)冷却的过程同时进行，以实现对设备产热无法消纳的问题。
从降温角度讲，本申请将多余的废热通过热量回收系统输入生活区，可以缓解系统主动降温的功率。假设设备运行过程中产生的废热量为Q，由冷水塔7散发的热量为Q1，生活区供给热量为Q2，冷冻水机8消纳的热量为Q3则：
Q＝Q1+Q2+Q3
其中，Q1和Q2为被动消纳热量，Q3为主动消纳的热量，区别在于Q1和Q2的消纳不需要额外的功率消耗，而Q3的增长会导致冷冻水机8功率增加，增加了厂用电量。Q的总量不变，增加Q2，会使Q1和Q3降低，使冷冻水机8的功率降低，符合绿色环保的电站建设要求。
需要注意的是，不同的兆瓦级氢储能电站的废热回收量不同，据此，需要对电站热量进行计算，所建设的热量回收系统需要既能维持设备(燃料电池系统和电解槽系统)温度稳定，也要尽可能降低能耗，回收热量，同时管道大小符合流量要求。
本发明实施例提供的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统具有以下优势：
(1)兼顾了对设备(燃料电池系统和电解槽系统)的降温处理，保障设备运行过程一直处于安全温度内。
(2)降低了冷却塔附近散发的温度，降低了热量污染。
(3)多余热量对生活区供给，降低了冷冻水机的功率，减少能源浪费。
(4)生活区使用废热供热，会减少冬季使用空调供热的频率，降低功耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，所述兆瓦级氢储能电站包括燃料电池系统、燃料电池冷却水循环系统、电解槽系统和电解槽冷却水循环系统，其特征在于，所述热量回收系统包括：第一热交换器、第二热交换器、储热水箱、冷水塔以及冷冻水机；
所述第一热交换器，一侧入口与第一输水管路连通，一侧出口通过所述冷水塔与第一回水管路连通，另一侧出口与所述储热水箱的进水口连通，另一侧入口与所述储热水箱的出水口连通；
所述储热水箱的进水口还与第二输水管路连通；
所述第一输水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的出水口以及所述燃料电池系统的氢氧反应出水口连通，所述第二输水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的出水口连通，所述第一回水管路用于与所述燃料电池冷却水循环系统的进水口连通；
所述第二热交换器，一侧入口与第三输水管路连通，一侧出口通过所述冷冻水机与第二回水管路连通，另一侧出口与所述储热水箱的进水口连通，另一侧入口与所述储热水箱的出水口连通；所述第三输水管路用于与所述电解槽冷却水循环系统的出水口连通，所述第二回水管路用于与所述电解槽冷却水循环系统的进水口连通；
所述储热水箱用于为暖气设施循环供水。
2.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，还包括：第一循环水泵，用于为水从所述第一输水管路到第一回水管路的运动提供动力。
3.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，还包括：第二循环水泵，用于为水从所述第三输水管路到第二回水管路的运动提供动力。
4.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，还包括：第三循环水泵，用于为水从所述第一热交换器另一侧出口到所述第一热交换器另一侧入口的运动提供动力。
5.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，还包括：第四循环水泵，用于为水从所述第二热交换器另一侧出口到所述第二热交换器另一侧入口的运动提供动力。
6.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，还包括：第五循环水泵，安装于所述储热水箱与所述暖气设施之间的管路上，用于为所述储热水箱与所述暖气设施之间水的循环提供动力。
7.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，所述第一换热器为板式换热器。
8.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，所述第二换热器为板式换热器。
9.根据权利要求1所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，当所述冷冻水机输出的水流温度低于设定阈值时，所述冷冻水机的出水口与所述第二回水管路连通。
10.根据权利要求9所述的基于兆瓦级氢储能电站的热量回收系统，其特征在于，所述设定阈值为10摄氏度。
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