CN114060899A - 用于供暖和发电的分布式能源利用系统 - Google Patents
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Abstract
用于供暖和发电的分布式能源利用系统。现有方案采用光热发电+储能+电锅炉的技术路线，系统复杂、投资高、占地面积大。本发明包括：分离单元，与所述的掺氢天然气管道连通，用于将掺氢天然气管道运输的掺氢天然气分离出氢气和天然气；发电单元、供暖单元，所述的发电单元和所述的供暖单元分别与所述的分离单元分离出的氢气储罐连通，所述的发电单元用于将氢气和氧气转化为电力供给到用户，所述的供暖单元用于生产热水向用户供暖；水处理单元，与所述的供暖单元连通，用于为所述的供暖单元提供除盐水和热网补水。本发明用于供暖和发电的分布式能源利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于供暖和发电的分布式能源利用系统。
背景技术
分布式能源利用是较传统的“集中式”能源利用而言的，它是一种建立在用户侧的综合能源利用方式，涵盖发电、热电联产、储能和能源管理系统等多种形式。早期的分布式能源是在热电联产系统（CHP）的基础上发展而来的，随后分布式能源逐渐扩展到用户侧的多种能源类型的冷、热、电、蒸汽多联供系统以及可再生能源发电。
可再生发电是近年来在分布式能源系统中运用较多的形式，一方面是因为可再生能源清洁发电的特性与低碳环保的大趋势相吻合，另一方可再生能源发电的规模低于传统化石能源发电的规模，更适用于用户侧的分布式能源布局。分布式可再生能源目前应用较多的是分布式光伏、风电、光热，分布式制氢已小规模应用，与燃料电池配合发电。可再生能源具有清洁、环保、安装简单等特点，但它的缺点也是显而易见的：第一，可再生能源，尤其是一次可再生能源（太阳能、风电等），存在转化效率低、能量密度低的问题；第二，初投资费用较大，回收年限长；第三，光伏板、风机叶片等固体废物难以处理，存在环境污染的风险；第四，分布式制氢在发电效率、氢安全性、投资费用等方面存在明显的缺陷，是阻碍它进一步发展的主要原因。
氢是近年来各国重点发展的能源，它具有热值高、清洁、易于利用等特点，工业副产氢（灰氢）和天然气重整制氢（蓝氢）的成本较低，可再生能源电解水制氢（绿氢）的成本比灰氢和蓝氢高2-5倍。氢气的运输目前也存在较大问题，因为氢气的密度非常低，造成运输效率较低。天然气掺氢是解决氢气运输的一个重要手段，特别是已经铺设好天然气管道的住宅、园区等。目前较为成熟的技术是向天然气管道中掺入10-20%的氢气，在终端用变压吸附的方法分离天然气和氢气，运输效率和成本大大降低。
分布式能源针对的对象主要是中等规模以下的住宅区、工业园区、偏远山区以及部分城市建筑群，其中又以住宅区的应用最为广泛，因为越来越多的小区从集中供暖改为自供暖，以分布式光热发电+储能（储热）+电锅炉（电暖器）等为主要方式。但上述技术方案的主要问题在于：（1）光热发电需配储能才能高效率运行，提高了投资费用，否则会造成较大的电力浪费；（2）整套系统由发电、储能和采暖等单元构成，较为复杂；（3）整套系统占地面积较大，旧住宅区改造困难大。
现有方案采用光热发电+储能+电锅炉的技术路线来解决住宅区供暖+供电的需求。它的原理是：利用太阳能板收集太阳能，在收集装置内将水加热至水蒸气，推动汽轮机发电；发出的电储存在储能系统中，驱动电锅炉提供热水，经换热站后供热水到用户端。此技术方案的优点是清洁能源发电无污染，在太阳能资源丰富的地区能够产生可观的经济效益，特别适用于电力资源匮乏的偏远山区。但是它的缺点也很明显：系统复杂、投资高、占地面积大。某些工程项目出于投资考虑，省去了储能单元，直接采用光热发电+电锅炉的技术路线来供暖和供电，但由于电能无法储存，造成能源浪费、系统调节性差、受光照影响较大等问题，降低了用户端的使用感受。
发明内容
本发明提供一种用于供暖和发电的分布式能源利用系统，采用氢为燃料，利用质子交换膜燃料电池向用户提供低价电力，利用氢热水锅炉向用户供暖，主要解决中等规模住宅区用户的采暖和用电需求。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其组成包括：分离单元，与所述的掺氢天然气管道连通，用于将掺氢天然气管道运输的掺氢天然气分离出氢气和天然气；
发电单元、供暖单元，所述的发电单元和所述的供暖单元分别与所述的分离单元分离出的氢气储罐连通，所述的发电单元用于将氢气和氧气转化为电力供给到用户，所述的供暖单元用于生产热水向用户供暖；
水处理单元，与所述的供暖单元连通，用于为所述的供暖单元提供除盐水和热网补水。
所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的分离单元包括变压吸附分离装置、天然气储罐和氢气储罐，所述的变压吸附分离装置与所述的掺氢天然气管道连通，掺氢天然气通过所述的变压吸附分离装置后分离为的氢气和天然气，天然气进入天然气储罐，氢气进入氢储罐。
所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的发电单元的发电设备为质子交换膜燃料电池。
所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的供暖单元包括氢热水锅炉和换热站，所述的换热站安装在所述的锅炉下游，锅炉通过燃烧氢气产生的热量加热水，再通过换热站加热热网水，向用户供暖。
所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的水处理单元包括预处理系统、精处理系统和循环水系统，中水通过所述的预处理系统后，其中一小部分进入所述的精处理系统，经处理后产出除盐水，补充给氢锅炉，其余进入循环水系统，作为热网补水和设备冷却水。
有益效果：
1.本发明针对住宅区的供暖和用电提出一套分布式能源利用的技术方案，它使用掺氢天然气作为燃料，避免在用地紧张的住宅区布置大规模太阳能板，大大节省项目占地。
2.本发明掺氢天然气经变压吸附设备分离后，天然气可直接供给用户，氢气则用来供暖和发电，能源得到充分利用。
3.本发明氢气分别去往氢热水锅炉和氢燃料电池，产出热水和电力。热水通过换热站加热热网水，给用户供暖；电力可直接在峰电时段供给用户，降低用户成本，也可作为备用电源或小区公共设施用电。
4.本发明的技术方案与光热发电+电化学储能+电锅炉的技术方案相比，功能上都能够实现对用户的供热和供电，本发明的技术方案的优势在于还能够向用户提供天然气，且项目占地仅为后者的30%，项目投资为后者的70%。综合收益极高。
附图说明：
附图1是本发明的原理图。
具体实施方式：
实施例1：
一种用于供暖和发电的分布式能源利用系统，使用氢气为燃料，向用户供暖和供电。掺氢天然气通过天然气管道运输到系统所在地。天然气和氢气通过变压吸附设备被分离开，天然气直接供到用户，氢气进入储罐。采用质子交换膜燃料电池（PEMFC）将氢气和氧气转化为电力供给到用户。采用氢热水锅炉生产热水，通过换热站向用户供暖。中水或自来水经处理后可为氢燃料锅炉提供除盐水、为循环水系统提供设备冷却水和热网补水；
其组成包括：分离单元，与所述的掺氢天然气管道连通，氢气以10-20%的比例掺入天然气，通过天然气管道输送，用于将掺氢天然气管道运输的掺氢天然气分离出氢气和天然气，天然气中掺入10-20%的氢气，经变压吸附设备后获得纯度高于99.9%的氢气，分离后氢气和天然气的压力为2.0-3.5MPa，符合天然气入户压力；
发电单元、供暖单元，所述的发电单元和所述的供暖单元分别与所述的分离单元分离出的氢气储罐连通，所述的发电单元用于将氢气和氧气转化为电力供给到用户，所述的供暖单元用于生产热水向用户供暖；
水处理单元，与所述的供暖单元连通，用于为所述的供暖单元提供除盐水和热网补水。
实施例2：
根据实施例1所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的分离单元包括变压吸附分离装置、天然气储罐和氢气储罐，所述的变压吸附分离装置与所述的掺氢天然气管道连通，掺氢天然气通过所述的变压吸附分离装置后分离为天然气和氢气，天然气进入天然气储罐，氢气进入氢储罐。
实施例3：
根据实施例1或2所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的发电单元为质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为发电设备，启动速度（从0%到80%负荷）不超过10分钟。
采用灵活的形式供电，包括但不限于以下形式：（1）在峰电时段向用户供电，降低用户用电成本；（2）作为常规电源向小区内公共设施供电（电灯、电梯等）；（3）作为备用电源，在停电时向整个小区供电。
实施例4：
将根据实施例1或2或3所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的供暖单元包括氢燃料热水锅炉和换热站，所述的换热站安装在所述的锅炉下游，氢热水锅炉通过燃烧氢气生产100℃左右的热水，热水在换热站中加热热网水，向用户供暖。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，所述的水处理单元包括预处理系统、精处理系统和循环水系统，中水通过所述的预处理系统后，其中一小部分进入所述的精处理系统，经处理后产出除盐水，补充给氢锅炉，其余进入循环水系统，作为热网补水和设备冷却水。
Claims (5)
1.一种用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其特征是：其组成包括：分离单元，与所述的掺氢天然气管道连通，用于将掺氢天然气管道运输的掺氢天然气分离出氢气和天然气；
发电单元、供暖单元，所述的发电单元和所述的供暖单元分别与所述的分离单元分离出的氢气储罐连通，所述的发电单元用于将氢气和氧气转化为电力供给到用户，所述的供暖单元用于生产热水向用户供暖；
水处理单元，与所述的供暖单元连通，用于为所述的供暖单元提供除盐水和热网补水。
2.根据权利要求1所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其特征是：所述的分离单元包括变压吸附分离装置、天然气储罐和氢气储罐，所述的变压吸附分离装置与所述的掺氢天然气管道连通，掺氢天然气通过所述的变压吸附分离装置后分离为氢气和天然气，天然气进入天然气储罐，氢气进入氢储罐。
3.根据权利要求1所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其特征是：所述的发电单元的发电设备为质子交换膜燃料电池。
4.根据权利要求1所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其特征是：所述的供暖单元包括氢燃料热水锅炉和换热站，所述的换热站安装在所述的锅炉下游，锅炉通过燃烧氢气产生的热量加热水，再通过换热站加热热网水，向用户供暖。
5.根据权利要求1所述的用于供暖和发电的分布式能源利用系统，其特征是：所述的水处理单元包括预处理系统、精处理系统和循环水系统，中水通过所述的预处理系统后，其中一小部分进入所述的精处理系统，经处理后产出除盐水，补充给氢锅炉，其余进入循环水系统，作为热网补水和设备冷却水。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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