CN114629163A - 一种基于氢能冷热电联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氢能冷热电联供系统，用于冷热电联产技术领域，包括：备用电源设备、风力发电设备、协调控制模块，电解水制氢设备、氢气储存装置、电制冷机上述各设备和模块采用并网方式运行；协调控制模块根据对所述氢气储存装置的检测结果和制氢条件判断结果控制所述电解水制氢设备、备用电源设备和电制冷机对风电功率过剩情况下的风电进行消纳或对风电功率不足的情况下进行缺额功率补充；其中，所述备用电源设备根据风力发电设备的工作情况，进行供电。本发明集风电、制氢、燃料电池、化学储能为一体，冷热电氢互相循序再生利用，提升发电效率，节约水资源，是一种超环保，高回报的绿色冷热电源泉。

Description

一种基于氢能冷热电联供系统
技术领域
本发明涉及冷热电联产技术领域，特别涉及一种基于氢能冷热电联供系统。
背景技术
目前，以风力发电为代表的新能源由于波动性强、并网困难导致弃电严重，因此研究人员迫切需要调节峰谷的储能系统消纳风电。风电厂烟气中有大量可用水汽，氢能是目前所有能源系统中最清洁环保的能源形式，而利用大规模的风电进行电解水制氢，不仅可以减少化石能源消耗，降低污染物排放，提升电网消纳能力，也可以实现风电与煤化工、石油化工的多联产，风电制氢发展正当时。在现有风电可再生能源的开发过程中，所产生的电量无法实现有效消纳和向外部输送的问题，并且在开发过程中将产生热能、电能、氢能、冷能等多能互补情况及火电厂排放烟气的情况，如何利用以上情况使得氢燃料电池发挥高密度储能优势。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于氢能冷热电联供系统，针对风电这一可再生能源开发过程中，所产生的电量无法实现有效消纳和向外部输送的难题，考虑过程中的热能、电能、氢能、冷能等多能互补情况及火电厂排放烟气的利用，发挥氢燃料电池高密度储能优势，通过用氢系统建设，提高具备孤网运行能力的风光氢储一体化制氢供氢系统安全稳定性。集风电、制氢、燃料电池、化学储能为一体，冷热电氢互相循序再生利用，提升发电效率，节约水资源，是一种超环保，高回报的绿色冷热电源泉。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，包括：备用电源设备、风力发电设备、协调控制模块，电解水制氢设备、氢气储存装置、电制冷机上述各设备和模块采用并网方式运行；
所述协调控制模块根据对所述氢气储存装置的检测结果和制氢条件判断结果控制所述电解水制氢设备、所述备用电源设备和所述电制冷机对风电功率过剩情况下的风电进行消纳或对风电功率不足的情况下进行缺额功率补充；
其中，所述备用电源设备根据风力发电设备的工作情况，进行供电工作。
优选的，所述备用电源设备包括：燃料轮机设备、储能设备、氢燃料电池；
其中，所述储能设备储存电能；
所述氢燃料电池的燃料为所述电解水制氢设备所制备的氢气。
优选的，还包括：热负荷、火电厂、余热回收通道、火电厂烟气提水管道；
所述电解水制氢设备、所述燃气轮机设备、所述储能设备、所述氢燃料电池设备均通过余热回收通道与热负荷相连；所述电解水制氢设备通过火电厂烟气提水管道与所述火电厂相连。
优选的，所述协调控制模块中包括：判断子模块、控制子模块；
所述检测子模块用于对所述氢气储存装置内储氢压力进行检测；
所述判断子模块用于对系统内各设备的启动或关闭条件进行判断；
所述控制子模块根据判断子模块的判断结果，控制对应设备的启动或关闭。
优选的，所述电解水制氢设备产生热量通过余热回收通道回收热量用于热负荷。
优选的，所述电解水制氢设备中所需水源为火电厂余烟中提取的水源，由火电厂烟气提水通道提供。
优选的，在所述氢气储存装置内储氢压力的最大值或最小值根据实际氢气储存装置的规格限定。
优选的，所述并网方式运行为：系统内各设备之间采用内部电力网络连接再与外部电网连接经由上述的内容可知与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明集风电、制氢、燃料电池、化学储能为一体，冷热电氢互相循序再生利用，提升发电效率，节约水资源，是一种超环保，高回报的绿色冷热电源泉。具体的：通过风电制氢方式，在系统中设置氢燃料电池，降低并网运行系统储能投资成本，建立具备并网运行能力的风氢储一体化制氢供氢系统，将清洁的绿色电力更好地转化为具有广泛用途的高品质氢气，提高绿色能源开发水平。氢燃料电池采用系统自身制备的低成本氢气，具有稳定的电能供应能力和较低的运行成本。具有可再生能源开发利用率高，无二氧化碳排放，氢气产品成本低，系统运行稳定的优点，实现利用氢能消纳风电多余功率。提高能源利用率，风电电解水制氢的水源自火电厂烟气提水经济环保，经燃气轮机做功后，余热利用装置进行供热、制冷，实现冷、热、电联产。本发明的风力发电设备，燃气轮机设备，储能设备，电解水制氢设备，氢气储存装置、自备氢燃料电池的配置和控制调节，可以根据发明使用地点的风力资源和氢气消费需求进行调整，可以满足不同地区可再生资源开发和绿色能源消费需求变化，提高了本发明的适用性。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明功率协调策略的结构示意图。
图中：1风力发电设备；2燃气轮机发电设备；3储能设备；4内部电力网络；5电解水制氢设备；6氢气连接管道；7氢气储存装置；8氢气储存装置出口管道；9氢燃料电池入口氢气管道；10氢燃料电池；11氢气外送管道； 12电网；13火电厂；14火电厂烟气提水通道；15余热回收通道；16热负荷； 17电制冷机。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例公开了一种基于氢能冷热电联供系统，包括：备用电源设备、风力发电设备、协调控制模块，电解水制氢设备、氢气储存装置、电制冷机上述各设备和模块采用并网方式运行；
协调控制模块根据对氢气储存装置的检测结果和制氢条件判断结果控制电解水制氢设备、备用电源设备和电制冷机对风电功率过剩情况下的风电进行消纳或对风电功率不足的情况下进行缺额功率补充；
其中，备用电源设备还可根据风力发电设备的工作情况，作为备用发电设备进行供电工作。
如图1所示备用电源设备包括：燃料轮机设备、储能设备、氢燃料电池；其中，储能设备储存风力发电设备产生的电能；氢燃料电池的燃料为电解水制氢设备所制备的氢气；还包括：热负荷、火电厂、余热回收通道、火电厂烟气提水管道；电解水制氢设备工作时产生热量通过余热回收通道回收热量用于热负荷。电解水制氢设备中所需水源为火电厂余烟中提取的水源，由火电厂烟气提水通道提供并网方式运行为：系统内各设备之间采用内部电力网络连接再与外部电网连接。
其中，协调控制模块中包括：判断子模块、控制子模块；检测子模块用于对氢气储存装置内储氢压力进行检测；判断子模块用于对系统内各设备的启动或关闭条件进行判断；控制子模块根据判断子模块的判断结果，控制对应设备的启动或关闭。
在本实施例中协调控制模块根据检测结果和判断结果控制各设备运作的具体内容：
情况(1)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率过剩情况，氢气储存装置内储氢压力未达到储氢压力最大值，电解水制氢设备额定功率大于制氢系统消纳风电功率；则控制子模块仅控制电解水制氢设备运作消纳风电；
情况(2)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率过剩情况，氢气储存装置内储氢压力未达到储氢压力最大值，电解水制氢设备额定功率小于或等于所述电解水制氢设备制氢系统实际制氢系统消纳风电功率，则控制子模块控制电解制氢全部出力后剩余部分功率由储能设备和所述电制冷机消纳风电，此情况下储能设备优先出力；当储能设备端口电压小于端口电压上限时，控制子模块控制储能设备出力，当储能设备额定功率大于经电解制氢消纳后的剩余功率时，储能设备负责消纳多余能量。当储能设备额定功率小于经电解制氢消纳后的剩余功率时，储能设备内无电能且此刻还存在剩余未消纳功率由控制子模块控制电制冷机负责消纳。
若经电解水制氢设备进行制氢消纳后存在剩余功率时，且此时储能设备端口电压大于端电压上限时，控制子模块仅控制电制冷机进行消纳。
情况(3)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率过剩情况，氢气储存装置内储氢压力达到或高于储氢压力最大值；则控制子模块控制电解水制氢设备停止制氢，控制子模块控制储能设备、电制冷机消纳风电，此情况下储能设备优先出力如情况(1)所示；
情况(4)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率不足的情况，氢气储存装置内储氢压力未达到储氢压力最小值，氢燃料电池额定功率大于风电缺额功率；则控制子模块控制氢燃料电池补充风电缺额功率；
情况(5)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率不足的情况，氢气储存装置内储氢压力未达到储氢压力最小值，氢燃料电池额定功率小于或等于风电缺额功率；则控制子模块控制氢燃料电池全部出力后剩余部分由储能设备和燃气轮机发电设备共同补充风电缺额功率，此情况下储能设备优先出力；储能设备额定功率大于经燃料电池补充后的缺额功率时控制子模块控制储能设备补充功率缺额，当储能设备额定功率小于经燃料电池补充后的缺额功率或当储能设备端口电压小于端电压下限时，控制子模块控制储能设备退出；
经燃料电池补充后的缺额功率控制子模块控制燃气轮机发电设备补充剩余所有未补充的缺额功率，具体为当燃气轮机额定功率大于此刻缺额功率时全部补充，当燃气轮机额定功率不足时，其余缺额功率由外部电网平衡；
情况(6)
检测子模块和判断子模块的检测和判断结果为：处于风电功率不足的情况，氢气储存装置内储氢压力未达到储氢压力最小值，氢燃料电池内无可用电能；则控制子模块控制储能设备和燃气轮机发电设备补充风电缺额功率，此情况下储能设备优先出力。储能设备额定功率大于缺额功率时控制子模块控制储能补充功率缺额，当储能设备额定功率小于缺额功率或当储能设备端口电压小于端电压下限时，储能设备退出；剩余缺额功率全由燃气轮机发电设备补充剩余储能设备未补充功率，当燃气轮机额定功率大于此刻缺额功率时全部补充，当燃气轮机额定功率不足时，其余缺额功率由外部电网平衡，系统在电解水制氢设备、氢燃料电池、燃气轮机运行时产生热量此时通过余热回收通道回收热量用于热负荷，另外电解水制氢由火电厂余烟提水经火电厂烟气提水通道提供。
系统通过回收余热，及电制冷实现冷热电联产。另外，在本实施例中氢气储存装置内储氢压力的最大值或最小值根据实际氢气储存装置的规格限定。
实施例2
在实施例1的基础上本实施例进一步公开了协调控制模块采用的功率协调策略，如图2所示；
其中，Pwg为风力发电设备输出功率；Pld为电网负荷需求功率；Pbat-ref、Pele-ref、Pfc-ref、Pgas-ef分别为储能设备、电解水制氢、氢燃料电池、燃气轮机参考功率。 PeleN、PfcN、PbatN、PgasN分别为电解水制氢系统、氢燃料电池、储能设备、燃气轮机的各自额定功率，Pcool表示电制冷机功率出力；Pcoolx表示电制冷机的需求功率，系统同时受储氢罐压力上/下限(Pmax/Pmin)储能设备端电压高/低限(Umax/ Umin)约束。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，包括：备用电源设备、风力发电设备、协调控制模块，电解水制氢设备、氢气储存装置、电制冷机上述各设备和模块采用并网方式运行；
所述协调控制模块根据对所述氢气储存装置的检测结果和制氢条件判断结果控制所述电解水制氢设备、所述备用电源设备和所述电制冷机对风电功率过剩情况下的风电进行消纳或对风电功率不足的情况下进行缺额功率补充；
其中，所述备用电源设备根据风力发电设备的工作情况，进行供电工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，所述备用电源设备包括：燃料轮机设备、储能设备、氢燃料电池；
其中，所述储能设备储存电能；
所述氢燃料电池的燃料为所述电解水制氢设备所制备的氢气。
3.根据权利要求1所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，还包括：热负荷、火电厂、余热回收通道、火电厂烟气提水管道；
所述电解水制氢设备、所述燃气轮机设备、所述储能设备、所述氢燃料电池设备均通过余热回收通道与热负荷相连；所述电解水制氢设备通过火电厂烟气提水管道与所述火电厂相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，所述协调控制模块中包括：判断子模块、控制子模块；
所述检测子模块用于对所述氢气储存装置内储氢压力进行检测；
所述判断子模块用于对系统内各设备的启动或关闭条件进行判断；
所述控制子模块根据判断子模块的判断结果，控制对应设备的启动或关闭。
5.根据权利要求3所述的所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，所述电解水制氢设备产生热量通过余热回收通道回收热量用于热负荷。
6.根据权利要求3所述的所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，所述电解水制氢设备中所需水源为火电厂余烟中提取的水源，由火电厂烟气提水通道提供。
7.根据权利要求1所述的所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，在所述氢气储存装置内储氢压力的最大值或最小值根据实际氢气储存装置的规格限定。
8.根据权利要求1所述的所述的一种基于氢能冷热电联供系统，其特征在于，所述并网方式运行为：系统内各设备之间采用内部电力网络连接再与外部电网连接。
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