CN114718730B - 一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法，该系统包括空气压缩机、燃烧室、燃氢燃气透平、第一换热器、第二换热器、氮气透平、氢氮分离器、液氨储罐、脱硝塔、氢气储罐、电机、温度传感器、第一离合器、第二离合器、第一循环泵和第二循环泵；本发明方法通过高温氨分解提供氢气作为燃料，同时通过氢气燃烧为氨分解提供热源并驱动燃气透平发电，提供了一种新型氨燃料利用方式，解决了氨燃料直接燃烧不充分的问题，大幅降低了氮氧化物的产生，同时系统工作过程中没有温室气体排放，实现了无碳燃烧。本发明具有结构简单、安全可靠、投资成本低以及绿色无污染的优点。

Description

一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法
技术领域
本发明属于氨燃烧发电技术领域，具体涉及一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法。
背景技术
工业革命以来，对传统化石能源的大规模开发和利用造成了一系列社会问题，温室效应、能源短缺、环境污染等问题日益凸显。能源的清洁利用是当今科学界的研究热点。氢气被认为是未来最重要的绿色清洁能源之一，具有燃烧性能好、热释放速度快、无毒无污染、可再生等优势。然而氢燃料具有易燃易爆、贮藏运输困难等缺点，容易带来安全隐患。
近年来，氨作为一种具有前景的清洁燃料得到了广泛关注。氨作为一种富氢物质，是氢能的优良载体。氨易液化，便于运输存储，其合成、运输技术及配套的基础设施已十分成熟，价格低廉。此外，氨燃烧可以实现零碳排放，配合可再生能源电化学方法进行氨制备，可以实现全循环周期的零碳排放。然而氨作为燃料，存在点火特性差、不易燃烧、燃烧不充分、氮氧化物较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法，以解决上述问题。本发明系统通过高温氨分解提供氢气作为燃料，同时通过氢气燃烧为氨分解提供热源并驱动燃气透平发电，提供了一种新型氨燃料利用方式，大幅降低了氮氧化物的产生，实现了无碳燃烧，同时系统结构简单、安全可靠、投资成本低、绿色无污染。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，包括空气压缩机、燃烧室、燃氢燃气透平、第一换热器、第二换热器、氮气透平、氢氮分离器、液氨储罐、脱硝塔、氢气储罐、电机、温度传感器、第一离合器、第二离合器、第一循环泵和第二循环泵；
液氨储罐出口经过第一循环泵后分为两路，分别连接至第一换热器第一入口及第二换热器第一入口，第一换热器及第二换热器的第一出口通过燃烧室后连接至氢氮分离器，氢氮分离器第一氢气出口连接至燃烧室第三入口，氢氮分离器第二氢气出口连接至氢气储罐入口，氢气储罐出口经过第二循环泵后连接至燃烧室第一入口，空气压缩机入口连接有第一管路，空气压缩机轴端连接电机，空气压缩机出口连接至燃烧室第二入口，燃烧室内布置有温度传感器，燃烧室出口连接至燃氢燃气透平入口，燃氢燃气透平出口连接至第一换热器第二入口，第一换热器第二出口连接至脱硝塔第一进口；
氢氮分离器氮气出口连接至氮气透平入口，氮气透平出口与第二换热器第二入口相连，第二换热器第二出口连接至脱硝塔第二进口；
空气压缩机、燃氢燃气透平和氮气透平同轴连接，空气压缩机和燃氢燃气透平通过第一离合器相连，燃氢燃气透平和氮气透平通过第二离合器相连。
本发明进一步的改进在于，第一管路上设置有第一调节阀。
本发明进一步的改进在于，氢氮分离器第一氢气出口经过第二调节阀后连接至燃烧室第三入口。
本发明进一步的改进在于，氢氮分离器氮气出口经过第三调节阀后连接至氮气透平入口。
本发明进一步的改进在于，液氨储罐出口经过第一循环泵及第四调节阀后分为两路。
本发明进一步的改进在于，燃烧室出口通过第五调节阀连接至燃氢燃气透平入口。
本发明进一步的改进在于，氢氮分离器第二氢气出口经过第六调节阀连接至氢气储罐入口。
本发明进一步的改进在于，氢气储罐出口经过第二循环泵及第七调节阀后连接至燃烧室第一入口。
一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统的控制方法，该方法基于所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，包括：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态，所有离合器为断开状态；
预燃烧阶段：打开第一调节阀、第七调节阀及第二循环泵，电机作为电动机驱动空气压缩机开始工作，空气经过空气压缩机后进入燃烧室，氢气储罐中的氢气经第二循环泵进行掺混燃烧，根据温度传感器监测燃烧室中的温度；
系统做功阶段：当燃烧室温度满足氨气分解所需温度时，关闭第七调节阀及第二循环泵，打开第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀及第一循环泵，闭合第一离合器及第二离合器，第一循环泵开始工作，将液氨储罐内的液氨送入第一换热器及第二换热器中吸收热量汽化，第一换热器及第二换热器出口吸收热量后的氨气通过管路进入燃烧室，在燃烧室高温作用下进行分解产生氢气和氮气，随后进入氢氮分离器进行分离，氢氮分离器分离出的氢气经第二调节阀输入至燃烧室第三入口，氢气与来自空气压缩机的空气进行掺混燃烧，高温高压的燃烧产物经燃烧室出口排出，通过第三调节阀进入燃氢燃气透平膨胀做功，燃氢燃气透平驱动空气压缩机工作，同时驱动电机作为发电机工作输出电能，做功后的余气进入第一换热器传递热量至液氨，随后进入脱硝塔进行脱硝；氢氮分离器分离出的氮气经过第三调节阀进入氮气透平膨胀做功，做功后的氮气进入第二换热器传递热量至液氨，随后进入脱硝塔进行脱硝；系统做功过程结束时，关闭所有调节阀、循环泵、离合器、压缩机及透平。
本发明进一步的改进在于，系统做功阶段对氢气储罐进行氢气补充，打开第六调节阀，氢氮分离器分离出的氢气部分经过第六调节阀进入氢气储罐，补充在预燃烧阶段消耗掉的氢气。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法，通过高温氨分解提供氢气作为燃料，同时通过氢气燃烧为氨分解提供热源并驱动燃气透平发电，提供了一种新型氨燃料利用方式，解决了氨燃料直接燃烧不充分的问题，大幅降低了氮氧化物的产生，同时系统工作过程中没有温室气体排放，实现了无碳燃烧；
进一步，本发明系统采用液氨作为储能介质，能量密度高、运输及存储方便，系统投资成本低；
进一步，本发明系统采用氮气余热利用系统回收氨分解产生的氮气组分的余热，实现了能量的充分利用，系统运行效率高；
进一步，本发明系统采用离合器将压缩机与透平相连，无需额外为透平布置启动电机，系统更加简单、结构更加紧凑，有效减少系统投入成本；
进一步，本发明系统工作中可对氢气储罐进行氢气补充，除首次点火外无需外部额外提供氢气，系统无需存储大量氢燃料，系统更加安全；
进一步，本发明系统配置脱硝塔对排放尾气进行脱硝处理，进一步减少氮氧化物排放，系统绿色无污染。
附图说明
图1为本发明实施例的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统示意图。
附图标记说明：
1、空气压缩机；2、燃烧室；3、燃氢燃气透平；4、第一换热器；5、第二换热器；6、氮气透平；7、氢氮分离器；8、液氨储罐；9、脱硝塔；10、氢气储罐；11、电机；12、温度传感器；13、第一离合器；14、第二离合器；21、第一调节阀；22、第二调节阀；23、第三调节阀；24、第四调节阀；25、第五调节阀；26、第六调节阀；27、第七调节阀；28、第一循环泵；29、第二循环泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，包括：空气压缩机1、燃烧室2、燃氢燃气透平3、第一换热器4、第二换热器5、氮气透平6、氢氮分离器7、液氨储罐8、脱硝塔9、氢气储罐10、电机11、温度传感器12、第一离合器13、第二离合器14、第一调节阀21、第二调节阀22、第三调节阀23、第四调节阀24、第五调节阀25、第六调节阀26、第七调节阀27、第一循环泵28和第二循环泵29。
液氨储罐8出口经过第一循环泵28及第四调节阀24后分为两路，分别连接至第一换热器4第一入口及第二换热器5第一入口，第一换热器4及第二换热器5的第一出口通过燃烧室2后连接至氢氮分离器7，氢氮分离器7第一氢气出口经过第二调节阀22后连接至燃烧室2第三入口，氢氮分离器7第二氢气出口经过第六调节阀26连接至氢气储罐10入口，氢气储罐10出口经过第二循环泵29及第七调节阀27后连接至燃烧室2第一入口，第一管路通过第一调节阀21连接至空气压缩机1入口，空气压缩机1轴端连接电机11，空气压缩机1出口连接至燃烧室2第二入口，燃烧室2内布置有温度传感器12，燃烧室2出口通过第五调节阀25连接至燃氢燃气透平3入口，燃氢燃气透平3出口连接至第一换热器4第二入口，第一换热器4第二出口连接至脱硝塔9第一进口，上述各部件构成氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统。
本发明还包括氮气余热利用子系统：氢氮分离器7氮气出口经过第三调节阀23后连接至氮气透平6入口，氮气透平6出口与第二换热器5第二入口相连，第二换热器5第二出口连接至脱硝塔9第二进口。
空气压缩机1、燃氢燃气透平3和氮气透平6同轴布置，空气压缩机1和燃氢燃气透平3通过第一离合器13相连，燃氢燃气透平3和氮气透平6通过第二离合器14相连。
本发明实施例的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统的控制方法，包括：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态，所有离合器为断开状态；
预燃烧阶段：打开第一调节阀21、第七调节阀27及第二循环泵29，电机11作为电动机驱动空气压缩机1开始工作，空气经过空气压缩机1后进入燃烧室2，氢气储罐10中的氢气经第二循环泵29进行掺混燃烧，根据温度传感器12监测燃烧室2中的温度；
系统做功阶段：当燃烧室2温度满足氨气分解所需温度时，关闭第七调节阀27及第二循环泵29，打开第二调节阀22、第三调节阀23、第四调节阀24、第五调节阀25及第一循环泵28，闭合第一离合器13及第二离合器14，第一循环泵28开始工作，将液氨储罐8内的液氨送入第一换热器4及第二换热器5中吸收热量汽化，第一换热器4及第二换热器5出口吸收热量后的氨气通过管路进入燃烧室2，在燃烧室2高温作用下进行分解产生氢气和氮气，随后进入氢氮分离器7进行分离，氢氮分离器7分离出的氢气经第二调节阀22输入至燃烧室2第三入口，氢气与来自空气压缩机1的空气进行掺混燃烧，高温高压的燃烧产物经燃烧室2出口排出，通过第三调节阀23进入燃氢燃气透平3膨胀做功，燃氢燃气透平3驱动空气压缩机1工作，同时驱动电机11作为发电机工作输出电能，做功后的余气进入第一换热器4传递热量至液氨，随后进入脱硝塔9进行脱硝；氢氮分离器7分离出的氮气经过第三调节阀23进入氮气透平6膨胀做功，做功后的氮气进入第二换热器5传递热量至液氨，随后进入脱硝塔9进行脱硝；系统做功过程结束时，关闭所有调节阀、循环泵、离合器、压缩机及透平。
优选的，可在系统做功阶段对氢气储罐10进行氢气补充，除上述系统做功阶段操作外，打开第六调节阀26，氢氮分离器7分离出的氢气部分经过第六调节阀26进入氢气储罐10，补充在预燃烧阶段消耗掉的氢气。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，包括空气压缩机、燃烧室、燃氢燃气透平、第一换热器、第二换热器、氮气透平、氢氮分离器、液氨储罐、脱硝塔、氢气储罐、电机、温度传感器、第一离合器、第二离合器、第一循环泵和第二循环泵；
液氨储罐出口经过第一循环泵后分为两路，分别连接至第一换热器第一入口及第二换热器第一入口，第一换热器及第二换热器的第一出口通过燃烧室后连接至氢氮分离器，氢氮分离器第一氢气出口连接至燃烧室第三入口，氢氮分离器第二氢气出口连接至氢气储罐入口，氢气储罐出口经过第二循环泵后连接至燃烧室第一入口，空气压缩机入口连接有第一管路，空气压缩机轴端连接电机，空气压缩机出口连接至燃烧室第二入口，燃烧室内布置有温度传感器，燃烧室出口连接至燃氢燃气透平入口，燃氢燃气透平出口连接至第一换热器第二入口，第一换热器第二出口连接至脱硝塔第一进口；
氢氮分离器氮气出口连接至氮气透平入口，氮气透平出口与第二换热器第二入口相连，第二换热器第二出口连接至脱硝塔第二进口；
空气压缩机、燃氢燃气透平和氮气透平同轴连接，空气压缩机和燃氢燃气透平通过第一离合器相连，燃氢燃气透平和氮气透平通过第二离合器相连。
2.根据权利要求1所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，第一管路上设置有第一调节阀。
3.根据权利要求2所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，氢氮分离器第一氢气出口经过第二调节阀后连接至燃烧室第三入口。
4.根据权利要求3所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，氢氮分离器氮气出口经过第三调节阀后连接至氮气透平入口。
5.根据权利要求4所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，液氨储罐出口经过第一循环泵及第四调节阀后分为两路。
6.根据权利要求5所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，燃烧室出口通过第五调节阀连接至燃氢燃气透平入口。
7.根据权利要求6所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，氢氮分离器第二氢气出口经过第六调节阀连接至氢气储罐入口。
8.根据权利要求7所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，其特征在于，氢气储罐出口经过第二循环泵及第七调节阀后连接至燃烧室第一入口。
9.一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统的控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求8所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统，包括：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态，所有离合器为断开状态；
预燃烧阶段：打开第一调节阀、第七调节阀及第二循环泵，电机作为电动机驱动空气压缩机开始工作，空气经过空气压缩机后进入燃烧室，氢气储罐中的氢气经第二循环泵进行掺混燃烧，根据温度传感器监测燃烧室中的温度；
系统做功阶段：当燃烧室温度满足氨气分解所需温度时，关闭第七调节阀及第二循环泵，打开第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀及第一循环泵，闭合第一离合器及第二离合器，第一循环泵开始工作，将液氨储罐内的液氨送入第一换热器及第二换热器中吸收热量汽化，第一换热器及第二换热器出口吸收热量后的氨气通过管路进入燃烧室，在燃烧室高温作用下进行分解产生氢气和氮气，随后进入氢氮分离器进行分离，氢氮分离器分离出的氢气经第二调节阀输入至燃烧室第三入口，氢气与来自空气压缩机的空气进行掺混燃烧，高温高压的燃烧产物经燃烧室出口排出，通过第三调节阀进入燃氢燃气透平膨胀做功，燃氢燃气透平驱动空气压缩机工作，同时驱动电机作为发电机工作输出电能，做功后的余气进入第一换热器传递热量至液氨，随后进入脱硝塔进行脱硝；氢氮分离器分离出的氮气经过第三调节阀进入氮气透平膨胀做功，做功后的氮气进入第二换热器传递热量至液氨，随后进入脱硝塔进行脱硝；系统做功过程结束时，关闭所有调节阀、循环泵、离合器、压缩机及透平。
10.根据权利要求9所述的一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统的控制方法，其特征在于，系统做功阶段对氢气储罐进行氢气补充，打开第六调节阀，氢氮分离器分离出的氢气部分经过第六调节阀进入氢气储罐，补充在预燃烧阶段消耗掉的氢气。
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