CN118168051A - 一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法，包括汽轮机，所述汽轮机驱动轴分别与热泵、发电组件相连，所述汽轮机输出乏汽经过循环回路进行循环，所述循环回路加热供暖热网回水，所述供暖热网包括储热支路和制氢支路。上述技术方案将供暖系统结合热泵实现对供暖工况变化时的多级调节实现，结合相变储热装置能够实现电力调峰的功能，满足用电高峰期的供暖需求，结合碱性电解水制氢系统，既进一步回收了废热又能够产生高品位的氢气，有效减少碳排放，提高能源的利用率。

Description

一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法

技术领域

本发明涉及蒸汽余热回收及应用技术领域，尤其涉及一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法。

背景技术

长期以来，工业和能源生产部门一直在寻找提高能源利用效率的方法。汽电双驱系统是一种利用内燃机和发电机的组合，通过热力循环转换燃料的热能为电能。这种系统的优势在于能够更高效地转换化石燃料的能量，相比传统的内燃机，减少了能源浪费。热泵技术是一种能够从低温环境中提取热量，并将其传递到高温环境的技术。将热泵与汽电双驱系统结合，可以利用低温的环境热源，提升工作流体(例如蒸汽的温度和压力，增加汽轮机的发电效率。

通过整合系统还可以协同生产氢气。通过电解水，将产生的电能转化成氢能。氢气用来合成氨投入锅炉燃料中参与燃烧，以有效减少碳排放，提高资源的利用率。在此背景下，在已有成熟供热方式的基础上，进一步探索高效供热协同储能与制氢的技术，不但符合国家政策战略要求，也符合火力发电厂的发展需要。

有资料显示，灭火的最佳时间是火灾发生后的3分钟内，如果采用科学的方式及时扑救，可以把经济损失和人员损伤降到最低。现有的自动灭火器均为范围性无差别灭火，且主要把水作为灭火材料，既无法针对火源迅速灭火又不适用于变电站这种用电器众多的区域，

中国专利文献CN109579104A公开了一种“双热泵与热电机组耦合的供暖系统及方法”。采用了将发电机与汽轮机结合，能够产生电力的同时驱动压缩式热泵工作，另外，利用汽轮机的蒸汽余热直接驱动吸收式热泵工作。双热泵的耦合能够有效提高热电机组的灵活性。上述技术方案单纯应用热泵，缺少储热装置配合，可调温度范围小、能源的利用率低、对电网的调峰能力差。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案单纯应用热泵，缺少储热装置配合，可调温度范围小、能源的利用率低、对电网的调峰能力差的技术问题，提供一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法，将供暖系统结合热泵实现对供暖工况变化时的多级调节实现，结合相变储热装置能够实现电力调峰的功能，满足用电高峰期的供暖需求，结合碱性电解水制氢系统，既进一步回收了废热又能够产生高品位的氢气，有效减少碳排放，提高能源的利用率。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括汽轮机，所述汽轮机驱动轴分别与热泵、发电组件相连，所述汽轮机输出乏汽经过循环回路进行循环，所述循环回路加热供暖热网回水，所述供暖热网包括储热支路和制氢支路。循环回路的热量传递至供暖热网，供暖热网在满足供暖的同时结合碱性电解水制氢系统，既进一步回收了废热又能够产生高品位的氢气，有效减少碳排放，提高能源的利用率。

作为优选，所述的发电组件包括在启动阶段带动汽轮机的电动机，所述电动机与汽轮机驱动轴相连，汽轮机驱动轴通过变速齿轮箱连接发电机与压缩式热泵。机械压缩式热泵的启动首先需要电动机在启动阶段带动，达到合适转速后再联动变速齿轮箱，发电机由变速齿轮箱带动发电以供入电网，满足用电需求后还可以视供暖、储能需求的不同，分别向电驱动式热泵、相变/电磁加热装置以及碱性电解水制氢装置进行供电。

作为优选，所述的汽轮机输出乏汽时先通往相变储热装置进行换热以加热供暖热网回水，所述循环回路包括循环回路冷凝器和冷却塔，冷却塔出口经过过滤器、冷水泵与锅炉进水口相连。相变储热装置内部可填充Mg(NO₃₂·6H2O材料，其相变温度在90℃左右，即相变储热装置8的常态温度会在90℃左右，用以加热来自来自供暖热网的回水，加热至70～80℃，以满足供暖需求。

作为优选，所述的储热支路包括依次相连的热泵和储热装置，供暖热网回水达到热网所需温度后通入热水罐。回水经热泵加热后进入储热装置中视用热需求进行保温或者进一步加热，待达到热网所需温度后通入热水罐中，视需热量来调节供入热网的热水流量。

作为优选，所述的热泵包括并联的压缩式热泵、电驱动式热泵以及吸附式热泵，所述储热装置包括相变式储热装置和电磁加热式储热装置。根据用热需求不同决定不同热泵的启用与否。

作为优选，所述的制氢支路包括与储热支路相连的热水混合器，所述热水混合器出口依次经过供暖水电解前处理装置、碱性电解水装置与储氢罐相连，所述储氢罐出口经过合成氨装置与储氨罐相连。在热水混合器中与热水罐提供的供暖热水混合，调节到碱性电解的合适温度后，送往供暖水电解前处理装置中经过滤、沉淀、去除离子、逆渗透、PH调节、微滤、紫外线消毒等操作后通入碱性电解水装置18中，被电解制成氢气，氢气储入储氢罐中，以实现“热能/电能-氢能”的能量储存。氢气能够与氮气在合成氨装置中生成更稳定更易储存的氨气，氨气掺进锅炉燃料中供给燃烧，能够有效减少碳排放，其中电解水过程中产生的废热还可驱动吸附式热泵加热供暖水，完成系统对于电解余热的回收，提高能源的利用效率。

作为优选，所述的供暖水电解前处理装置包括用于去除固态杂质的供暖水过滤器和沉淀槽，还包括离子交换器、PH调节装置和紫外线消毒装置。供暖水过滤器，用于去除供暖回水中的悬浮颗粒、泥沙和其他杂质。沉淀槽，用于促使悬浮在供暖回水中的固体颗粒沉淀下来，形成沉淀物。离子交换器，用于去除供暖回水中的离子，特别是酸根离子，以提高水的纯度。PH调节装置，用于调节供暖回水的pH值，确保在用于碱性电解水制氢的适当的范围内。紫外线消毒装置，用于确保回水中没有微生物的存在。

一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统的工作方法，包括以下步骤：

S1锅炉的蒸汽带动汽轮机工作；

S2汽轮机通过变速齿轮箱带动压缩式热泵和发电机工作；

S3乏汽经过相变储热装置对供暖热网进行换热并循环；

S4供暖热网换热后的回水进行储热和制氢。

作为优选，在电网用电低谷期，发电机向储热支路和制氢支路供电，实现“电能-氢能”“电能-热能”能量形式的转化以及能量的储存。在电网用电高峰期，发电机主要向电网供电满足电力需求，此时，储存的能量释放用于满足供暖需求。

作为优选，供暖需求增加时，发电机工作，为电驱动式热泵提供电力，使其投入运行，以增加热水的供应。供暖需求进一步增加或供暖温度要求提高时：此时，发电机为相变/电加热式储热装置提供电力，通过电加热的方式进一步提高热水温度以满足用热需求

本发明的有益效果是：

1.供暖系统结合热泵可以实现对供暖工况变化时的多级调节实现。

2.结合相变储热装置能够实现电力调峰的功能，满足用电高峰期的供暖需求。

3.结合碱性电解水制氢系统，既进一步回收了废热又能够产生高品位的氢气。

4.氢气结合氮气合成氨，投入锅炉中燃烧能够有效减少碳排放，提高能源的利用率。

附图说明

图1是本发明的一种原理连接结构图。

图2是本发明的一种供暖回水电解前处理装置图。

图3是本发明的一种流程图。

图中1汽轮机、2变速齿轮箱、3发电机、4电动机、5电驱动式热泵、6压缩式热泵、7吸附式热泵、8相变式储热装置、9电磁加热式储热装置、10热水罐、11冷凝器、12冷却塔、13锅炉、14过滤器、15冷水泵、16热水混合器、17供暖回水电解前处理装置、17-1供暖水过滤器、17-2沉淀槽、17-3离子交换器、17-4PH调节装置、17-5紫外线消毒装置、18碱性电解水制氢装置、19储氢罐、20合成氨系统、21储氨罐。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法，如图1所示，包括汽轮机1，所述汽轮机1驱动轴分别与热泵、发电组件相连，所述汽轮机1输出乏汽经过循环回路进行循环，所述循环回路加热供暖热网回水，所述供暖热网包括储热支路和制氢支路。

发电组件包括在启动阶段带动汽轮机1的电动机4，所述电动机4与汽轮机1驱动轴相连，汽轮机1驱动轴通过变速齿轮箱2连接发电机3与压缩式热泵6。

汽轮机1输出乏汽时先通往相变储热装置8进行换热以加热供暖热网回水，所述循环回路包括循环回路冷凝器11和冷却塔12，冷却塔12出口经过过滤器14、冷水泵15与锅炉13进水口相连。

储热支路包括依次相连的热泵和储热装置，供暖热网回水达到热网所需温度后通入热水罐10。热泵包括并联的压缩式热泵6、电驱动式热泵5以及吸附式热泵7，所述储热装置包括相变式储热装置8和电磁加热式储热装置9。

制氢支路包括与储热支路相连的热水混合器16，所述热水混合器16出口依次经过供暖水电解前处理装置17、碱性电解水装置18与储氢罐19相连，所述储氢罐19出口经过合成氨装置20与储氨罐21相连。供暖水电解前处理装置17包括用于去除固态杂质的供暖水过滤器17-1和沉淀槽17-2，还包括离子交换器17-3、PH调节装置17-4和紫外线消毒装置17-5。

如图2所示，供暖水过滤器17-1，用于去除供暖回水中的悬浮颗粒、泥沙和其他杂质。沉淀槽17-2，用于促使悬浮在供暖回水中的固体颗粒沉淀下来，形成沉淀物。离子交换器17-3，用于去除供暖回水中的离子，特别是酸根离子，以提高水的纯度。PH调节装置17-4，用于调节供暖回水的pH值，确保在用于碱性电解水制氢的适当的范围内。紫外线消毒装置17-5，用于确保回水中没有微生物的存在。

系统工作流程如图3所示

1.首先，汽轮机1的驱动轴通过变速齿轮箱2连接发电机3与压缩式热泵，当锅炉13产生蒸汽驱动汽轮机1运转时，同时带动发电机3与压缩式热泵6工作，机械压缩式热泵6的启动首先需要电动机4在启动阶段带动，达到合适转速后再联动变速齿轮箱2，发电机3由变速齿轮箱2带动发电以供入电网，满足用电需求后还可以视供暖、储能需求的不同，分别向电驱动式热泵5、相变/电磁加热装置9以及碱性电解水制氢装置1/进行供电；

2.蒸汽驱动汽轮机1运转做功后的乏汽先通往相变储热装置8，相变储热装置8内部可填充(MgNO3)2·6H2O材料，其相变温度在90℃左右，即相变储热装置8的常态温度会在90℃左右，用以加热来自来自供暖热网的回水，加热至70～80℃，以满足供暖需求；高温乏汽在相变储热装置8中换热完成后，继而通入冷凝器11、冷却塔12中放热冷凝，冷却塔12出口的冷却水经过滤器14后，重新被冷水泵15泵入锅炉13中；

3.供暖热网的回水进入该系统中有两条分支，其中一路经压缩式热泵6、电驱动式热泵5以及吸附式热泵7，根据用热需求不同决定不同热泵的启用与否，加热后进入相变8/电加热式9储热装置中进行保温或者进一步加热，视用热需求而决定，待达到热网所需温度后通入热水罐10中，视需热量来调节供入热网的热水流量；

4.另一路供暖回水在热水混合器16中与热水罐10提供的供暖热水混合，调节到碱性电解的合适温度后，送往供暖水电解前处理装置17中经过滤、沉淀、去除离子，如酸根离子、逆渗透、PH调节、微滤、紫外线消毒等操作后通入碱性电解水装置18中，被电解制成氢气，氢气储入储氢罐中，以实现“热能/电能-氢能”的能量储存。氢气能够与氮气在合成氨装置20中生成更稳定更易储存的氨气，氨气掺进锅炉燃料中供给燃烧，能够有效减少碳排放，其中电解水过程中产生的废热还可驱动吸附式热泵7加热供暖水，完成系统对于电解余热的回收，提高能源的利用效率。

汽电双驱结合多热泵能够实现对于供暖工况的多级调节

1供暖需求小：汽轮机1通过变速齿轮箱带动压缩式热泵工作，压缩式热泵可以将供暖热网回水加热至60℃，再将其输送至由乏汽进行换热的相变储热装置8中进行进一步加热。同时，发电机除了向电网供电，还能够为碱性电解水装置提供电力，电解水的同时产生的余热由吸附式热泵吸收，加热供暖热网回水后同样通入储热装置8中加热保温。储热装置8中的热水满足供暖温度要求后被送至热水罐中用以供给热网。

2供暖需求增加时：除以上压缩式热泵、吸附式热泵投入工作外，发电机为电驱动式热泵提供电力，使其投入运行，以增加热水的供应。

3供暖需求进一步增加或供暖温度要求提高时：此时，发电机为相变/电加热式储热装置提供电力，通过电加热的方式进一步提高热水温度以满足用热需求。

实现对电网负荷的合理调峰

1在电网用电低谷期，发电机向碱性电解水制氢装置以及相变/电加热式储热装置供电，实现“电能-氢能”“电能-热能”能量形式的转化以及能量的储存。

2在电网用电高峰期，发电机主要向电网供电满足电力需求，此时，储存的能量释放用于满足供暖需求。

助力节能减排与碳中和

由碱性电解水制氢装置制得氢气，氢气与氮气在合成氨装置中合成氨气后，掺入锅炉中燃烧，有助于减少碳排放，助力碳中和。

相比现有技术，供暖系统结合热泵可以实现对供暖工况变化时的多级调节实现。结合相变储热装置能够实现电力调峰的功能，满足用电高峰期的供暖需求。结合碱性电解水制氢系统，既进一步回收了废热又能够产生高品位的氢气。氢气结合氮气合成氨，投入锅炉中燃烧能够有效减少碳排放，提高能源的利用率。

Claims (10)

1.一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，包括汽轮机(1)，所述汽轮机(1)驱动轴分别与热泵、发电组件相连，所述汽轮机(1)输出乏汽经过循环回路进行循环，所述循环回路加热供暖热网回水，所述供暖热网包括储热支路和制氢支路。

2.根据权利要求1所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，所述发电组件包括在启动阶段带动汽轮机(1)的电动机(4)，所述电动机(4)与汽轮机(1)驱动轴相连，汽轮机(1)驱动轴通过变速齿轮箱(2)连接发电机(3)与压缩式热泵(6)。

3.根据权利要求1所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统与方法，其特征在于，所述汽轮机(1)输出乏汽时先通往相变储热装置(8)进行换热以加热供暖热网回水，所述循环回路包括循环回路冷凝器(11)和冷却塔(12)，冷却塔(12)出口经过过滤器(14)、冷水泵(15)与锅炉(13)进水口相连。

4.根据权利要求1所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，所述储热支路包括依次相连的热泵和储热装置，供暖热网回水达到热网所需温度后通入热水罐(10)。

5.根据权利要求4所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，所述热泵包括并联的压缩式热泵(6)、电驱动式热泵(5)以及吸附式热泵(7)，所述储热装置包括相变式储热装置(8)和电磁加热式储热装置(9)。

6.根据权利要求1所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，所述制氢支路包括与储热支路相连的热水混合器(16)，所述热水混合器(16)出口依次经过供暖水电解前处理装置(17)、碱性电解水装置(18)与储氢罐(19)相连，所述储氢罐(19)出口经过合成氨装置(20)与储氨罐(21)相连。

7.根据权利要求6所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统，其特征在于，所述供暖水电解前处理装置(17)包括用于去除固态杂质的供暖水过滤器(17-1)和沉淀槽(17-2)，还包括离子交换器(17-3)、PH调节装置(17-4)和紫外线消毒装置(17-5)。

8.一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1锅炉(13)的蒸汽带动汽轮机(1)工作；

S2汽轮机(1)通过变速齿轮箱带动压缩式热泵和发电机工作；

S3乏汽经过相变储热装置(8)对供暖热网进行换热并循环；

S4供暖热网换热后的回水进行储热和制氢。

9.根据权利要求8所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统的工作方法，其特征在于，在电网用电低谷期，发电机向储热支路和制氢支路供电，实现“电能-氢能”“电能-热能”能量形式的转化以及能量的储存。

10.根据权利要求8所述的一种汽电双驱结合多热泵进行供暖协同制氢的系统的工作方法，其特征在于，供暖需求增加时，发电机工作，为电驱动式热泵提供电力，使其投入运行，以增加热水的供应。