CN217999723U - 一种零排放闭式循环发电系统 - Google Patents

一种零排放闭式循环发电系统 Download PDF

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陈一峰
林钢
许庆
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Abstract

本实用新型提供了一种零排放闭式循环发电系统，通过设置电解水制氢装置接收不稳定电能和/或低品质电能，对水进行电解形成氢气和氧气，并分别通过氢气加压管路和氧气加压管路输出至纯氧燃烧器进行燃烧并得到高温高压水蒸气，高温高压水蒸气输出至蒸汽轮机发电机组进行发电，做功后的水蒸气则是进入冷凝单元冷凝为液态水并输送回电解水制氢装置以及纯氧燃烧器。通过设置纯氧燃烧器以及蒸汽轮机发电机组，可实现大功率发电，将不稳定低品质的电能转换成高品质电能；同时，燃烧形成高温高压水蒸气的形式相比于燃料电池的化学反应对氢气纯度的要求较低，更易实现；并且，氢气与氧气燃烧和实现完全反应，燃烧后不会有氢气残留，燃烧过程仅产生水。

Description

一种零排放闭式循环发电系统
技术领域
本实用新型属于发电技术领域，尤其涉及一种零排放闭式循环发电系统。
背景技术
新能源光伏、风电等发电方式常常存在不稳定，在光资源或风资源较好时往往会形成弃光、弃风以满足发电容量或电网调度的需求，造成实质的电量浪费；而在光资源或风资源较差时，则形成的电能不稳定或品质较低，难以满足电网需求。
公开号为CN114395775A，名称为“一种闭式清洁能源制氢储能系统”的发明专利中，公开了一种闭式清洁能源制氢储能系统，包括清洁能源发电模块、电解池模块和燃料电池模块；清洁能源发电模块连接电解池模块，用于将清洁能源转化为电能以供电解池模块利用；电解池模块包括电解池本体；燃料电池模块包括燃料电池本体，用于将化学能转化为电能以供外接负载利用；电解池本体与燃料电池本体连接形成循环回路，使得电解池本体能够为燃料电池本体的反应提供氢气和氧气，并且燃料电池本体反应生成的水能够回流至电解池本体供其电解；工作时，只需向系统中输入清洁能源且无需额外的补给和排放。该系统形成物质的闭式循环，实现零排放；同时克服清洁能源发电波动性较大的弊端，提升供电的稳定性。
该专利公开了一种利用不稳定电能和/或低品质电能电解水形成氢气和氧气并输出至燃料电池进行发电储能的方案。但该方案中存在以下问题：
一、燃料电池的单机功率小，现有燃料电池方案仅仅只能做到200KW至300KW的功率，因此适用场景少；而如果通过堆叠的方式增加系统整体功率，每一燃料电池均需要配套对应的结构和控制，会导致系统结构复杂，成本飙升；
二、燃料电池进行发电反应所需的氢气纯度高，因此，对电解水装置的氢氧分离要求高，难以实现；
三、现有燃料电池进行发电反应时，由于其是化学反应，会存在反应不完全的现象，导致有部分氢气排出，易造成安全隐患。
实用新型内容
为解决上述弊端，本实用新型提供了一种零排放闭式循环发电系统，包括：
电解水制氢装置，用于接收不稳定电能和/或低品质电能并电解水；
纯氧燃烧器，所述纯氧燃烧器的氢气输入端与所述电解水制氢装置的氢气输出端通过氢气加压管路连通；所述纯氧燃烧器的氧气输入端与所述电解水制氢装置的氧气输出端通过氧气加压管路连通；其中，高压氢气和高压氧气进入所述纯氧燃烧器对所述纯氧燃烧器进行冷却降温后进行燃烧；
蒸汽轮机发电机组，所述蒸汽轮机发电机组的蒸汽输入端与所述纯氧燃烧器的高温高压水蒸气输出端相连通；
冷凝单元，所述冷凝单元的输入端与所述蒸汽轮机发电机组的排汽端相连通；所述冷凝单元的输出端分别通过第一冷凝管路连通至所述电解水制氢装置以及通过高压冷凝管路连通至所述纯氧燃烧器。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，所述氢气加压管路上设有高压氢气存储装置，用于暂存加压后的高压氢气；且所述高压氢气存储装置与所述纯氧燃烧器之间设有氢气流量计量调节单元。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，所述氧气加压管路上设有高压氧气存储装置，用于暂存加压后的高压氧气；且所述高压氧气存储装置与所述纯氧燃烧器之间设有氧气流量计量调节单元。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，沿流动方向，所述第一冷凝管路上设有水泵和第一流量调节阀门。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，沿流动方向，所述高压冷凝管路上依次设有高压泵和第二流量调节阀门。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，蒸汽轮机发电机组包括蒸汽轮机和发电机组；所述蒸汽轮机的蒸汽输入端与所述纯氧燃烧器的高温高压水蒸气输出端相连通，所述蒸汽轮机的排汽输出端与所述冷凝单元的输入端相连通，所述蒸汽轮机的动力输出端与所述发电机组的输入端相连；
所述发电机组的电能输出端与外部电网相连。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，还包括与所述电解水制氢装置电连接的电能提供部，所述电能提供部为风能发电场和/或光伏发电场。
本实用新型的零排放闭式循环发电系统，所述冷凝单元为凝汽器。
本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例通过设置电解水制氢装置接收不稳定电能和/或低品质电能，对水进行电解形成氢气和氧气，并分别通过氢气加压管路和氧气加压管路输出至纯氧燃烧器进行燃烧并得到高温高压水蒸气，高温高压水蒸气输出至蒸汽轮机发电机组进行发电，做功后的水蒸气则是进入冷凝单元冷凝为液态水并输送回电解水制氢装置以及纯氧燃烧器。通过设置纯氧燃烧器以及蒸汽轮机发电机组，可实现大功率发电，将不稳定低品质的电能转换成高品质电能；同时，燃烧形成高温高压水蒸气的形式相比于燃料电池的化学反应对氢气纯度的要求较低，更易实现；并且，氢气与氧气燃烧和实现完全反应，燃烧后不会有氢气残留，燃烧过程仅产生水，没有任何其他排气物(如CO2、NOx等)，真正做到零排放。
同时，冷凝排汽形成的液态水并分别输送至电解水制氢装置和纯氧燃烧器内，进入电解水制氢装置的液态水用于电解产生氢气和氧气，从而实现循环；而进入纯氧燃烧器的液态水，一是可对纯氧燃烧器进行降温，二是可混入燃烧形成的水蒸气进行减温并产生所需的高温高压水蒸气，参与整体系统的水源可实现闭式循环使用，节省用水。
附图说明
图1为本实用新型的零排放闭式循环发电系统的示意图。
附图标记说明：1：电能提供部；2：电解水制氢装置；3：氢气加压管路；301：高压氢气存储装置；302：氢气流量计量调节单元；4：氧气加压管路；401：高压氧气存储装置；402：氧气流量计量调节单元；5：纯氧燃烧器；6：蒸汽轮机发电机组；601：蒸汽轮机；602：发电机；7：冷凝单元；8：高压冷凝管路；801：高压泵；802：第二流量调节阀门；9：第一冷凝管路；901：水泵；902：第一流量调节阀门。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种零排放闭式循环发电系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。
参看图1，在一个实施例中，一种零排放闭式循环发电系统，包括电解水制氢装置2、纯氧燃烧器5、蒸汽轮机发电机组6、冷凝单元7。
其中，电解水制氢装置2用于接收不稳定电能和/或低品质电能并电解水。
纯氧燃烧器5的氢气输入端与电解水制氢装置2的氢气输出端通过氢气加压管路3连通。纯氧燃烧器5的氧气输入端与电解水制氢装置2的氧气输出端通过氧气加压管路4连通。其中，高压氢气和高压氧气进入纯氧燃烧器5对纯氧燃烧器5进行冷却降温后进行燃烧(具体的冷却降温方式可为通过换热器使得燃烧室内的热量与高压氢气和高压氧气换热，来降低燃烧室的温度以及预热氢气和氧气)。
蒸汽轮机发电机组6的蒸汽输入端与纯氧燃烧器5的高温高压水蒸气输出端相连通。冷凝单元7的输入端与蒸汽轮机发电机组6的排汽端相连通。冷凝单元7的输出端分别通过第一冷凝管路9连通至电解水制氢装置2以及通过高压冷凝管路8连通至纯氧燃烧器5。
本实施例通过设置电解水制氢装置2接收不稳定电能和/或低品质电能，对水进行电解形成氢气和氧气，并分别通过氢气加压管路3和氧气加压管路4输出至纯氧燃烧器5进行燃烧并得到高温高压水蒸气，高温高压水蒸气输出至蒸汽轮机发电机组6进行发电，做功后的水蒸气则是进入冷凝单元7冷凝为液态水并输送回电解水制氢装置2以及纯氧燃烧器5。通过设置纯氧燃烧器5以及蒸汽轮机发电机组6，可实现大功率发电，将不稳定低品质的电能转换成高品质电能；同时，燃烧形成高温高压水蒸气的形式相比于燃料电池的化学反应对氢气纯度的要求较低，更易实现；并且，氢气与氧气燃烧和实现完全反应，燃烧后不会有氢气残留，燃烧过程仅产生水，没有任何其他排气物(如CO2、NOx等)，真正做到零排放。
同时，冷凝排汽形成的液态水并分别输送至电解水制氢装置2和纯氧燃烧器5内，进入电解水制氢装置2的液态水用于电解产生氢气和氧气，从而实现循环；而进入纯氧燃烧器5的液态水，一是可对纯氧燃烧器5进行降温(同样也可采用换热器的方式进行换热)，二是可混入燃烧形成的水蒸气进行减温并产生所需的高温高压水蒸气，参与整体系统的水源可实现闭式循环使用，节省用水。
下面对本实施例的零排放闭式循环发电系统的具体结构进行进一步说明：
在本实施例中，上述氢气加压管路3和氧气加压管路4的具体加压方式可为在管路上设置对应的加压装置，例如加压泵等。
进一步地，为了可以稳定的向纯氧燃烧器5提供高压氢气，可在氢气加压管路3上设有高压氢气存储装置301，用于暂存加压后的高压氢气，且高压氢气存储装置301与纯氧燃烧器5之间设有氢气流量计量调节单元302，从而可控制高压氢气进入纯氧燃烧器5的流量。
同样地，为了可以稳定的向纯氧燃烧器5提供高压氧气，可在氧气加压管路4上设有高压氧气存储装置401，用于暂存加压后的高压氧气。且高压氧气存储装置401与纯氧燃烧器5之间设有氧气流量计量调节单元402，从而可控制高压氧气进入纯氧燃烧器5的流量。
在本实施例中，上述的冷凝单元7可为凝汽器，由于现有凝汽器其底部通常会自带一大型水箱，因此为了使凝结水可以流通至电解水制氢装置2，沿流动方向，第一冷凝管路9上可依次设有水泵901和第一流量调节阀门801，从而将凝结水从凝汽器处泵出并可调节进入电解水制氢装置2的流量。
同样地，为了使凝结水可以输出至纯氧燃烧器5，沿流动方向，高压冷凝管路8上依次设有高压泵801和第二流量调节阀门802，从而将凝结水从凝汽器处泵出加压并可调节进入纯氧燃烧器5的流量。
在本实施例中，上述的蒸汽轮机发电机组6具体可包括蒸汽轮机601和发电机组602。蒸汽轮机601的蒸汽输入端与纯氧燃烧器5的高温高压水蒸气输出端相连通，蒸汽轮机601的排汽输出端与冷凝单元7的输入端相连通，蒸汽轮机601的动力输出端与发电机组602的输入端相连，发电机组602的电能输出端则是与外部电网相连。
在本实施例中，零排放闭式循环发电系统还可包括与电解水制氢装置2电连接的电能提供部1，电能提供部1具体可为风能发电场和/或光伏发电场。
在本实施例中，为了得到发电所需的高温高压水蒸气，故进入纯氧燃烧器5的冷凝水的流量与纯氧燃烧器5燃烧形成的蒸汽的温度相关。
本实施例的零排放闭式循环发电系统中，由于其内的介质为水，且其为闭式循环，在系统的运行过程中，也不会产生水的损耗，因此飞车适用于位于沙漠或戈壁等水资源稀缺地区的风能发电场或光伏发电场。即使存在水的损耗也必然是少量的，可采用定期进行补充的方式，且补充量不会很大。
下面对本实施例的零排放闭式循环发电系统的运行流程进行说明：
利用风光发电的电能(不稳定的、低品质的电能)，由电解水制氢装置进行电解水制氢气和氧气，并将制得的氢气和氧气进行加压存储；高压氢气和高压氧气进入纯氧燃烧器5燃烧，并对纯氧燃烧器5进行冷却降温，以提高纯氧燃烧器5的使用寿命和安全性；高压氢气和氧气混合燃烧后，产生高温高压的水蒸气(包含减温用凝结水)，高温高压水蒸气进入蒸汽轮机601进行工作做功，带动发电机组602发电，输出稳定的、高品质的电能；高温高压蒸汽在蒸汽轮机601中完成做功后，进入凝汽器冷却形成凝结水；凝结水一部分通过高压泵801进入纯氧燃烧器5进行冷却用，另一部分进入电解水制氢系统，作为电解水制氢的水源。
高压氢气在高压氢气存储装置301中暂存缓冲，并进行压力监测和控制，然后通过氢气流量计量调节单元302，调节至对应运行状态的流量，然后进入纯氧燃烧器；高压氧气在高压氧气存储装置401中暂存缓冲，并进行压力监测和控制，然后通过氧气流量计量调节单元402，调节至对应运行状态的流量，进入纯氧燃烧器5中；控制氢气和氧气的流量按照体积流量比2：1；氢气和氧气在纯氧燃烧室5中被点燃燃烧；
对纯氧燃烧器5进行出口蒸汽温度监测和并通过控制第二流量调节阀802，调节控制进入的冷却水量，使纯氧燃烧器5出口的蒸汽温度与蒸汽轮机601运行状态对应；
凝结水另一部分通过水泵901泵入电解部2，并通过第一流量调节阀门902，调节进入电解部2的水量，根据运行工况控制电解水制氢气、氧气的量；
对凝结水箱进行液位监测和控制。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种零排放闭式循环发电系统，其特征在于，包括：
电解水制氢装置，用于接收不稳定电能和/或低品质电能并电解水；
纯氧燃烧器，所述纯氧燃烧器的氢气输入端与所述电解水制氢装置的氢气输出端通过氢气加压管路连通；所述纯氧燃烧器的氧气输入端与所述电解水制氢装置的氧气输出端通过氧气加压管路连通；其中，高压氢气和高压氧气进入所述纯氧燃烧器对所述纯氧燃烧器进行冷却降温后进行燃烧；
蒸汽轮机发电机组，所述蒸汽轮机发电机组的蒸汽输入端与所述纯氧燃烧器的高温高压水蒸气输出端相连通；
冷凝单元，所述冷凝单元的输入端与所述蒸汽轮机发电机组的排汽端相连通；所述冷凝单元的输出端分别通过第一冷凝管路连通至所述电解水制氢装置以及通过高压冷凝管路连通至所述纯氧燃烧器。
2.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，所述氢气加压管路上设有高压氢气存储装置，用于暂存加压后的高压氢气；且所述高压氢气存储装置与所述纯氧燃烧器之间设有氢气流量计量调节单元。
3.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，所述氧气加压管路上设有高压氧气存储装置，用于暂存加压后的高压氧气；且所述高压氧气存储装置与所述纯氧燃烧器之间设有氧气流量计量调节单元。
4.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，沿流动方向，所述第一冷凝管路上设有水泵和第一流量调节阀门。
5.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，沿流动方向，所述高压冷凝管路上依次设有高压泵和第二流量调节阀门。
6.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，蒸汽轮机发电机组包括蒸汽轮机和发电机组；所述蒸汽轮机的蒸汽输入端与所述纯氧燃烧器的高温高压水蒸气输出端相连通，所述蒸汽轮机的排汽输出端与所述冷凝单元的输入端相连通，所述蒸汽轮机的动力输出端与所述发电机组的输入端相连；
所述发电机组的电能输出端与外部电网相连。
7.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，还包括与所述电解水制氢装置电连接的电能提供部，所述电能提供部为风能发电场和/或光伏发电场。
8.如权利要求1所述的零排放闭式循环发电系统，其特征在于，所述冷凝单元为凝汽器。
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