阅读说明：本技术 一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统 (Thermoelectric hydrogen poly-generation system for improving flexibility of thermoelectric unit ) 是由 杜威 张营 王志强 李铁军 杨海生 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统,其包括相互连接的电解水制氢子系统、汽轮发电机子系统以及抽汽供热子系统。本发明适用于热电联产机组乃至纯凝机组,能够在投资较少、安全性有保障、运行调整方便快捷、调峰范围大、对机组运行热经济性影响小的前提下,显著提高其灵活性。本发明将电解水制氢技术、蒸汽轮机技术和抽汽供热技术有机结合,提高机组灵活性的同时兼顾了热经济性。(The invention relates to a heat, power and hydrogen poly-generation system for improving the flexibility of a thermoelectric unit, which comprises a water electrolysis hydrogen production subsystem, a steam turbine generator subsystem and a steam extraction heat supply subsystem which are connected with each other. The invention is suitable for cogeneration units and even straight condensing units, and can obviously improve the flexibility on the premise of less investment, safety guarantee, convenient and quick operation adjustment, large peak regulation range and small influence on the operation heat economy of the units. The invention organically combines the water electrolysis hydrogen production technology, the steam turbine technology and the steam extraction heat supply technology, improves the flexibility of the unit and simultaneously considers the heat economy.)

一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统

技术领域

本发明涉及一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统。

背景技术

随着人们环保意识的增强，氢气的使用量与日俱增，原因在于其燃烧后的热值很高，且不会对环境造成污染。对于氢气的生产，电解水制氢技术是目前应用较广且比较成熟的方法之一。以水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定的能量，则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75％至85％。该工艺过程比较简单，也不会产生污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进，但电解水制氢能耗仍然很高。

而热电机组提高灵活性的方法主要有使用电锅炉供热，使用各种蓄热罐的储热技术，以及以低压缸零出力为代表的蒸汽流程改造技术等，各种类型的低负荷稳燃技术等。以上技术均存在一定的缺陷。

电锅炉技术直接用电来对外供热，能量品质的损失较大，能源综合利用效率相对偏低。蓄热罐投资较大，且只是补充机组由于发电负荷降低带来的供热能力不足。低压缸零出力技术存在一定的危险性，例如叶片超温和水蚀等。此外，以上技术主要关注于满足电网对机组的调峰要求，对如何改善调峰对运行热经济性的负面影响作用很小。

现有的提高机组灵活性的技术，主要存在以下问题：

(1)现有的提高热电机组灵活性的方法存在安全性上的不足，例如低压缸零出力技术存在叶片超温和水蚀等风险。

(2)现有的提高热电机组灵活性的方法热经济性较差，例如电锅炉技术是把高品质的电能直接转化为低品质的热能，这在热力学意义上很不经济。

(3)现有的提高热电机组灵活性方法的运行调整快捷性还有待提高。需要设法使机组的电负荷与热负荷对调度要求的响应更加快速。

(4)现有的提高热电机组灵活性方法的调峰范围相对有限。由于传统机组的热与电属强耦合关系，两者互相制约，均会对彼此的调整造成极大的限制，运行的灵活性很低。借助现有的各种热电解耦技术和低负荷稳燃技术，也只能在某一程度上缓解这一矛盾。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种提高热电机组的灵活性的热电氢多联产系统，适用于热电联产机组乃至纯凝机组，能够在投资较少、安全性有保障、运行调整方便快捷、调峰范围大、对机组运行热经济性影响小的前提下，显著提高其灵活性。该系统将电解水制氢技术、蒸汽轮机技术和抽汽供热技术有机结合，提高机组灵活性的同时兼顾了热经济性。

本发明采用如下技术方案：

一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统，其包括相互连接的电解水制氢子系统、汽轮发电机子系统以及抽汽供热子系统。

其中，所述电解水制氢子系统包括电解槽、分离洗涤器、碱液冷却器、碱液循环泵、过滤器、氢气储罐、AC/DC转换器、原料水箱以及补水泵。

其中，所述AC/DC转换器接入电解槽，所述电解槽的出口与分离洗涤器的入口连接；所述原料水箱通过补水泵与分离洗涤器连接；所述分离洗涤器的液体出口连接过滤器，所述分离洗涤器的气体出口和氢气储罐连接；所述过滤器通过碱液冷却器和碱液循环泵连通电解槽入口。

其中，所述汽轮发电机子系统包括汽轮机、发电机、变压器组、凝汽器、抽汽回热系统以及凝结水泵。

其中，所述汽轮机驱动发电机，发电机通过变压器组分别向外部电网以及 AC/DC转换器供电；所述汽轮机产生的乏汽(低压蒸汽)经凝汽器冷凝后，经凝结水泵送往抽汽回热系统。

其中，所述抽汽供热子系统包括供热调节阀、热网加热器和疏水泵。

所述汽轮机的供热抽汽出口通过供热调节阀连接热网加热器的蒸汽侧进口，所述热网加热器的蒸汽侧出口通过疏水泵连接抽汽回热系统。

其中，所述凝结水泵将冷凝水送入抽汽回热系统中加热后再输送至锅炉产生主蒸汽，主蒸汽驱动汽轮机运转。

其中，所述原料水箱和凝结水泵分别间接电厂化学制水系统。

其中，所述电解槽内充满质量分数为20～30％的氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。

其中，所述电解槽的工作温度为80-85℃。

其中，所述热网加热器的水侧进出口分别与热网循环水的冷热水管道连接。

其中，所述热网加热器为管壳式换热器。

本发明的有益效果在于：投资较少、经济性好、安全性有保障、运行调整方便快捷、调峰范围大。

(1)投资较少

相对于以水煤气法、天然气法和石油裂解法为代表的化石、化工原料制氢法，电解水制氢法工艺流程简单，原料易得，且新的低成本的催化剂不断涌现，能使电/光电催化水裂解析氧反应更加高效，从而提升氢气制备的效率，进一步降低制氢成本。

(2)热经济性好

本发明中的热电氢多联产系统，当电网调峰和热网调整使得本系统电力出现富余时，可将富余电力进行电解水制备氢气，获得这种高品质高价格的二次能源，汽轮机也可长期在高负荷、高热效率状态下运行。当电网调峰和热网调整使得本系统不存在富余电力时，可降低或暂停氢气的生产，也可酌情由电网购电持续生产氢气。

(3)运行调整方便快捷

电解水制氢系统可以快速的调整负荷以适应汽轮机发电系统和抽汽供热系统的变化。此外，制氢与发电、供热二者之间均不存在强耦合关系，因此，其可以根据当前外界电网和热网的情况，灵活的决定自身的运行策略，并提高了整个系统的灵活性。

(4)调峰范围大

相较于其它增强灵活性的方法，本发明可以使热电机组的获得更大的调峰范围。参考电网与热网的历史数据和供需预测，通过合理的设计电解水制氢系统的容量，可以在电网低谷时将机组的富余电力全部吸纳。

(5)安全性好

电解水制氢技术已历经百年发展，其作为一种相当成熟的技术，在系统安全、电气安全、设备安全等方面已经形成了完善的安全设计标准体系和安全管理规范。在实际的工业化生产过程中，水电解制氢技术的安全可靠性已经得到了验证。

总之，本发明有效克服了现有方法的一些缺点，在投资额、热经济性、安全性、运行调整便利性、调峰范围上具有明显的进步。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为电解水制氢子系统的示意图。

图3为汽轮发电机子系统的示意图。

图4为抽汽供热子系统的示意图。

其中，1汽轮机、2发电机、3变压器组、15氢气储罐、7 AC/DC转换器、9 电解槽、14碱液冷却器、13过滤器、12分离洗涤器、8碱液循环泵、11补水泵、 10原料水箱、4凝汽器、5凝结水泵、16疏水泵、17热网加热器、6抽汽回热系统、18供热调节阀。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统，其包括相互连接的电解水制氢子系统、汽轮发电机子系统以及抽汽供热子系统。

如图2所示，所述电解水制氢子系统包括电解水制氢子系统包括电解槽9、分离洗涤器12、碱液冷却器14、碱液循环泵8、过滤器13、氢气储罐15、AC/DC 转换器7、原料水箱10以及补水泵11。

所述AC/DC转换器7接入电解槽9，所述电解槽9的出口与分离洗涤器12 的入口连接；所述原料水箱10通过补水泵11与分离洗涤器12连接；所述分离洗涤器12的液体出口连接过滤器13，所述分离洗涤器12的气体出口和氢气储罐15连接；所述过滤器13通过碱液冷却器14和碱液循环泵8连通电解槽入口。

如图3所示，所述汽轮发电机子系统包括汽轮发电机子系统包括汽轮机1、发电机2、变压器组3、凝汽器4、抽汽回热系统6以及凝结水泵5。

汽轮机为本领域的常规设备，其具体包括通过蒸汽管道依次连接的高压缸、中压缸、低压缸；所述发电机2由汽轮机1直联驱动并与AC/DC转换器7的入口和变压器组3的电网侧入口连接，发电机2通过变压器组3分别向外部电网以及AC/DC转换器7供电；所述汽轮机1的低压缸蒸汽出口输出的低压蒸汽(乏汽)经凝汽器4冷凝后，经凝结水泵5送往抽汽回热系统6。

如图4所示，所述抽汽供热子系统包括供热调节阀18、热网加热器17和疏水泵16。

所述汽轮机1的供热抽汽出口通过供热调节阀18连接热网加热器17的蒸汽侧进口，所述热网加热器17的蒸汽侧出口通过疏水泵16连接抽汽回热系统6。

所述凝结水泵5将冷凝水送入抽汽回热系统6中，经过升温、加压后再输送至锅炉产生主蒸汽，主蒸汽驱动汽轮机1运转。

所述原料水箱10和凝结水泵5分别间接电厂化学制水系统。

所述电解槽9内充满质量分数为20～30％的氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。所述电解槽9的工作温度为80-85℃。

所述热网加热器17的水侧进出口分别与热网循环水的冷热水管道连接。所述热网加热器17为管壳式换热器。

本发明的工作方式如下：

本发明主要包括3个循环过程，分别是①燃煤锅炉蒸汽供汽轮机发电循环过程；②汽轮机抽汽供热循环过程；③电解水制氢循环过程。且这三个过程相互耦合，相互补充，吸纳了机组的富余电力，提高了运行的灵活性。

燃煤锅炉蒸汽供汽轮机发电循环过程：汽轮机1由锅炉提供过热蒸汽驱动，蒸汽在依次连接的高压缸、中压缸、低压缸内膨胀做功，驱动发电机2发电，所发电力部分经变压器组3送入外部电网，部分经AC/DC转换器7进入电解水制氢循环过程；汽轮机排出的乏蒸汽进入凝汽器4被凝结为水，由凝结水泵5送至抽汽回热系统6，所述抽汽回热系统6使用汽轮机1抽出的蒸汽，通过一系列加热器将低温的凝结水加热到高温，并经过给水泵将低压的凝结水加压后输送至锅炉。

汽轮机抽汽供热循环过程：供热抽汽汽源来自汽轮机1，供热调节阀18负责控制进入热网加热器17的蒸汽的流量与参数；热网加热器17为管壳式换热器，供热蒸汽进入壳侧，将管侧热网循环水加热到要求的温度以满足供热用户，其管侧进出口分别与热网循环水的冷热水管道连接，其壳侧出口与疏水泵16连接；疏水泵16将热网加热器疏水加压后打入抽汽回热系统6的管道。

电解水制氢循环过程：发电机2所发的或是经变压器组3来自外部电网的交流电，经AC/DC转换器7变为直流电，进入电解槽9；电解槽9中充满溶解了氢氧化钾或氢氧化钠的碱液，碱液中的水在直流电的作用下被分解成氢气与氧气，并与碱液一起分别进入框架中的氢、氧分离洗涤器12进行气液分离、洗涤、冷却，分离后的碱液与补充的纯水混合后，经过滤器13、碱液冷却器14、碱液循环泵8回到电解槽9；分离后的氢气送入氢气储罐15，再经缓冲减压后，供用户使用；碱液冷却器14控制回流碱液的温度，来控制电解槽9的工作温度，使系统安全运行；原料水箱10中的软水来自电厂化学制水系统，并经补水泵11进入分离洗涤器12，补充被电解消耗的水。

根据库仑定律，气体产量与电流成正比，与其它因素无关。单位气体产量的电耗，取决于电解电压，电解槽的工作温度越高，电解电压越低，同时也增加了对电解槽材料，主要是隔膜材料的腐蚀，操作温度选择在80-85℃为宜。电解电压的选择主要根据用氢的需要。气体纯度决定于制氢机结构和操作情况。在设备完好(主要是电解槽隔膜无损坏)操作压力正常(主要是压差控制正常)的条件下，纯度是稳定的。

对本发明灵活性方面的优势进行说明。

本系统的上网电量的计算公式为：

P_n＝P_f-P_h-P_s (1)

式中，P_n为可上网电量，P_f为发电机2所发电量，P_h为电解水制氢系统所耗电量，P_s为厂用电量(不包含电解水制氢耗电)。

当机组处于非采暖期时，P_f最低值取决于锅炉最低稳燃负荷，以P_{f min1}表示， P_f最高值为发电机2设计最大出力，以P_{f max1}表示。

当机组处于采暖期时，P_f最低值为当前供热抽汽量D_r下发电机2最小出力，以P_{f min}(D_r)表示，P_f最高值为当前抽汽供热量D_r下发电机2最大出力，以 P_{f max}(D_r)表示。P_{f min}(D_r)、P_{f max}(D_r)与供热抽汽量D_r的关系曲线由汽轮机1制造厂家提供。

P_h为电解水制氢系统耗电量，可根据电网和热网的情况灵活调整。其最低值可为零，最高值为其设计最大出力，以P_{h max}表示。

P_s为厂用电量，不包括电解水制氢耗电，该参数与机组当前的运行状态相关。

由上可见，机组处于非采暖期时，其上网电量P_n的最大可调范围表示如下：

(P_{f min1}-P_hmax-P_s)≤P_n≤(P_{f max}-P_s) (2)

机组处于采暖期时，其上网电量P_n的最大可调范围表示如下：

[P_{f min}(D_r)-P_hmax-P_s]≤P_n≤[P_{f max}(D_r)-P_s] (3)

由式(2)、(3)可见，合理选取电解水制氢系统的设计最大出力P_{h max}，在采暖期和非采暖期均可明显增加上网电量P_n的调整范围，使机组的灵活性获得极大提高。

此外，电解水制氢系统的运行调整也极为快捷，可根据电网和热网的情况灵活调整。只需在允许范围内调整电解槽9内电流的高低，或者停运/投运部分电解槽，即可改变氢气产量。以上方法均可使电解水制氢子系统快速且频繁的调整出力，及时响应电网和热网的要求，使机组的灵活性获得进一步提高。

对本发明在经济性方面的优势进行说明。

热电机组的收入主要包括售电收入、供热收入、电网辅助服务收入(取决于各地出台的“并网发电厂辅助服务管理实施细则”)。

本发明可使热电机组长期运行在高负荷与高效率状态，并将可能存在的富余电力转化为高纯度氢气这一高品质、高价格的能源。采用本发明后的机组增加了电解水制氢收入。

当采用本发明后的机组与普通热电机组的供热量相同时，从两个典型工况比较两者的收益。

下文为第一个工况。

采用本发明后，与普通热电机组相比，同样上网电量与供热量下，收益差的计算公式为：

C_d＝(C_fd+C_rd+C_hd-C_cd+C_wd)-(C_ft+C_rt-C_ct+C_wt) (4)

式中，C_d为收益差，C_ft和C_fd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组售电收入，C_rt和C_rd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组供热收入， C_ct和C_cd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组的发电成本，C_hd为电解水制氢收入，C_wt和C_wd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组的电网辅助服务收入。

同样上网电量下，C_ft和C_fd两者相等，同样供热量下，C_rt和C_rd两者相等。依据各地出台的“并网发电厂辅助服务管理实施细则”，电网辅助服务收入C_wt和 C_wd的值主要取决于上网电量(两台机组每单位电量报价相同)。因此，式(4) 化简为：

C_d＝C_hd+C_ct-C_cd (5)

热电机组的发电成本主要为燃料成本，其高低取决于锅炉和汽轮机1出力及热效率的高低。C_ct和C_cd由下式表示：

C_ct＝C_p×P_ft×η_t (6)

C_cd＝C_p×P_fd×η_d＝C_p×(P_ft+P_hd)×η_d (7)

式中，在同样上网电量与供热量下，P_ft和P_fd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组的发电机2出力，η_t和η_d分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组的发电煤耗率，C_p为单位质量燃煤价格。

将式(6)、(7)代入式(5)，得：

C_cd＝(C_hd-C_p×P_hd×η_d)+C_p×P_ft×(η_t-η_d) (8)

由于存在电解水制氢循环流程，同样上网电量和供热量下，采用本发明后的热电机组，锅炉与汽轮机的出力和热效率均高于普通机组，煤耗率η_t高于η_d。即使电解水制氢循环流程的收入C_hd与成本C_p×P_hd×η_d持平，由式(8)可见，采用本发明后的热电机组收益也高于普通热电机组。

下文为第二个工况。

采用本发明的机组与普通热电机组相比，发电机2出力与机组供热量相同的情况下，收益差的计算公式为与式(4)相同：

C_d＝(C_fd+C_rd+C_hd-C_cd+C_wd)-(C_ft+C_rt-C_ct+C_wt) (9)

上式中，各项参数定义也与式(4)相同。同样供热量下，两种机组的供热收入C_rt和C_rd相等；同时由于发电机2的出力相等，则可认为两者的主蒸汽流量相等，锅炉与汽轮机的出力和热效率也相等，因此两种机组的发电成本C_ct和C_cd相等。式(9)可化简为：

C_d＝(C_fd-C_ft)+(C_wd-C_wt)+C_hd (10)

热电机组的发电收入高低取决于上网电量和上网电价。因此，C_ft和C_fd可用下式表示：

C_ft＝C_dj×P_nft (11)

C_fd＝C_dj×P_nfd＝C_dj×(P_nft-P_hd) (12)

式中，在同样发电机2出力与供热量下，P_nft和P_nfd分别为普通热电机组和采用本发明的热电机组的上网电量，P_hd为电解水制氢系统所耗电量，C_dj为上网电价。

将式(11)、(12)代入式(10)，得：

C_d＝(C_hd-C_dj×P_hd)+(C_wd-C_wt)＝(C_hj×P_hd-C_dj×P_hd)+(C_wd-C_wt) (13)

式中，C_dj为单位电能所制取的氢气价格。

电网辅助服务收入C_wt和C_wd的值主要取决于上网电量(两台机组每单位电量报价相同)，采用本发明后的热电机组的上网电量更低，相对普通热电机组可以获得更多的调峰辅助服务补偿收入。由式(13)可见，即使单位电能所制取的氢气价格C_hj与上网电价C_dj持平，采用本发明后的热电机组收益也高于普通热电机组。

总之，在供热量相等时，无论上网电量相同抑或发电机2的出力相同，采用本发明后的热电机组收益均高于普通热电机组，前者具有更好的经济性。

本发明涉及一种提高热电机组灵活性的热电氢多联产系统，实现了多个系统的耦合、协同、灵活运行，能效也有所提升。与已有的技术相比，具有投资较少、安全性有保障、运行调整方便快捷、调峰范围大、对机组运行热经济性影响小的特点。该发明可配置在不同容量的热电机组上，具有一定的应用前景。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。