一种火电厂电力通过电解池制氢系统技术方案

一种利用火电厂电力通过电解池制氢系统，包括电网调峰控制系统、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、冷却水余热回收系统、电解池高温蒸汽供应系统、纯净水制备及补水系统，所述送变电及供电系统是在电厂出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关，所述电开关通过输电电网与降压变压器和逆变器连接，降压变压器和逆变器另一端与电解水制氢系统连接；所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。通过凝结水冷却碱性电解池提高效率，以电厂主蒸汽作为高温固体电解池的蒸汽来源，充分利用了电厂调峰电量，为清洁能源上网提供宝贵的调峰负荷。

A hydrogen production system of thermal power plant through electrolytic cell

【技术实现步骤摘要】
一种火电厂电力通过电解池制氢系统
本专利技术涉及氢气制造领域，尤其涉及电解制氢与火电厂灵活性调峰领域。
技术介绍
近年来，在中国三北地区电力市场容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰电源稀缺，电网调峰与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电及核电等新能源的能力不足，弃风现象严重。热电联产机组“以热定电”方式运行，调峰能力仅为10％左右。调峰困难已经成为电网运行中最为突出的问题。目前国内火电灵活性调峰改造均针对冬季供热机组，夏季如何调峰是摆在众多火电厂面前的一个难题。为了满足电网调峰需求，以及电厂在激烈竞争中的生存需要，深度调峰势在必行。目前中国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一。工业规模的制氢方法主要包括甲烷蒸汽重整和电解水制氢，其中电解水制氢的产量约占世界氢气总产量4％。尽管甲烷蒸汽重整是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃料，而且产生大量二氧化碳。电解水制氢工艺过程简单，产品纯度高，通过采用可再生能源作为能量来源，可现氢气的高效、清洁、大规模制备，该技术也可以用于CO2的减排和转化，具有较为广阔的发展前景。特别是氢能应用的燃料电池汽车是唯一能够全面达到汽车性能指标的环保车型，最大社会意义是代替石油和常规锂电池汽车的电池处理和污染问题，氢燃料电池汽车的优点确实很多，由于真正做到了有害气体零排放，远比油电混合动力、天然气、乙醇、生物柴油等环保效果为好；由于燃料电池汽车以电解水代替石油，成本低、资源广、有助于克服石油危机；从科学技术上讲，发现和利用质子膜使氢气中的电子分离，是无公害发电的重大成就。目前的电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是目前非常成熟的制氢方法，目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解制氢技术，该方法工艺过程简单，易于操作。电解制氢的主要能耗为电能，每立方米氢气电耗约为4.5～5.5kWh，电费占整个电解制氢生产成本的80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。目前很多现有技术利用碱性电解水制氢工艺，如申请号为200910027704.7的专利介绍了一种新型的中高压纯水水电解制氢系统。但这些现有专利技术和技术没有将电解制氢系统与火电厂的灵活性调峰和冷却水系统结合，而且产出的氢气仅用钢瓶压缩运输，无法大型化生产。
技术实现思路
本专利技术提供了一种火电厂电力通过电解池制氢系统，通过将电解制氢与火电厂的灵活性调峰相结合，间接利用大型风电、光伏等清洁能源电能来电解制氢，可以全年四季解决弃风、弃光、弃水、弃核等弃用清洁能源发电问题，为电网提供宝贵的调峰负荷，同时，生产的氢能可以方便的存储和运输，也可以直接混入现有天然气管网或直接对外销售，增加现有火力发电厂的经营效益，扩展其未来的生存空间。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是，一种利用火电厂电力通过电解池制氢系统，包括电网调峰控制系统、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化及对外输送系统、冷却水余热回收系统、电解池高温蒸汽供应系统、纯净水制备及补水系统，其特征在于：所述送变电及供电系统是在电厂出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关，所述电开关通过输电电网与降压变压器和逆变器连接，降压变压器和逆变器另一端与电解水制氢系统连接；所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。优选的是，所述电网调峰控制系统包括电网调度中心和电厂集控中心，电网调度中心通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心，电厂集控中心下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关进行电网调峰，电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心控制。上述任一方案优选的是，所述冷却水余热回收系统包括锅炉、汽轮机、凝汽器、低压加热器、除氧器、高压加热器、三通阀门与管道；所述凝汽器出口与凝结水管路连接。上述任一方案优选的是，汽轮机乏汽经过凝结水管路冷凝成凝结水，在三通阀门的第一端连接低压加热器，凝结水进入低压加热器后利用汽轮机乏汽余热对凝结水进行加热，热水再经过除氧器除氧，进入高压加热器，最后作为循环水重新进入锅炉再利用。上述任一方案优选的是，所述碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置和高温固体氧化物电解制氢装置的冷却水供水管道分别通过三通阀门与凝结水管路连接，冷却水源为电厂凝汽器输出的凝结水；所述碱性水溶液电解制氢装置的冷却水出水管道和所述固体聚合物电解制氢装置的冷却水出水管道与冷却水回流管道汇合，制氢装置中的冷却水回流到除氧器中。上述任一方案优选的是，所述碱性水溶液电解制氢装置由若干个单体电解槽组成，每个电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成.上述任一方案优选的是，所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt％～30wt％。上述任一方案优选的是，所述隔膜组成成分包括石棉。上述任一方案优选的是，所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。上述任一方案优选的是，所述固体聚合物电解制氢(SPE)装置由若干个单体电解槽组成。上述任一方案优选的是，所述电解槽以固体聚合物膜为电解质。上述任一方案优选的是，所述电解池高温蒸汽供应系统包括主蒸汽旁路、电过热器、高温蒸汽输送管道，所述电过热器蒸汽入口与主蒸汽旁路连接，所述电过热器蒸汽出口与高温蒸汽输送管道入口连接。上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解装置的高温蒸汽入口与所述高温蒸汽输送管道出口连接，所述主蒸汽旁路内的高温蒸汽温度在500℃左右，高温蒸汽进入电高温过热器，经过电高温过热器过热到800℃以上。上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解制氢(SOEC)装置由若干个单体电解池组成。上述任一方案优选的是，所述高温固体氧化物电解制氢装置工作温度为800～950℃。所述送变电及供电模块输出电能和电解池高温蒸汽供应系统输出的高温热能至高温固体氧化物电解制氢装置，在电能和高温热能的共同作用下，将水蒸汽电解生成氢气和氧气。上述任一方案优选的是，所述送变电及供电系统还包括火电厂内的锅炉、汽轮机、发电机和设置在输电电网的降压变压器、逆变器、电开关。上述任一方案优选的是，所述纯净水制备及补水系统包括电厂化学水处理车间、纯净水制备装置、补水泵和送水管路。上述任一方案优选的是，所述电厂化学水处理车间流出的净化水进入纯净水制备装置，再经补水泵加压，通过送水管道进入电解水制氢系统。上述任一方案优选的是，所述氢气收集净化及对外输运系统包括氢气洗涤罐、氢气脱水罐、氢气缓冲罐、燃气管网掺混装置、氢气压缩和灌装系统、燃料电池发电系统。上述任一方案优选的是，所述燃气管网掺混装置与现有燃气管网或长距离天然气输送管线连接。上述任一方案优选的是，所述燃气管网掺混装置的氢气掺混比例小于20％。上述任一方案优选的是，所述氢气压缩和灌装系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，包括送变电及供电系统、电解水制氢系统、纯净水制备及补水系统、氢气收集净化及对外输送系统、冷却水余热回收系统和电网调峰控制系统(6)；/n所述送变电及供电系统是在电厂出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关(8)，所述电开关(8)通过输电电网与降压变压器和逆变器(9)连接，降压变压器和逆变器(9)另一端与电解水制氢系统连接；/n所述电解水制氢系统的纯净水入口与所述纯净水制备及补水系统连接，所述电解水制氢系统的氢气出口与所述氢气收集净化及对外输送系统连接；/n所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置(11)和固体聚合物电解制氢装置(12)中的至少一种；/n所述冷却水余热回收系统包括依次连接的锅炉(1)、汽轮机(2)、凝汽器/n(14)、低压加热器(15)、三通阀门(18)、除氧器(16)、高压加热器(17)与管道；所述凝汽器(14)出口通过凝结水管路(19)与所述电解水制氢系统连接；/n所述电网调峰控制系统(6)包括电网调度中心(4)和电厂集控中心(5)，电网调度中心(4)通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心(5)，电厂集控中心(5)下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关(8)进行电网调峰，所述电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心(5)控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，包括送变电及供电系统、电解水制氢系统、纯净水制备及补水系统、氢气收集净化及对外输送系统、冷却水余热回收系统和电网调峰控制系统(6)；
所述送变电及供电系统是在电厂出线母线上新增一个间隔，所述间隔设置电开关(8)，所述电开关(8)通过输电电网与降压变压器和逆变器(9)连接，降压变压器和逆变器(9)另一端与电解水制氢系统连接；
所述电解水制氢系统的纯净水入口与所述纯净水制备及补水系统连接，所述电解水制氢系统的氢气出口与所述氢气收集净化及对外输送系统连接；
所述电解水制氢系统包括碱性水溶液电解制氢装置(11)和固体聚合物电解制氢装置(12)中的至少一种；
所述冷却水余热回收系统包括依次连接的锅炉(1)、汽轮机(2)、凝汽器
(14)、低压加热器(15)、三通阀门(18)、除氧器(16)、高压加热器(17)与管道；所述凝汽器(14)出口通过凝结水管路(19)与所述电解水制氢系统连接；
所述电网调峰控制系统(6)包括电网调度中心(4)和电厂集控中心(5)，电网调度中心(4)通过上网电量使用情况进行实时调度，将调度信号传输给电厂集控中心(5)，电厂集控中心(5)下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及供电系统的电开关(8)进行电网调峰，所述电解水制氢系统的供电量由电厂集控中心(5)控制。


2.根据权利要求1所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
所述碱性水溶液电解制氢装置(11)由若干个单体电解槽组成，每个电解槽由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。


3.根据权利要求2所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
所述隔膜组成成分包括石棉。


4.根据权利要求2所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，所述金属合金包括雷尼镍、Ni-Mo合金，用于分解水，产生氢和氧。


5.根据权利要求1所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
所述固体聚合物电解制氢装置(12)由若干个单体电解槽组成。


6.根据权利要求5所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
所述电解槽以固体聚合物膜为电解质。


7.根据权利要求1所述的火电厂电力通过电解池制氢系统，其特征在于，
还包括电解池高温蒸汽供应系统；
所述电解水制氢系统还包括高温固体氧化物电解制氢装置(13)；
所述电解池高温蒸汽供应系统的一端与所述冷却水余热回收系统的汽轮机(2)的进气通道连接，另一端与所述高温固体氧化物电解制氢装置(13)的高温蒸汽入口连接；
所述电解池高温蒸汽供应系统包括主蒸汽旁路(20)、电过热器(10)和高温蒸汽输送管道(21)，所述电过热器(10)的蒸汽入口与主蒸汽旁路(20)连接，所述电过热器(10)的蒸汽出口与高温蒸汽输送管道(21)的入口连接。


8.根据权利要求7...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔华，杨豫森，徐波，谭智，陈辉，展望，陈超，朱明志，
申请(专利权)人：赫普热力发展有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11