一种高效氢能热电联产系统及其调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高效氢能热电联产系统及其调度控制方法，包括：氢制备装置

【技术实现步骤摘要】
一种高效氢能热电联产系统及其调度方法


[0001]本专利技术属于新型电力系统热电综合利用领域，具体涉及一种高效氢能热电联产系统及其调度方法
。

技术介绍

[0002]其中，绿色电力，作为电力行业发展的重点方向，也将成为未来能源的关键枢纽
。
绿色电力，是利用特定的发电设备
(
例如风力
、
太阳能光伏电池
)
，将风能
、
太阳能等可再生能源转化为电能
。
应对日益严峻的气候变化，推动世界能源的低碳转型，已逐渐成为全球共识
。
[0003]以氢能为代表的长期储能用能策略在未来新型电力系统中发挥着不可替代的作用
。
随着西部可再生绿电上网占比越来越高，在东部城市通过电解水制氢法实现绿色电力的消纳和综合利用，这种利用方式近零碳排放，可充分利用“三弃”(
弃风
、
弃光
、
弃水
)
能源水解制氢，还可以大大降低制氢成本，符合绿色能源可持续发展需求
。
[0004]在电解水产氢和氢产电的过程中，会有一定的余热产生，具体的数值取决于不同的电解水技术和氢燃料电池的效率
。
在氢电站中，每生产1公斤氢气，大约需要消耗
50
～
55
度电，而每利用1公斤氢气发电，大约可以产生
16
度电
。
也就是说，从电到氢再到电的过程中，能量转化效率大约在<br/>32
％～
48
％之间
。
至于如何回收余热，目前现有的技术有：在电解水制氢过程中，利用高温固体氧化物电解水技术
(SOEC)
，可以提高制氢系统的电化学性能和效率，减少能量损耗
。
在氢产电过程中，利用热电联供技术，将氢燃料电池产生的热能用于供暖或工业用途，提高能源利用率
。
[0005]基于上述技术问题，根据实时产生电能
、
热能和其他能源形式，需要设计一种提高系统整体能源利用率的方法，通过灵活储氢进行电力调峰，并在电转氢及氢转电的过程中进行余热回收并通过有效的运行调度策略利用到供热系统进一步有效提高能源利用率
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种高效氢能热电联产系统及其调度方法，通过根据电价对储氢和氢放电进行智能调控，并且对制氢和氢放电过程的余热回收并重新利用，实现氢电转换能源的有效利用
。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0008]本专利技术提供了一种高效氢能热电联产系统及其调度控制方法，包括：氢制备装置
、
氢储备装置
、
氢燃料电池装置
、
余热回收装置，循环水系统和调度控制系统；其中，所述氢制备装置关联外部电力系统，在外部电价低时输送电至氢制备装置进行电解水制氢，制得氢在氢储备装置中储备，并在电价高时释放氢至氢燃料电池进行氢放电制取电能；此时所述电能输送至电网用于电力调峰；
[0009]其中，外部电力系统可以是新型电力系统，也可以是可再生能源进行实时发电制取的绿电；基于风光互补发电制氢技术，风力
、
光伏发电优势特性互补，极大提升风光资源
的利用率及并网稳定性；也可以是混合传统电网和可再生能源电网
。
[0010]利用光伏
、
风电等新能源电力电解水制氢，这种制氢方式近零碳排放，并且具有实时性和不稳定性，所以可在可再生能源发电装置和电解水制氢装置之间选择性的增加储能设备，用于可再生能源发电装置的电力储备和补给
。
电解水制氢装置根据电解水采用的隔膜不同，又可分为碱水电解
、
质子交换膜水电解
、
固体氧化物水电解，其核心部件包括电解槽
、
双极板
、
隔膜
、
催化剂
、
整流器等
。
电解槽正常工作中会放热，一般电解槽产生的热量通过流经其中的电解液带出来，电解槽出口电解液温度一般在
90
±
5℃
，电解液经冷却降温至
70
±
5℃
左右，再打入电解槽入口，如此循环，稳定电解槽在正常的工作温度范围内
。
所述氢储备装置，可以是固定式的固态氢储备装置，用于通过金属氢化物进行氢储备；在这里氢气先在其表面催化分解为氢原子，氢原子再扩散进入到材料晶格内部空隙中，以原子状态储存于金属结晶点内，形成金属氢化物，该反应过程可逆，从而实现了氢气的吸
、
放
。
当前主要有镁系储氢合金
、
铁系储氢合金
、
镧镍稀土系储氢合金
、
钛系储氢合金
、
锆系储氢合金等
。
单位体积的金属可以储存常温常压下近千体积的氢气，体积密度甚至优于液氢，又可以提高储运氢的安全性，比较适合氢能源与其他能源站进行耦合，在制氢与储氢过程采用储能变流器
(PCS
能量转换
)
来调控
。
[0011]氢燃料电池在正常工作情况下会放出大量热量，不同氢燃料电池排除热量不同，质子交换膜燃料电池排出的热量大概在
50
到
90℃
，固体氧化物燃料电池排出的热量大概是
700
到
1000℃
；目前电堆的热管理方式主要有两种：液冷和空冷
。
液冷是通过冷却液带走热量；空冷是通过与空气进行对流换热来带走热量，最终使电堆维持在适合的温度区间
(50
‑
90℃)
工作
。
[0012]燃料电池工作时，主要有以下几方面热量产生：化学反应放热
、
欧姆极化放热
、
压缩空气带入的热量和环境辐射热量
。
压缩空气带入的热量和环境辐射的热量与化学反应放热和欧姆极化放热相比，可忽略不计
。
[0013]同时利用循环水系统回收氢制备装置和氢燃料电池装置运行过程的余热并输送至余热回收装置，并利用调度控制系统对循环水系统进行运行优化调度将余热进行再利用；所述余热回收装置包括余热混调设备，所述余热混调设备用于在供暖季对回收余热介质进行缓存调控，弥补热负荷需求值；
[0014]在这里使用循环水作为冷却液对氢制备装置的电解液进行冷却和余热回收，并作为液冷的冷却介质对反应电堆进行热管理
。
循环水系统的水介质也可以是其他冷却液体介质作为整个系统的热能载体关联氢制备装置和氢燃料电池装置以及余热回收装置
。
[0015]所述调控系统包括用电控制系统和用热控制系统，在用电控制系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高效氢能热电联产系统及其调度控制方法，其特征在于，系统包括：氢制备装置
、
氢储备装置
、
氢燃料电池装置
、
余热回收装置，循环水系统和调度控制系统；其中，所述氢制备装置关联外部电力系统，在外部电价低时输送至氢制备装置进行电解水制氢，制得氢在氢储备装置中储备，并在外部电价高时释放氢至氢燃料电池进行氢放电制取电能；所述电能输送至电网用于电力调峰；在对外输送电能的同时，系统通过循环水系统回收氢制备装置和氢燃料电池装置运行过程产生的余热并输送至余热回收装置
。
调度控制系统结合区域热用户的用热预测负荷，对余热利用在外部供热网的能量进行优化控制；所述余热回收装置包括余热混调设备，所述余热混调设备用于在供暖季对回收余热介质进行缓存调控，弥补热负荷需求值；所述调度控制系统包括用电控制系统和用热控制系统，在用电控制系统中考虑电能即产即消的快速特性，基于电价变化对氢电转换进行智能调控，控制产氢
、
储氢和发电的能量比例和利用速率；在用热控制系统中，考虑热负荷的高延迟性，基于热用户用热预测负荷和管网输送特性，对循环水系统和余热回收装置进行智能调控实现高效热电联产
。2.
根据权利要求1所述的高效氢能热电联产系统，其特征在于，还包括所述余热回收装置
、
外接燃煤机组循环水通路，可以包括储热设备，所述可选的储热设备用于在供暖季基于用热控制系统将存储的余热和回收的余热以及外接燃煤机组的补热按照不同份额输送至余热混调设备，满足热负荷需求
。3.
根据权利要求1所述的高效氢能热电联产系统，其特征在于，所述循环水系统关联氢制备装置
、
氢燃料电池装置
、
余热回收装置，其关联件包括且不限于水管
、
热管理器
、
传感器组件
、
水泵；其中所述传感器组件位于热管理器和余热回收装置进出口两侧，包括控制阀
、
流量传感器
、
温度传感器，压力传感器；所述关联件均通过无线感知终端与控制系统连通并实时输出氢制备装置
、
氢燃料电池
、
余热回收装置
、
循环水系统的相应各项运行参数
。4.
根据权利要求1‑3所述的高效氢能热电联产系统，其特征在于，所述循环水系统关联氢制备装置
、
氢燃料电池装置，具体包括如下：在电解水装置的电解槽出液口连通有热管理器，所述热管理器出口通过电解液循环泵与电解槽的电解液入口连通，所述循环水系统通过热管理器对电解液进行冷却回收第一余热并输送至第一储热设备；在氢燃料电池装置的排水侧设置热管理器，所述热管理器接入循环水系统进行燃料电池电堆的第二余热回收并输送至第二储热设备；所述第一储热设备用于将氢制备装置产生的第一余热作为第一存储余热进行存储，第二储热设备用于将氢燃料电池装置产生的第二余热作为第二存储余热进行存储
。5.
在根据权利要求4所述的高效氢能热电联产系统，其特征在于，还包括：所述余热混调设备外接燃煤机组，根据余热水量控制模型判断外接燃煤机组供热补给量
。6.
在根据权利要求1和5所述的高效氢能热电联产系统，其特征在于，所述用热控制系统的用热运行调度策略具体如下：
6.1
通过建立第一余热预测模型用于对第一余热进行预测，其中预测模型参数包括氢制备装置循环水流量
、
温度及压力
、
电解水反应温度阈值
、
电解槽热管理器转换率；所述第一余热建立热力模型如下：
Q
gen1
＝
n
c
(V
cell
‑
V
tn
)iA
cell
Q
loss1
＝
(h
c
+h
r
)A
stack
(T
s
‑
T
amb
)
其中
C
th1
为电制氢部分系统的总热容量，
Q
gen1
为电解水制氢装置运行产生的余热总量，
Q
loss1
为过程热损失
。V
cell
与
A
cell
分别为电解水装置子单元的体积与受热面积；
n
c
为子单元的个数，
i
为电流，
h
c
与
h
r
分别代表对流与辐射的换热系数；
T
s
与
T
amb
分别代表材料表面的温度与环境温度；
6.2
建立第二余热预测模型对第二余热进行预测，其中预测模型参数包括氢燃料电池装置循环水流量温度及压力
、
燃料电池反应温度阈值
、
反应堆热管理器转换率；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：时伟，谢金芳，裘天阅，卢瑞瑞，
申请(专利权)人：常州英集动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：