本發(fā)明涉及氫氣制造領域，尤其涉及電解制氫與水力發(fā)電站調(diào)峰領域。
背景技術：
近年來，在中國三北地區(qū)電力市場容量富裕，燃機、抽水蓄能等可調(diào)峰電源稀缺，電網(wǎng)調(diào)峰與火電機組靈活性之間矛盾突出，電網(wǎng)消納風電、光電及核電等新能源的能力不足，棄風現(xiàn)象嚴重。熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”方式運行，調(diào)峰能力僅為10%左右。調(diào)峰困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運行中最為突出的問題。目前國內(nèi)火電靈活性調(diào)峰改造均針對冬季供熱機組，夏季如何調(diào)峰是擺在眾多水力發(fā)電廠面前的一個難題。為了滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，以及電廠在激烈競爭中的生存需要，深度調(diào)峰勢在必行。
目前中國氫氣年產(chǎn)量已逾千萬噸規(guī)模，位居世界第一。工業(yè)規(guī)模的制氫方法主要包括甲烷蒸汽重整和電解水制氫，其中電解水制氫的產(chǎn)量約占世界氫氣總產(chǎn)量4％。盡管甲烷蒸汽重整是目前最經(jīng)濟的制氫方法，但其在生產(chǎn)過程中不僅消耗大量化石燃料，而且產(chǎn)生大量二氧化碳。電解水制氫工藝過程簡單，產(chǎn)品純度高，通過采用可再生能源作為能量來源，可現(xiàn)氫氣的高效、清潔、大規(guī)模制備，該技術也可以用于co2的減排和轉化，具有較為廣闊的發(fā)展前景。
目前的電解水制氫方法主要有三種：堿性電解水制氫，固體聚合物電解水制氫，及高溫固體氧化物電解水制氫。堿性電解水制氫是目前非常成熟的制氫方法，目前為止，工業(yè)上大規(guī)模的電解水制氫基本上都是采用堿性電解制氫技術，該方法工藝過程簡單，易于操作。電解制氫的主要能耗為電能，每立方米氫氣電耗約為4.5～5.5kwh，電費占整個電解制氫生產(chǎn)成本的80％左右。因此，電解水制氫技術特別適用于風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的能源載體。目前很多現(xiàn)有技術利用堿性電解水制氫工藝，如申請?zhí)枮?00910027704.7的專利介紹了一種新型的中高壓純水水電解制氫系統(tǒng)。但這些現(xiàn)有發(fā)明和技術沒有將電解制氫系統(tǒng)與水力發(fā)電廠的靈活性調(diào)峰和冷卻水系統(tǒng)結合，而且產(chǎn)出的氫氣僅用鋼瓶壓縮運輸，無法大型化生產(chǎn)。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種電解制氫與水力發(fā)電站結合的系統(tǒng)，通過將電解制氫與水力發(fā)電站的靈活性調(diào)峰相結合，電網(wǎng)用電低谷時，智能調(diào)整上網(wǎng)電量，利用水力發(fā)電站產(chǎn)生的電能制氫，電網(wǎng)用電高峰，水力發(fā)電站產(chǎn)生的電聯(lián)通過輸電管網(wǎng)上電網(wǎng)，可以緩解用電高峰時段的電網(wǎng)壓力，為電網(wǎng)提供寶貴的調(diào)峰負荷，解決了夏季調(diào)峰不足的問題，實現(xiàn)一年四季的電網(wǎng)深度調(diào)峰。
本發(fā)明解決上述技術問題所采用的方案是，一種電解制氫與水力發(fā)電站結合的系統(tǒng)，包括電網(wǎng)調(diào)峰控制系統(tǒng)、送變電及供電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣收集凈化及對外輸送系統(tǒng)、純凈水制備及補水系統(tǒng)，其特征在于：還包括冷卻水余熱回收系統(tǒng)和電解池高溫蒸汽供應系統(tǒng)；所述送變電及供電系統(tǒng)是在水力發(fā)電站出線母線上新增一個間隔，所述間隔設置電開關，所述電開關通過輸電電網(wǎng)與降壓變壓器和逆變器連接，降壓變壓器和逆變器另一端與電解水制氫系統(tǒng)連接；所述電解水制氫系統(tǒng)包括堿性水溶液電解制氫裝置、固體聚合物電解制氫裝置、高溫固體氧化物電解制氫裝置中的至少一種。
優(yōu)選的是，所述電網(wǎng)調(diào)峰控制系統(tǒng)包括電網(wǎng)調(diào)度中心和電廠集控中心，電網(wǎng)調(diào)度中心通過上網(wǎng)電量使用情況進行實時調(diào)度，將調(diào)度信號傳輸給電廠集控中心，電廠集控中心下達電網(wǎng)調(diào)峰指令，通過控制所述送變電及供電系統(tǒng)的電開關進行電網(wǎng)調(diào)峰，電解水制氫系統(tǒng)的供電量由電廠集控中心控制。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述冷卻水余熱回收系統(tǒng)包括水庫取水口、預處理冷卻水管道、水處理車間、多個三通及輸水管道。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述冷卻水余熱回收系統(tǒng)在預處理冷卻水管道上設置分支管道，所述分支管道分別與堿性水溶液電解制氫裝置、固體聚合物電解制氫裝置和高溫固體氧化物電解制氫裝置的冷卻水供水管道連接，冷卻水源為水處理車間的水庫水。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述堿性水溶液電解制氫裝置、固體聚合物電解制氫裝置和高溫固體氧化物電解制氫裝置的冷卻水出水管道與冷卻水回流管道匯合，制氫裝置中的冷卻水滿足當?shù)丨h(huán)保要求的排水溫度即可排入水庫。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述堿性水溶液電解制氫裝置由若干個單體電解槽組成，每個電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述電解液包括氫氧化鉀溶液，濃度為20wt%～30wt%。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述隔膜組成成分包括石棉。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述陰極、陽極組成成分包括金屬合金，所述金屬合金包括雷尼鎳、ni-mo合金，用于分解水，產(chǎn)生氫和氧。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述固體聚合物電解制氫裝置由若干個單體電解槽組成。所述電解槽以固體聚合物膜為電解質(zhì)。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述電解池高溫蒸汽供應系統(tǒng)包括電蒸汽鍋爐、電過熱器、高溫蒸汽輸送管道，所述電過熱器蒸汽入口與電蒸汽鍋爐蒸汽出口連接，所述電過熱器蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道入口連接。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述高溫固體氧化物電解裝置的高溫蒸汽入口與所述高溫蒸汽輸送管道出口連接，所述電蒸汽鍋爐內(nèi)的500~600℃低溫蒸汽進入電高溫過熱器，經(jīng)過電高溫過熱器過熱到800℃以上。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置由若干個單體電解池組成。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置工作溫度為800～950℃。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述送變電及供電系統(tǒng)包括水力發(fā)電廠內(nèi)的水輪機、發(fā)電機，和設置在輸電電網(wǎng)的降壓變壓器、逆變器、電開關。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述純凈水制備及補水系統(tǒng)包括純凈水制備裝置、補水泵和送水管路。
上述任一方案優(yōu)選的是，水處理車間流出的凈化水經(jīng)過預處理冷卻水管道進入純凈水制備裝置，再經(jīng)補水泵加壓，通過送水管路進入電解水制氫系統(tǒng)。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述送水管路出口分別與堿性水溶液電解制氫裝置進水口、固體聚合物電解制氫裝置進水口、高溫固體氧化物電解制氫裝置進水口連接。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述氫氣收集凈化及對外輸運系統(tǒng)包括氫氣洗滌罐、氫氣脫水罐、氫氣緩沖罐、燃氣管網(wǎng)摻混裝置、氫氣壓縮和灌裝系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述氫氣洗滌罐出口連接氫氣脫水罐入口，氫氣脫水罐入口連接氫氣緩沖罐出口，氫氣緩沖罐出口分別與燃氣管網(wǎng)摻混裝置、氫氣壓縮和灌裝系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的至少一種連接。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述燃氣管網(wǎng)摻混裝置與現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)或長距離天然氣輸送管線連接。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述燃氣管網(wǎng)摻混裝置的氫氣摻混比例小于20%。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括大型燃料電池發(fā)電廠或車載燃料電池。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述大型燃料電池發(fā)電廠利用氫氣作為燃料產(chǎn)生電能。
上述任一方案優(yōu)選的是，所述車載燃料電池用于以氫能為燃料的燃料電池汽車。
本發(fā)明通過將電解制氫與水力發(fā)電廠的靈活性調(diào)峰相結合，電網(wǎng)用電低谷時，智能調(diào)整上網(wǎng)電量，利用水力發(fā)電站產(chǎn)生的電能制氫，電網(wǎng)用電高峰，水力發(fā)電站產(chǎn)生的電能通過輸電管網(wǎng)上電網(wǎng)，可以緩解用電高峰時段的電網(wǎng)壓力，為電網(wǎng)提供寶貴的調(diào)峰負荷。同時，在夏季，通過水力發(fā)電廠通過電解制氫消耗用電低谷的電能，有效的解決了只能依靠冬季供熱調(diào)峰的不足，滿足了一年四季的調(diào)峰需求。本發(fā)明通過凈化水庫冷卻水，為電解制氫提供冷卻水源，同時通過收集制氫系統(tǒng)排出的冷卻水，排放到水庫中，實現(xiàn)水庫水的循環(huán)利用，提高了水資源利用率。本發(fā)明還利用電蒸汽鍋爐和電過熱器加熱水庫的凈化水，高效耦合了水力發(fā)電廠與電解制氫工藝，充分利用了大量被棄掉的水力發(fā)電電量，不但實現(xiàn)了棄水電量的利用，而且使得其以氫能的形式便利地儲存、運輸和使用。此外，生產(chǎn)的氫能可以方便的存儲和運輸，也可以直接混入現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)或直接對外銷售，增加現(xiàn)有火力發(fā)電廠的經(jīng)營效益，擴展其未來的生存空間。
附圖說明
圖1為按照本發(fā)明的電解制氫與水力發(fā)電站結合的系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例的示意圖。
圖示說明：
1-水力發(fā)電廠，2-水處理車間，3-發(fā)電機，4-電網(wǎng)調(diào)度中心，5-電廠集控中心，6-電網(wǎng)調(diào)峰控制系統(tǒng)，7-升壓站，8-電開關，9-逆變器，10-電蒸汽鍋爐，11-電過熱器，12-堿性水溶液電解制氫裝置，13-固體聚合物電解制氫裝置，14-高溫固體氧化物電解制氫裝置，15-高溫蒸汽輸送管道，16-純凈水制備裝置，17-補水泵，18-送水管路，19-氫氣洗滌罐，20-氫氣脫水罐，21-氫氣緩沖罐，22-燃氣管網(wǎng)摻混裝置，23-氫氣壓縮和灌裝系統(tǒng)，24-燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，25-現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)，26-預處理冷卻水管道。
具體實施方式
為了更進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容，下面將結合具體實施例對本發(fā)明作更為詳細的描述，實施例只對本發(fā)明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本領域技術人員在本發(fā)明的基礎上作出的非實質(zhì)性修改，都應屬于本發(fā)明保護的范圍。
實施例1
如圖1所示，一種電解制氫與水力發(fā)電站結合的系統(tǒng)，包括電網(wǎng)調(diào)峰控制系統(tǒng)6、送變電及供電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣收集凈化及對外輸送系統(tǒng)、純凈水制備及補水系統(tǒng)，其特征在于：還包括冷卻水余熱回收系統(tǒng)和電解池高溫蒸汽供應系統(tǒng)；所述送變電及供電系統(tǒng)是在水力發(fā)電站出線母線上新增一個間隔，所述間隔設置電開關8，所述電開關8通過輸電電網(wǎng)與降壓變壓器和逆變器9連接，降壓變壓器和逆變器9另一端與電解水制氫系統(tǒng)連接；所述電解水制氫系統(tǒng)包括堿性水溶液電解制氫裝置12、固體聚合物電解制氫裝置13和高溫固體氧化物電解制氫裝置14。
在本實施例中，所述電網(wǎng)調(diào)峰控制系統(tǒng)6包括電網(wǎng)調(diào)度中心4和電廠集控中心5，電網(wǎng)調(diào)度中心4通過上網(wǎng)電量使用情況進行實時調(diào)度，將調(diào)度信號傳輸給電廠集控中心5，電廠集控中心5下達電網(wǎng)調(diào)峰指令，通過控制所述送變電及供電系統(tǒng)的電開關8進行電網(wǎng)調(diào)峰，電解水制氫系統(tǒng)的供電量由電廠集控中心5控制。
在本實施例中，所述冷卻水余熱回收系統(tǒng)包括水庫取水口、預處理冷卻水管道26、水處理車間2、多個三通及輸水管道。
在本實施例中，所述冷卻水余熱回收系統(tǒng)在預處理冷卻水管道26上設置分支管道，所述分支管道分別與堿性水溶液電解制氫裝置12、固體聚合物電解制氫裝置13和高溫固體氧化物電解制氫裝置14的冷卻水供水管道連接，冷卻水源為水處理車間2的水庫水。
在本實施例中，所述堿性水溶液電解制氫裝置12、固體聚合物電解制氫裝置13和高溫固體氧化物電解制氫裝置14的冷卻水出水管道與冷卻水回流管道匯合，制氫裝置中的冷卻水滿足當?shù)丨h(huán)保要求的排水溫度即可排入水庫。
在本實施例中，所述堿性水溶液電解制氫裝置12由若干個單體電解槽組成，每個電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。
在本實施例中，所述電解液包括氫氧化鉀溶液，濃度為20wt%～30wt%。
在本實施例中，所述隔膜組成成分包括石棉。
在本實施例中，所述陰極、陽極組成成分包括金屬合金，所述金屬合金包括雷尼鎳、ni-mo合金，用于分解水，產(chǎn)生氫和氧。
在本實施例中，所述固體聚合物電解制氫裝置13由若干個單體電解槽組成。所述電解槽以固體聚合物膜為電解質(zhì)。
在本實施例中，所述電解池高溫蒸汽供應系統(tǒng)包括電蒸汽鍋爐10、電過熱器11、高溫蒸汽輸送管道15，所述電過熱器11蒸汽入口與電蒸汽鍋爐10蒸汽出口連接，所述電過熱器11蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道15入口連接。
在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解裝置的高溫蒸汽入口與所述高溫蒸汽輸送管道15出口連接，所述電蒸汽鍋爐10內(nèi)的500~600℃低溫蒸汽進入電高溫過熱器，經(jīng)過電高溫過熱器過熱到800℃以上。
在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置14由若干個單體電解池組成。
在本實施例中，所述高溫固體氧化物電解制氫裝置14工作溫度為800～950℃。
在本實施例中，所述送變電及供電系統(tǒng)包括水力發(fā)電廠1內(nèi)的水輪機、發(fā)電機3，和設置在輸電電網(wǎng)的降壓變壓器、逆變器9、電開關8。
在本實施例中，所述純凈水制備及補水系統(tǒng)包括純凈水制備裝置16、補水泵17和送水管路18。
在本實施例中，水處理車間2流出的凈化水經(jīng)過預處理冷卻水管道26進入純凈水制備裝置16，再經(jīng)補水泵17加壓，通過送水管路18進入電解水制氫系統(tǒng)。
在本實施例中，所述送水管路18出口分別與堿性水溶液電解制氫裝置12進水口、固體聚合物電解制氫裝置13進水口、高溫固體氧化物電解制氫裝置14進水口連接。
在本實施例中，所述氫氣收集凈化及對外輸運系統(tǒng)包括氫氣洗滌罐19、氫氣脫水罐20、氫氣緩沖罐21、燃氣管網(wǎng)摻混裝置22、氫氣壓縮和灌裝系統(tǒng)23、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)24。
在本實施例中，所述氫氣洗滌罐19出口連接氫氣脫水罐20入口，氫氣脫水罐20入口連接氫氣緩沖罐21出口，氫氣緩沖罐21出口分別與燃氣管網(wǎng)摻混裝置22、氫氣壓縮和灌裝系統(tǒng)23、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)24中的至少一種連接。
在本實施例中，所述燃氣管網(wǎng)摻混裝置22與現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)25或長距離天然氣輸送管線連接。
在本實施例中，所述燃氣管網(wǎng)摻混裝置22的氫氣摻混比例小于20%。
在本實施例中，所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)24包括大型燃料電池發(fā)電廠或車載燃料電池。
在本實施例中，所述大型燃料電池發(fā)電廠利用氫氣作為燃料產(chǎn)生電能。
在本實施例中，所述車載燃料電池用于以氫能為燃料的燃料電池汽車。
本實施例的系統(tǒng)，通過將電解制氫與水力發(fā)電廠1的靈活性調(diào)峰相結合，電網(wǎng)用電低谷時，智能調(diào)整上網(wǎng)電量，利用水力發(fā)電站產(chǎn)生的電能制氫，電網(wǎng)用電高峰，水力發(fā)電站產(chǎn)生的電能通過輸電管網(wǎng)上電網(wǎng)，可以緩解用電高峰時段的電網(wǎng)壓力，為電網(wǎng)提供寶貴的調(diào)峰負荷。同時，在夏季，通過水力發(fā)電廠1通過電解制氫消耗用電低谷的電能，有效的解決了只能依靠冬季供熱調(diào)峰的不足，滿足了一年四季的調(diào)峰需求。本發(fā)明通過凈化水庫冷卻水，為電解制氫提供冷卻水源，同時通過收集制氫系統(tǒng)排出的冷卻水，排放到水庫中，實現(xiàn)水庫水的循環(huán)利用，提高了水資源利用率。本發(fā)明還利用電蒸汽鍋爐10和電過熱器11加熱水庫的凈化水，高效耦合了水力發(fā)電廠1與電解制氫工藝，充分利用了大量被棄掉的水力發(fā)電電量，不但實現(xiàn)了棄水電量的利用，而且使得其以氫能的形式便利地儲存、運輸和使用。
實施例2
實施例2與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優(yōu)選的電解水制氫系統(tǒng)包括多個堿性水溶液電解制氫裝置12，所述的堿性水溶液電解制氫裝置12包括氫氧分離電解槽、氫氣氣水分離罐、氫系統(tǒng)加堿罐、氧氣氣水分離罐、氧系統(tǒng)加堿罐、電解液管路、氫氣洗滌罐19及脫水罐、氧氣洗滌罐。所述氫氧分離電解槽由陰極、陽極、隔膜及電解液構成。電解槽以碳纖維材料和泡沫金屬網(wǎng)作為基底和電極材料，如碳布、碳紙、泡沫鎳等，得到穩(wěn)定的三維立體納米結構以提高其催化效率，且碳纖維或泡沫鎳直接作為陰極用于催化制氫，形成特殊的無粘合劑電極。通過凈化水庫冷卻水，為電解制氫提供冷卻水源，同時通過收集制氫系統(tǒng)排出的冷卻水，排放到水庫中，實現(xiàn)水庫水的循環(huán)利用，提高了水資源利用率。
實施例3
實施例3與實施例1相似，所不同的是，本實施例中優(yōu)選的電解水制氫系統(tǒng)包括多個高溫固體氧化物電解制氫裝置14，所述電解池高溫蒸汽供應系統(tǒng)包括電蒸汽鍋爐10、電過熱器11、高溫蒸汽輸送管道15，所述電過熱器11蒸汽入口與電蒸汽鍋爐10蒸汽出口連接，所述電過熱器11蒸汽出口與高溫蒸汽輸送管道15入口連接。所述高溫固體氧化物電解裝置的高溫蒸汽入口與所述高溫蒸汽輸送管道15出口連接，所述電蒸汽鍋爐10內(nèi)的500~600℃低溫蒸汽進入電高溫過熱器，經(jīng)過電高溫過熱器過熱到800℃以上，再引入電解槽參與制氫。
本實施例中，所述的高溫固體氧化物電解制氫裝置14包括高溫固體氧化物氫氧分離電解槽、氫氣洗滌罐19及脫水罐、氧氣洗滌罐。高溫固體氧化物氫氧分離電解槽為平板式的soec電解槽，內(nèi)部中間為致密的電解質(zhì)層，兩邊為多孔的氫電極和氧電極，電解質(zhì)層主要作用是隔開氧氣和燃料氣體，并且傳導氧離子或質(zhì)子。電解質(zhì)致密且具有高的離子電導率。電極一般為多孔結構，以利于氣體的擴散和傳輸。此外，平板式soec還設置密封材料，多個單體電解池組成電堆還設置連接體材料。本實施例利用電蒸汽鍋爐10和電過熱器11加熱水庫的凈化水，高效耦合了水力發(fā)電廠1與電解制氫工藝，充分利用了大量被棄掉的水力發(fā)電電量，實現(xiàn)了棄水電量的高效利用。
盡管具體地參考其優(yōu)選實施例來示出并描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員可以理解，可以作出形式和細節(jié)上的各種改變而不脫離所附權利要求書中所述的本發(fā)明的范圍。以上結合本發(fā)明的具體實施例做了詳細描述，但并非是對本發(fā)明的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍。