CN112779549A - 一种兆瓦级电站及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆瓦级电站及其控制方法。该兆瓦级电站包括：制氢单元、储氢单元、发电单元以及水热单元。其中，制氢单元，用于制氢，包括输入电调理子单元、输入水调理子单元、电解槽子单元以及氢气纯化子单元。储氢单元包括第一氢气调理子单元以及气体存储子单元。发电单元，用于氢发电，包括第二氢气调理子单元、燃料电池子单元以及输出电调理子单元，其中，燃料电池子单元由多堆串并联的燃料电池组组成。水热单元包括热交换子单元以及储热供热子单元。本发明提供的兆瓦级电站能够实现电‑氢‑电的能量循环，以及电网削峰填谷、可再生能源长时消纳、热电联供等功能。

Description

一种兆瓦级电站及其控制方法

技术领域

本发明涉及发电领域，特别是涉及一种兆瓦级电站及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展，电能的需求不断增长，电网容量不断扩大，电网峰谷差日趋严重，如何实现电网的调峰成为目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种兆瓦级电站及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种兆瓦级电站，包括：

制氢单元，包括：输入电调理子单元、输入水调理子单元、电解槽子单元以及氢气纯化子单元；所述输入电调理子单元，用于对输入制氢单元的电能进行调理，输出端与所述电解槽子单元电连接；所述输入水调理子单元的输入端为自来水接口，输出端与所述电解槽子单元相连；所述电解槽子单元，由多槽串并联的质子交换膜组成，输出端与所述氢气纯化子单元相连；其中，所述输入电调理子单元的电能来源为电网的低谷电；

储氢单元，包括：第一氢气调理子单元以及气体存储子单元；所述第一氢气调理子单元的输入端与电解槽相连，输出端与所述气体存储子单元；

发电单元，包括：第二氢气调理子单元、燃料电池子单元以及输出电调理子单元；所述第二氢气调理子单元的输入端与所述气体存储子单元相连，输出端与所述燃料电池子单元相连；所述燃料电池子单元，由多堆串并联的燃料电池组组成；所述输出电调理子单元的输入端与所述燃料电池子单元电连接，输出端与电网相连；

水热单元，包括：热交换子单元以及储热供热子单元；所述热交换子单元用于为所述制氢单元降温；所述储热供热子单元用于存储及利用所述热交换子单元获取的热量。

可选的，所述输入电调理子单元的电能来源还包括可再生能源。

可选的，所述输入电调理子单元包括AC/DC整流设备以及变压器；所述AC/DC整流设备用于将电网输入的交流电变换为直流电，所述变压器用于对所述直流电降压。

可选的，所述输入水调理子单元包括：纯水装置和原料水箱，所述纯水装置用于对所述原料水箱中的水进行纯化。

可选的，所述氢气纯化子单元包括氢氧分离器以及气体冷却器，所述氢氧分离器用于将所述电解槽子单元电解出的氢气与氧气分离，所述气体冷却器用于冷却氢气与氧气。

可选的，所述第一氢气调理子单元包括气水分离器、脱氧器、干燥器、中压缓冲罐以及氢气压缩机，所述气水分离器用于将所述氢气纯化子单元输出的氢气中的水分分离出去，所述脱氧器用于除去氢气中的氧气，所述干燥器用于对所述氢气进行干燥，所述氢气压缩机用于对氢气进行压缩，所述中压缓冲罐以及氢气压缩机用于对氢气进行压缩。

可选的，所述第二氢气调理子单元包括氢气减压阀组、氢气回流风机以及空气压缩机，氢气依次经氢气减压阀组和氢气回流风机进入所述燃料电池子单元。

可选的，所述输出电调理子单元包括AC/DC转换器和升压变，所述AC/DC转换器用于将所述燃料电池子单元输出的直流电变换为交流电，所述升压变用于对所述交流电升压，所述燃料电池子单元输出的电能经所述AC/DC转换器和所述升压变后并网。

可选的，所述热交换子单元为水冷式散热***，所述储热供热子单元包括储热水箱和供热泵，所述热交换子单元中的部分热水存储于所述储热水箱中，以供生活用热水及暖气设施用热水。

本发明还提供了一种兆瓦级电站的控制方法，该控制方法应用于本发明所提供的兆瓦级电站，所述控制方法包括：

当气体存储子单元中的氢气压力处于设定范围时，或氢气压缩机启动按钮启动时，控制氢气压缩机启动；当气体存储子单元中的氢气压力不处于设定范围时，或氢气压缩机关闭按钮按下时，控制氢气压缩机关闭；

当热交换子单元中循环泵启动按钮启动时，或电解启动时，控制循环泵开启；当输入电调理子单元中的AC/DC整流设备停机且电解槽的温度小于设定值时，或循环泵停止按钮按下时，控制循环泵关闭；

当制氢单元中的水箱液位低于第一设定值时，或水箱补水按钮启动时，控制原料补水电磁阀开启；当水箱液位高于第二设定值时，或水箱补水关闭按钮按下时，控制原料补水电磁阀关闭；

当任一燃料电池循环水出口的温度大于预设温度时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的氢气与空气压力差大于预设压差时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的电池电压低于预设电压值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力大于第一预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力低于第二预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气浓度高于设定浓度值时，控制发电单元停机；

当燃料电池集水罐液位大于设定阈值时，控制发电单元停机；

当发电单元的电流大于设定电流值时，控制发电单元停机；

当逆变器故障时，控制发电单元停机。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的兆瓦级电站采用低谷电或可再生电源供电，采用质子交换膜电解槽实现电解水制氢，采用质子交换膜燃料电池实现氢发电，并最终并网。电站整站实现电-氢-电的能量循环，实现电网削峰填谷、可再生能源长时消纳、热电联供等功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的兆瓦级电站的的模块化结构框图；

图2为本发明实施例中制氢单元的模块化结构示意图；

图3为本发明实施例中储氢单元的模块化结构示意图；

图4为本发明实施例中发电单元的模块化结构示意图；

图5为本发明实施例中水热单元的模块化结构示意图；

图6为本发明实施例中制氢单元与储氢单元的具体结构示意图；

图7为本发明实施例中发电单元的具体结构示意图；

图8为本发明实施例中热交换子单元的具体结构示意图；

图9为本发明实施例中储热供热子单元的具体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供的兆瓦级电站包括：制氢单元1、储氢单元2、发电单元3以及水热单元4。上述四个单元的具体介绍如下：

1)制氢单元1：用于将原料水电解成氢气和氧气，参见图1，由输入电调理子单元11、输入水调理子单元12、电解槽子单元13、氢气纯化子单元14四个子单元组成。输入电调理子单元11的输入端与电网连接，输出端与电解槽子单元13电连接；输入水调理子单元12的输入端为自来水接口，输出端与电解槽子单元13相连；电解槽子单元13的输出端与氢气纯化子单元14相连。具体如下：

输入电调理子单元11：由AC/DC整流设备111以及变压器112组成，用于将输入的交流电变换为直流电，整流变压后电流电压输入电解槽。其中，所述输入电调理子单元11的电能来源为可再生能源或电网的低谷电，以实现对电网的调峰以及对可再生能源的利用。

在本实施例中，水电解制氢装置的额定电流为6600A(小室电流3300A)，电解槽电压为102V左右。

输入水调理子单元12：由纯水装置121和原料水箱122组成。输入水调理子单元12的输入端为自来水接口，输出端与电解槽相连。用于将原料水输入电解槽进行电解。一方面，由于高纯度水是水电解制氢(氧)过程的“原材料”，另一方面由于氢气和氧气在离开***时要带走少量的水份，因此，需要给***不断补充原料水。而且，为***不断补充原料水还能维持电解液液位和浓度的稳定性。原料水可以从氢侧补入，也可同时从氢、氧两侧补入，本实施例采用从两侧补入的方式。

电解槽子单元13：电解槽是制氢单元1中最重要的部分，由多槽串并联的质子交换膜131组成。电解槽子单元13的输入端与输入电调理子单元11和输入水调理子单元12相连，输出端与氢气纯化子单元14相连接。水电解制氢(氧)采用纯水溶液作为电解液，将水电解为氢气和氧气。

氢气纯化子单元14：由氢氧分离器141、氢氧综合塔142和气体冷却器143组成，输入端与电解槽子单元13相连，输出口与储氢单元2相连，用于将电解出的氢气与氧气分离、冷却。氢气从电解小室的阴极侧分解出来，借助于电解液的循环和气液比重差，在氢分离器中与电解液分离形成产品气。

2)储氢单元2：用于储存电解出的氢气产品，参见图2，储氢单元2由第一氢气调理子单元21与气体存储子单元22组成，具体如下：

第一氢气调理子单元21由气水分离器221、脱氧器222、干燥器223、中压缓冲罐224和氢气压缩机225组成。电解出的氢气经管道与气水分离器221相连，气水分离器221将氢气中的水分分离出去，然后氢气进入脱氧器222，除去多余的氧气，之后进入干燥器223，进一步干燥，最后采用中压缓冲罐224与氢气压缩机225压缩。

气体存储子单元22由高压缓冲罐组221组成。气体存储子单元22的输入端与氢气压缩机225相连，输出端与发电单元3的第二氢气调理子单元31相连。本实施例中，由4台2.25m³的高压缓冲罐组221成一个高压缓冲罐组221，用于存储成品氢气。

3)发电单元3：参见图3，发电单元3包括第二氢气调理子单元31、燃料电池子单元32以及输出电调理子单元33；第二氢气调理子单元31的输入端与气体存储子单元22相连，输出端与燃料电池子单元32相连；输出电调理子单元33的输入端与燃料电池子单元32电连接，输出端与电网相连。具体如下：

第二氢气调理子单元31由氢气减压阀组311、氢气回流风机312和空气压缩机313组成，氢气气源为氢气高压缓冲罐，压缩的成品氢气经氢气减压阀组311减压，经氢气回流风机312输送进燃料电池组，用于发电。

燃料电池子单元32是发电单元3的重要组成部分，由多堆串并联的燃料电池组321组成。燃料电池子单元32输入端与第二氢气调理子单元31相连，输出的水直接回收。氢气与空气经燃料电池中相应的进口进入电堆，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板。氢气经双极板导流场均匀分配至电池的阳极，通过电极上的扩散层到达质子交换膜，在阳极催化剂的作用下解离为氢离子，即质子，并释放出电子。在燃料电池的另一端，空气通过双极板上的导气通道到达电池的阴极，通过电极上的扩散层到达质子交换膜。同时，氢离子与电解质膜发生质子交换产生的氢离子到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂(铂)的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水。

输出电调理子单元33由AC/DC转换器331和干式升压变332组成。输出电调理子单元33的接入端与燃料电池相连，接收燃料电池的电能，输出端与电网相连，将燃料电池发出的电能并网。每个发电单元3对应设置有一套逆变器组，分别将发电单元3输出的直流电经逆变成交流电，之后，与升压变压器112低压侧连接，通过升压变升压至10kV，并网发电。

4)水热单元4：参见图4，水热单元4包括热交换子单元41以及储热供热子单元42。其中，热交换子单元41用于为制氢单元1降温；储热供热子单元42用于存储及利用热交换子单元41获取的热量。具体如下：

热交换子单元41由冷水机411、冷冻水机412和冷却塔413组成。由于水的电解过程是吸热反应，所以制氢过程必须供以电能，但水电解过程消耗的电能超过了水电解反应的理论吸热量。超出的部分主要由冷却水带走，以维持电解反应区正常的温度。本实施例中，工作温度不得超过90℃。

作为本实施例中热交换子单元41的一种实施方式，热交换子单元41的具体形式可以如下：以具有四组燃料电池的发电单元3的冷却为例，采用去离子水闭式循环方式，纯水装置121生成的水经管路、阀门引至中间水箱(配有伴热)，经管路、2台冷却水循环泵与两台板式换热器热端入口连接，板换热端出口经管路与冷却水进口总管连接，其分为6路子管分别经管路与发电单元3冷却水进口连接，其中4路子管经管路与燃料电池冷却水入口连接，各燃料电池冷却水出口经管路汇总，回流至中间水箱。

储热供热子单元42由储热水箱421、供热泵422和暖气设施423组成，部分热水储存在储热水箱421中，供生活用热水，部分流经暖气设施423，用于冬天供暖。

本发明提供的兆瓦级电站的工作原理具体如下：

参见图5和图6，原料水注入原料水箱，然后经管道进入冷却器，经过过滤后进入电解槽电解，电解槽电源由外部电源经变压器变压、交直变换后进行电解。由氧气分离器分理出氧气，经过氧综合塔，气体冷却器，气水分离器后排空。由氢分离器分离出氢气，经氢综合塔，过气体冷却器进行冷却，再经过气水分离器去除水分，脱氧器脱去多余的氧，由冷却冷凝器和干燥器干燥，最后经中压缓冲罐，压缩机加压后进入高压缓冲罐。高压缓冲罐中的氢气经氢气减压阀组减压后，进入燃料电池，同时由空气压缩机把空气输入燃料电池，经过化学反应后产生的水经管道进入制氢原料水箱。把多余的氢气由氢气回流风机重新输入燃料电池。同时产生的电能经逆变器转换为交流电，通过干式升压变压器变为10kV交流电并网发电。参见图7和图8，原料水经软化器进入冷水塔冷却，经管道进入冷冻水机，降温后进入冷却回水，冷冻水机与冷却冷凝器和再生冷却器进行热交换。冷水塔与冷却水进水和冷却水出水相连，同时冷水机将水导入冷却水回水中。冷却水进水与冷却水出水与板式换热器热交换，板式换热器经管道进入热水热交换器，热水热交换器与储热水箱进行热交换，储热水箱中的水经过供热泵将热水送入暖气设施中。

为保证氢发电的稳定性，本实施例提供的兆瓦级电站的一部分控制方法如下：

当气体存储子单元中的氢气压力处于设定范围时，或氢气压缩机启动按钮启动时，控制氢气压缩机启动；当气体存储子单元中的氢气压力不处于设定范围时，或氢气压缩机关闭按钮按下时，控制氢气压缩机关闭；

当热交换子单元中循环泵启动按钮启动时，或电解启动时，控制循环泵开启；当输入电调理子单元中的AC/DC整流设备停机且电解槽的温度小于设定值时，或循环泵停止按钮按下时，控制循环泵关闭；

当制氢单元中的水箱液位低于第一设定值时，或水箱补水按钮启动时，控制原料补水电磁阀开启；当水箱液位高于第二设定值时，或水箱补水关闭按钮按下时，控制原料补水电磁阀关闭；

当任一燃料电池循环水出口的温度大于预设温度时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的氢气与空气压力差大于预设压差时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的电池电压低于预设电压值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力大于第一预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力低于第二预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气浓度高于设定浓度值时，控制发电单元停机；

当燃料电池集水罐液位大于设定阈值时，控制发电单元停机；

当发电单元的电流大于设定电流值时，控制发电单元停机；

当逆变器故障时，控制发电单元停机。

本发明提供的兆瓦级电站采用电网低谷电制氢进行储备，在用电高峰时，采用储备的氢气发电并网，实现了对电网的削峰填谷，同时本发明还采用可再生电源供电进行氢气的制备，实现了可再生能源的长时消纳，避免了波动性新能源并网时给电网带来的冲击，提高了***安全稳定性。另外，本发明将制氢过程中产生的废热用于生活用水和供暖，实现了热电联供。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种兆瓦级电站，其特征在于，包括：

制氢单元，包括：输入电调理子单元、输入水调理子单元、电解槽子单元以及氢气纯化子单元；所述输入电调理子单元，用于对输入制氢单元的电能进行调理，输出端与所述电解槽子单元电连接；所述输入水调理子单元的输入端为自来水接口，输出端与所述电解槽子单元相连；所述电解槽子单元，由多槽串并联的质子交换膜组成，输出端与所述氢气纯化子单元相连；其中，所述输入电调理子单元的电能来源为电网的低谷电；

储氢单元，包括：第一氢气调理子单元以及气体存储子单元；所述第一氢气调理子单元的输入端与电解槽相连，输出端与所述气体存储子单元；

发电单元，包括：第二氢气调理子单元、燃料电池子单元以及输出电调理子单元；所述第二氢气调理子单元的输入端与所述气体存储子单元相连，输出端与所述燃料电池子单元相连；所述燃料电池子单元，由多堆串并联的燃料电池组组成；所述输出电调理子单元的输入端与所述燃料电池子单元电连接，输出端与电网相连；

水热单元，包括：热交换子单元以及储热供热子单元；所述热交换子单元用于为所述制氢单元降温；所述储热供热子单元用于存储及利用所述热交换子单元获取的热量。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述输入电调理子单元的电能来源还包括可再生能源。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述输入电调理子单元包括AC/DC整流设备以及变压器；所述AC/DC整流设备用于将电网输入的交流电变换为直流电，所述变压器用于对所述直流电降压。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述输入水调理子单元包括：纯水装置和原料水箱，所述纯水装置用于对所述原料水箱中的水进行纯化。

5.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述氢气纯化子单元包括氢氧分离器以及气体冷却器，所述氢氧分离器用于将所述电解槽子单元电解出的氢气与氧气分离，所述气体冷却器用于冷却氢气与氧气。

6.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述第一氢气调理子单元包括气水分离器、脱氧器、干燥器、中压缓冲罐以及氢气压缩机，所述气水分离器用于将所述氢气纯化子单元输出的氢气中的水分分离出去，所述脱氧器用于除去氢气中的氧气，所述干燥器用于对所述氢气进行干燥，所述氢气压缩机用于对氢气进行压缩，所述中压缓冲罐以及氢气压缩机用于对氢气进行压缩。

7.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述第二氢气调理子单元包括氢气减压阀组、氢气回流风机以及空气压缩机，氢气依次经氢气减压阀组和氢气回流风机进入所述燃料电池子单元。

8.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述输出电调理子单元包括AC/DC转换器和升压变，所述AC/DC转换器用于将所述燃料电池子单元输出的直流电变换为交流电，所述升压变用于对所述交流电升压，所述燃料电池子单元输出的电能经所述AC/DC转换器和所述升压变后并网。

9.根据权利要求1所述的兆瓦级电站，其特征在于，所述热交换子单元为水冷式散热***，所述储热供热子单元包括储热水箱和供热泵，所述热交换子单元中的部分热水存储于所述储热水箱中，以供生活用热水及暖气设施用热水。

10.一种兆瓦级电站的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于如权利要求1-9任一项所述兆瓦级电站，所述控制方法包括：

当气体存储子单元中的氢气压力处于设定范围时，或氢气压缩机启动按钮启动时，控制氢气压缩机启动；当气体存储子单元中的氢气压力不处于设定范围时，或氢气压缩机关闭按钮按下时，控制氢气压缩机关闭；

当热交换子单元中循环泵启动按钮启动时，或电解启动时，控制循环泵开启；当输入电调理子单元中的AC/DC整流设备停机且电解槽的温度小于设定值时，或循环泵停止按钮按下时，控制循环泵关闭；

当制氢单元中的水箱液位低于第一设定值时，或水箱补水按钮启动时，控制原料补水电磁阀开启；当水箱液位高于第二设定值时，或水箱补水关闭按钮按下时，控制原料补水电磁阀关闭；

当任一燃料电池循环水出口的温度大于预设温度时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的氢气与空气压力差大于预设压差时，控制发电单元停机；

当任一燃料电池的电池电压低于预设电压值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力大于第一预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气总入口压力低于第二预设压力值时，控制发电单元停机；

当发电单元氢气浓度高于设定浓度值时，控制发电单元停机；

当燃料电池集水罐液位大于设定阈值时，控制发电单元停机；

当发电单元的电流大于设定电流值时，控制发电单元停机；

当逆变器故障时，控制发电单元停机。

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