本发明涉及氢气制造领域，尤其涉及电解制氢与火电厂灵活性调峰领域。
背景技术：
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。
目前我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。
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。但这些现有发明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。
技术实现要素：
本发明提供了一种电解制氢与火电厂灵活性调峰结合的系统，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。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是，一种利用火电厂调峰电力通过碱性电解槽制氢的系统，包括厂级电网调峰控制系统、送变电及电解槽供电系统、碱性电解槽制氢系统、电解槽冷却水余热回收系统、纯净水制备及补水系统、氢气收集净化及对外输送系统，所述的送变电及电解槽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，所述电开关与设置在输电电网上的降压变压器和逆变器连接，降压变压器和逆变器另一端与碱性电解槽制氢系统连接；所述电解槽冷却水余热回收系统中，冷却水供水管道与凝结水管道连接，冷却水源为电厂凝汽器输出的凝结水。
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电解槽供电系统的电开关进行电网调峰。
上述任一方案优选的是，所述电网调峰控制系统与火电厂供电系统连接，所述火电厂供电系统包括锅炉、汽轮机和发电机。所述锅炉通过燃烧燃料产生蒸汽，所述蒸汽通过管道输送到汽轮机并驱动汽轮机转动，汽轮机转动后驱动发电机发电，发出的电力输送到电厂出线母线上。
上述任一方案优选的是，调峰时段，所述电开关闭合，火电厂电力进入送变电及电解槽供电系统，为制氢供电，所输送制氢电量多少由电网调峰控制系统控制；非调峰时段，所述电开关打开，火电厂电力输送到电厂升压站进行升压，再输电上网。
上述任一方案优选的是，所述碱性电解槽制氢系统包括一个或多个氢氧分离碱性电解槽，所述电解槽一端连接氢气收集净化及对外输送系统，另一端连接氧气气水分离罐和加碱罐。所述氧气气水分离罐和加碱罐另一端与氧气洗涤罐连接，所述氧气洗涤罐与氧气收集装置或氧气排空装置连接。
上述任一方案优选的是，所述电解槽设置电源接口，所述电源接口与所述逆变器连接。
上述任一方案优选的是，所述电解槽还设置排污口，所述排污口与排污管道连接，所述排污管道上设置排污阀。
上述任一方案优选的是，所述电解槽内部包括阴极、阳极、隔膜及电解液。
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，包括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，所述氢气收集净化及对外输送系统包括氢气气水分离罐和加碱罐、氢气洗涤罐和脱水罐、缓冲罐、掺混装置、撬装罐车、燃料电池和燃气管网。
上述任一方案优选的是，所述氢气气水分离罐和加碱罐与氢气洗涤罐和脱水罐连接，所述氢气洗涤罐和脱水罐后连接缓冲罐，所述缓冲罐通过输气管道与掺混装置连接，所述掺混装置设置气体出口，与氢气瓶、撬装罐车、燃料电池发电系统、现有燃气管网中的至少一种连接。压缩后的氢气可以灌装入高压撬装罐车，或者压缩灌装入氢气瓶，都可用于对外出售。通过以上方式，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。
上述任一方案优选的是，所述燃气管网中氢气的掺混比例小于20%。
上述任一方案优选的是，所述的燃料电池发电系统包括大型燃料电池发电厂或车载燃料电池。所述大型燃料电池发电厂利用氢气作为燃料产生电能。所述车载燃料电池用于以氢能为燃料的电池汽车。
上述任一方案优选的是，所述氢气气水分离罐和加碱罐与冷却水供水管道连接，罐体设置冷却水入口和出口，冷却水进入罐体内部回收余热。
上述任一方案优选的是，所述氧气气水分离罐和加碱罐与冷却水供水管道连接，罐体设置冷却水入口和出口，冷却水进入罐体内部回收余热。
上述任一方案优选的是，所述氢气洗涤罐和脱水罐与纯净水补水管路连接，罐体设置补水入口。
上述任一方案优选的是，所述氧气洗涤罐与纯净水补水管路连接，罐体设置补水入口。
上述任一方案优选的是，所述电解槽冷却水余热回收系统包括凝汽器、除氧器、高压加热器、低压加热器、冷却水供水管道、冷却水回水管道及多个三通。
上述任一方案优选的是，汽轮机乏汽经凝汽器冷却后形成凝结水进入凝结水管道，所述凝结水管道末端设置一个三通a，所述三通a另两端分别连接冷却水供水管道和低压加热器。
上述任一方案优选的是，所述低压加热器的出水管路末端连接三通b，所述三通b另两端分别连接除氧器和冷却水回水管道。
上述任一方案优选的是，所述除氧器连接汽轮机高压抽汽管道，还通过给水泵与高压加热器连接，所述高压加热器与锅炉连接。
上述任一方案优选的是，凝结水可以通过三通a控制直接进入低压加热器加热后，送往除氧器里，除氧器里的水经给水泵抽至高压加热器加热后送往锅炉。
上述任一方案优选的是，凝结水还可以通过三通a控制进入冷却水供水管道成为电解槽冷却水余热回收系统的冷却水，冷却水进入氢气气水分离罐和加碱罐中吸收余热，升温后的冷却水经管道输送到氧气气水分离和加碱罐再次吸收余热，经过二次加温的冷却水流入冷却水回水管道，流经三通b进入除氧器。
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、补水泵和纯净水补水管路，所述纯净水补水管路与氧气洗涤罐、氢气洗涤罐和脱水罐连接。
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，通过纯净水补水管路进入氧气洗涤罐、氢气洗涤罐和脱水罐。
本发明通过将电解制氢与火电厂的灵活性调峰相结合，在峰谷调峰时消耗大量电量制氢，增加了清洁能源的上网电量，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，制氢系统的冷却水来自火电厂发电系统产生的凝结水，氢气、氧气气水分离和加碱过程中需要冷却水带走热量，这部分余热对冷却水进行加温，可有效的提高热能利用效率，代替了火电厂原有的低压加热器对凝结水加热的环节，实现了能源的多级利用。
本发明中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。
附图说明
图1为按照本发明的利用火电厂调峰电力通过碱性电解槽制氢的系统的一优选实施例的示意图。
图示说明：
1-电网调峰控制系统，2-电网调度中心，3-电厂集控中心，4-升压站，5-电开关，6-发电机，7-汽轮机，8-锅炉，9-凝汽器，10-凝结水管道，11-低压加热器，12-除氧器，13-高压加热器，14-冷却水供水管道，15-冷却水回水管道，16-三通a，17-三通b，18-逆变器，19-氢氧分离碱性电解槽，20-氧气气水分离罐和加碱罐，21-氧气洗涤罐，22-排污阀，23-氢气气水分离罐和加碱罐，24-氢气洗涤罐和脱水罐，25-缓冲罐，26-掺混装置，27-撬装罐车，28-燃料电池发电系统，29-燃气管网，30-电厂化学水处理车间，31-纯净水制备装置，32-补水泵，33-纯净水补水管路。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
在夜间用电低谷的调峰时段，如图1所示，一种利用火电厂调峰电力通过碱性电解槽制氢的系统，包括厂级电网调峰控制系统、送变电及电解槽供电系统、碱性电解槽制氢系统、电解槽冷却水余热回收系统、纯净水制备及补水系统、氢气收集净化及对外输送系统，所述的送变电及电解槽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5，所述电开关5与设置在输电电网上的降压变压器和逆变器18连接，降压变压器和逆变器18另一端与碱性电解槽制氢系统连接；所述电解槽冷却水余热回收系统中，冷却水供水管道14与凝结水管道10连接，冷却水源为电厂凝汽器9输出的凝结水。
在本实施例中，所述电网调峰控制系统包括电网调度中心2和电厂集控中心3，电网调度中心2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3，电厂集控中心3下达电网调峰指令，通过控制所述送变电及电解槽供电系统的电开关5进行电网调峰。
在本实施例中，所述电网调峰控制系统与火电厂供电系统连接，所述火电厂供电系统包括锅炉8、汽轮机7和发电机6。所述锅炉8通过燃烧燃料产生蒸汽，所述蒸汽通过管道输送到汽轮机7并驱动汽轮机7转动，汽轮机7转动后驱动发电机6发电，发出的电力输送到电厂出线母线上。
在本实施例中，夜间用电低谷的调峰时段，所述电开关5闭合，火电厂电力进入送变电及电解槽供电系统，为制氢供电，所输送制氢电量多少由电网调峰控制系统控制。
在本实施例中，所述碱性电解槽制氢系统包括一个或多个氢氧分离碱性电解槽19，所述电解槽一端连接氢气收集净化及对外输送系统，另一端连接氧气气水分离罐和加碱罐20。所述氧气气水分离罐和加碱罐20另一端与氧气洗涤罐21连接，所述氧气洗涤罐21与氧气收集装置或氧气排空装置连接。
在本实施例中，所述电解槽设置电源接口，所述电源接口与所述逆变器18连接。所述电解槽还设置排污口，所述排污口与排污管道连接，所述排污管道上设置排污阀22。
在本实施例中，所述电解槽内部包括阴极、阳极、隔膜及电解液。所述电解液包括氢氧化钾溶液，浓度为20wt%～30wt%。所述隔膜组成成分包括石棉。所述阴极、阳极组成成分包括金属合金，包括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。
在本实施例中，所述氢气收集净化及对外输送系统包括氢气气水分离罐和加碱罐23、氢气洗涤罐和脱水罐24、缓冲罐25、掺混装置26、撬装罐车27、燃料电池和燃气管网29。
在本实施例中，所述氢气气水分离罐和加碱罐23与氢气洗涤罐和脱水罐24连接，所述氢气洗涤罐和脱水罐24后连接缓冲罐25，所述缓冲罐25通过输气管道与掺混装置26连接，所述掺混装置26设置气体出口，与氢气瓶、撬装罐车27、燃料电池发电系统28、现有燃气管网29中分别连接。压缩后的氢气可以灌装入高压撬装罐车27，也可以压缩灌装入氢气瓶，都可用于对外出售。所述燃气管网29中氢气的掺混比例小于20%。所述的燃料电池发电系统28包括大型燃料电池发电厂或车载燃料电池。所述大型燃料电池发电厂利用氢气作为燃料产生电能。所述车载燃料电池用于以氢能为燃料的电池汽车。
在本实施例中，所述氢气气水分离罐和加碱罐23与冷却水供水管道14连接，罐体设置冷却水入口和出口，冷却水进入罐体内部回收余热。
在本实施例中，所述氧气气水分离罐和加碱罐20与冷却水供水管道14连接，罐体设置冷却水入口和出口，冷却水进入罐体内部回收余热。
在本实施例中，所述氢气洗涤罐和脱水罐24与纯净水补水管路33连接，罐体设置补水入口。
在本实施例中，所述氧气洗涤罐21与纯净水补水管路33连接，罐体设置补水入口。
在本实施例中，所述电解槽冷却水余热回收系统包括凝汽器9、除氧器12、高压加热器13、低压加热器11、冷却水供水管道14、冷却水回水管道15及多个三通。
在本实施例中，汽轮机7乏汽经凝汽器9冷却后形成凝结水进入凝结水管道10，所述凝结水管道10末端设置一个三通a16，所述三通a16另两端分别连接冷却水供水管道14和低压加热器11。
在本实施例中，所述低压加热器11的出水管路末端连接三通b17，所述三通b17另两端分别连接除氧器12和冷却水回水管道15。
在本实施例中，所述除氧器12连接汽轮机7高压抽汽管道，还通过给水泵与高压加热器13连接，所述高压加热器13与锅炉8连接。
在本实施例中，调峰时段，凝结水通过三通a16控制进入冷却水供水管道14成为碱性电解槽制氢系统的冷却水，冷却水进入氢气气水分离罐和加碱罐23中吸收余热，升温后的冷却水经管道输送到氧气气水分离和加碱罐再次吸收余热，经过二次加温的冷却水流入冷却水回水管道15，流经三通b17进入除氧器12。
在本实施例中，所述纯净水制备及补水系统包括电厂化学水处理车间30、纯净水制备装置31、补水泵32和纯净水补水管路33，所述纯净水补水管路33与氧气洗涤罐21、氢气洗涤罐和脱水罐24连接。
在本实施例中，所述电厂化学水处理车间30流出的净化水进入纯净水制备装置31，再经补水泵32加压，通过纯净水补水管路33进入氧气洗涤罐21、氢气洗涤罐和脱水罐24。
本发明通过将电解制氢与火电厂的灵活性调峰相结合，在峰谷调峰时消耗大量电量制氢，增加了清洁能源的上网电量，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，制氢系统的冷却水来自火电厂发电系统产生的凝结水，氢气、氧气气水分离和加碱过程中需要冷却水带走热量，这部分余热对冷却水进行加温，可有效的提高热能利用效率，代替了火电厂原有的低压加热器11对凝结水加热的环节，实现了能源的多级利用。
本发明中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。
实施例2
实施例2与实施例1相似，所不同的是，当白天或用电高峰的非调峰时段，电网中用户需求电量较大，此时制氢系统不运行，所述电开关5打开，火电厂电力输送到电厂升压站4进行升压，再输电上网。一部分凝结水通过三通a16控制直接进入低压加热器11加热后，送往除氧器12里，除氧器12里的水经给水泵抽至高压加热器13加热后送往锅炉8。另一部分凝结水通过三通a16控制进入冷却水供水管道14成为电解槽冷却水余热回收系统的冷却水，参与调峰时段已经制备好的氢气和氧气的气水分离和加碱，冷却水进入氢气气水分离罐和加碱罐23中吸收余热，升温后的冷却水经管道输送到氧气气水分离和加碱罐再次吸收余热，经过二次加温的冷却水流入冷却水回水管道15，流经三通b17进入除氧器12。
在非调峰时，制氢系统的冷却水来自火电厂发电系统产生的凝结水，氢气、氧气气水分离和加碱过程中需要冷却水带走热量，这部分余热对冷却水进行加温，可有效的提高热能利用效率，代替了火电厂原有的低压加热器11对凝结水加热的环节，实现了能源的多级利用。
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。