本发明涉及天然气分布式能源领域，涉及一种多能互补的高效清洁能源系统及其应用，特别是一种利用火电厂、水电厂的富余电力，在天然气分布式能源站附近采用质子交换膜水电解水制氢，将氢气加入到天然气中，混合气作为小型化的基于燃气内燃机的天然气分布式能源的燃料的高效清洁系统。
背景技术：
天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70％以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。天然气分布式能源是当今世界高能效、高可靠、低排放的先进的能源技术手段，被各国政府、设计师、投资商所采纳。
基于燃气内燃机的小型天然气分布式能源系统由于其启动快、装机灵活、小型化等优点，在医院、校园、建筑等楼宇上广泛应用，但也有两个关键技术难题是火花塞寿命长短以及高NOx的排放，其中火花塞的更换频率在一定程度上决定了发动机设备的维护费用的增加。
电解水是由电能提供动力，将水分解为氢和氧的化学过程，在目前的各种制氢技术中，利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是最为成熟和最有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。
电解水制氢技术已经得到工业化应用，全球约有4％的氢气来源于电解水。传统的碱性水溶液电解制氢因制氢效率低、电能损耗大而限制了其应用范围。研究人员进行了大量的研究工作来提高制氢效率，研究内容主要包括低过电位电极材料、质子交换膜水电解和高温水蒸气电解。
目前，近年来部分地区由于水电、光伏、风电等新能源发展，大量大容量、高参数燃煤发电机组的运行负荷大幅度减少，有的降到了设计负荷的50％以下，机组装机容量比供电负荷冗余了大量的剩余电力，将大量的剩余电力输送到天然气分布式能源站附近，采用质子交换膜水电解水。质子交换膜水电解制氢技术具有效率高氢气纯度高和无污染等优点。质子交换膜作为电解质具有良好的化学稳定性、质子传导性和气体分离性等优点，可以使电解槽在较高的电流下工作。
高的氮氧化物的排放对环境的影响大，目前降低NOx排放的主流方法主要有选择性催化还原法(SCR)、三效催化剂法(TWC)、氢辅助稀薄操作等方法。选择性催化还原法(SCR)脱硝是在一定的温度和催化剂作用下，利用氨或烃做还原剂可选择性地将NOx还原为氮气和水的方法。可使NOx的脱除率达90％以上。此法对大气环境质量的影响不大，是目前脱硝效率最为成熟，且应用最广的脱硝技术。但由于氨量的控制误差而造成的二次污染等原因使得通常仅能达到65％～80％的净化效果；三效催化剂法(TWC)是通过催化剂的作用，把CO、HC、NOX分别氧化、还原为对人体健康无害的二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水蒸气(H2O)，在转化过程中，催化剂能同时对CO、HC、NOx三种有害物起催化净化作用，三效催化剂法(TWC)可有效地降低NOx的排放，但是同时花费成本较高，经济效益较低。
现有技术中还不存在本发明提及的多能互补的高效清洁能源系统，将富余电力输送至天然气分布式能源站附近，利用质子膜交换制氢技术制取氢气，将氢气按照比例与天然气混合，供电、冷、热，降低NOx排放，减少燃气内燃机火花塞更换频率。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在电力浪费、天然气使用中产生的NOX偏高造成环境污染、燃气内燃机维修成本高等问题，提供了一种多能互补的高效清洁能源系统，将富余电力输送到小型燃气分布式能源站附近的电解水制氢设备中制取氢气，将氢气按照要求比例混合到天然气分布式能源站的燃料——天然气中，对周边供应电、冷、热等多种能源供给，降低NOx排放、提高发动机火花塞寿命，降低运行维护成本，构成所属区域间的能源互联网，建立了一整套基于天然气分布式能源的多能互补的高效清洁能源系统。
具体为一种多能互补的高效清洁能源系统，该系统由电解水制氢设备、分布式能源站组成，所述由电解水制氢设备制备的氢，所得到的氢气与天然气混合，通过输送管道，添加到天然气分布式能源站中。
优选的是，所述天然气分布式能源站的主机设备为燃气内燃机，系统单机容量不超过10MW。
优选的是，所述电解水制氢设备与分布式能源站的输送管道长度应大于100米，即电解水制氢设备应设置在分布式能源站附近，按照《GB50177-2005氢气站》有关安全方法的规定要求，根据分布式能源站的装机容量以及电解水制氢设备采取的生产方法，二者之间不得设置在100米范围之内。
优选的是，将电解水制氢设备制备的氢输送到分布式能源站的输送管道的材质可以为无缝钢管、纤维水管等，从安全可靠以及安装维护成本上考虑，优选为PE管。
此外，本发明还提供了所述多能互补的高效清洁能源系统的应用，一种将富余电力转化为高效清洁能源的方法，主要分为如下步骤实现：
S1：将电解水制氢设备接入电网，将电网中富余电力输入电解水制氢设备；
S2：电解水制氢设备利用S1中接入的富余电力电解水产生氢和氧；
S3：将氢添加到天然气中；
S4：将S3中产生的混合气体输送到分布式能源站；
优选的是，步骤S2中所述的电解水制氢设备可以采用质子交换膜水电解、高温水蒸气电解制氢等方法。目前，质子交换膜水电解制氢技术具有效率高氢气纯度高和无污染等优点。质子交换膜作为电解质具有良好的化学稳定性、质子传导性和气体分离性等优点，可以使电解槽在较高的电流下工作，因此，优选采用质子交换膜水电解水制氢的方法。
优选的是，步骤S3中氢添加到天然气中是在稀薄燃烧条件下操作的，所述稀薄条件下的空燃比为18至25，这样的目的是可以极大降低NOX的排放量。进一步，所述的系统的空燃比为20。
优选的是，氢添加到天然气中后，氢气的含量在13％-17％。
实验得出，在天然气分布式能源的天然气中添加氢气，NOx排放值降低为10ppm，在13％-27％氢气混合的条件下火花点火能量可以减少到22％-27％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及效果：
1、实现高参数、大容量燃煤发电机组在最佳工作点平稳工作，提高了机组效率，避免了机组频繁负荷变动及低负荷运行时的不良影响；
2、实现了水电资源充分利用，利用廉价的富余电力制氢，降低整个天然气分布能源系统的经济运营成本；
3、通过将氢气加入到天然气分布式能源的燃料——天然气中，有效地降低了燃气内燃机的NOx的排放，降低环境污染，提高节能环保效益；
4、通过将氢气加入到天然气分布式能源的燃料——天然气中，提高燃气内燃机火花塞寿命，降低原动设备的停运率，降低设备的运维费用，提高天然气分布式能源系统的运行效率；
5、实现了在天然气能源站附近就近建设电解水制氢，有利于实现安全可靠的能源供给。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本实施例一的系统示意图。
标号说明：1-发电厂；2-电解水制氢设备；3-天然气供应设备；4-天然气分布式能源系统；5-用户端；6-输电线路；7-输送管道；8-天然气输送管道；9-混合气。
具体实施方式
以下结合具体实施例来说明本发明，下列实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不限定本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，一种多能互补的高效清洁能源系统，包括质子交换膜电解水制氢设备2、基于燃气内燃机的小型的天然气分布式能源站4组成的高效清洁能源系统，所述利用发电厂1中的多余电力，经过输电线路6输电到天然气分布式能源站4附近建设质子交换膜电解水制氢设备2，电解水制氢设备制备的氢气经输送由PE材质制成的输送管道7输送到分布式能源站中，在空燃比为20的条件下，将氢气按照要求15％的比例添加到天然气供应设备3通过天然气输送管道8供应的天然气中，形成混合气9作为天然气分布式能源的燃料输送到分布式能源站的燃料，天然气分布式能源站4对周边的用户端5供应电、冷、热等多种能源供给。此时，天然气中NOX的排放量为10ppm。添加了氢的天然气可以大大降低NOx排放量、提高发动机火花塞寿命，降低运行维护成本，构成所属区域间的能源互联网。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。