基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法与流程

1.本发明涉及热电氢氧联供技术领域，特别涉及一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.化工行业的二氧化碳排放占工业领域总排放的20％、占二氧化碳总排放的13％，化工行业二氧化碳的排放主要包括：净购入的电力和热力引起的二氧化碳排放、原料生产引起的二氧化碳排放、生产过程化石燃料燃烧引起的二氧化碳的排放。
4.目前，电力和热力生产仍然以燃烧化石能源为主要方式，该过程造成大量二氧化碳排放，氢气作为化工行业的重要原料，广泛用于炼油、合成氨、合成甲醇等领域，现阶段氢气主要通过化石燃料生产产生，生产过程中会造成二氧化碳排放，并且化工生产过程本身有大量的化石燃料的燃烧，造成大量的二氧化碳的排放；另外现阶段太阳能资源开发迅猛，太阳能电力装机迅速增加，加之太阳能电力的间歇性和波动性特点，给电力系统造成严峻的挑战，造成大量电力无法消纳，形成弃光。
5.综上所述，现有的光伏、光热以及制氢制氧系统大多各自工作，缺乏有效的协同工作，尚无法实现化工园区内的零碳排放控制。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法，输入为太阳能，输出为化工领域必须的电能、热能、氢气和氧气，实现了热电氢氧零碳供给，减少了化石能源的消耗，促进了化工领域的低碳转型；采用氢气存储办法实现了系统日间和夜间的全天稳定运行，解决了太阳能资源间歇性波动性的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统。
9.一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统，包括：光热集热器、蒸汽发生器、给水预热器、光伏电池组件、电解水制氢装置、压缩机、电动机、第一换热器、氢气储罐、第二换热器、膨胀机、第一发电机、第三换热器、燃气轮机、第二发电机和带补燃余热锅炉；
10.光热集热器的介质输出端口与蒸汽发生器的介质输入端口连通，蒸汽发生器的介质输出端口与光热集热器的介质输入端口连通，蒸汽发生器的水输入端口与给水预热器的第一端口连通，蒸汽发生器的蒸汽输出端口与蒸汽输出管路连通；
11.给水预热器的第二端口与第一换热器的第一端口连通，给水预热器的第三端口与第一换热器的第二端口连通，第一换热器的第三端口与压缩机的第一端口连通，第一换热器的第四端口与氢气储罐连通；
12.电解水制氢装置的氢输出端口分别与供气管路和压缩机的第二端口连通，电解水制氢装置的氧输出端口与供氧管路连通；
13.光伏电池组件的输出端分别与电解水制氢装置、电动机和园区供电线路连接，电动机与压缩机连接；
14.氢气储罐的输出端口与第二换热器的氢输入端口连通，第二换热器的氢输出端口与膨胀机的第一端口连通，膨胀机的第二端口与第一发电机连通，膨胀机的第三端口与第三换热器的氢输入端口连通，第三换热器的氢输出端口分别与燃气轮机的第一端口、带补燃余热锅炉的第一端口以及供氢管路连通；
15.第二换热器的第一端口与蒸汽输出管路连通，第二换热器的第二端口与供水管路连通，第三换热器的第一端口与蒸汽输出管路连通，第三换热器的第二端口与供水管路连通；
16.燃气轮机的第二端口与第二发电机连通，燃气轮机的第三端口与带补燃余热锅炉的第二端口连通，带补燃余热锅炉的第三端口与供水管路连通，带补燃余热锅炉的第四端口与蒸汽输出管路连通，带补燃余热锅炉的第五端口与烟气管路连通；
17.第一发电机和第二发电机的输电端口均与园区供电线路连接。
18.本发明第二方面提供了一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供方法。
19.一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供方法，利用本发明第一方面所述的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统，包括以下过程：
20.日间时，低温集热介质在光热集热器中利用太阳能加热升温，高温集热介质在蒸汽发生器中进行换热，加热给水产生蒸汽，集热介质温度降低，再流回光热集热器进行加热升温。
21.进一步的，日间时，供水经过给水预热器加热后，进入蒸汽发生器，在蒸汽发生器中经光热集热介质加热后变成蒸汽，氢气经压缩机压缩后温度升高，经第一换热器，将水进行加热，加热后的热水用于给水预热器对供水进行预热。
22.进一步的，日间时，光伏电池组件吸收太阳能辐照发电，光伏发电分成三个部分，一部分用于供给电解水制氢装置，一部分用于氢气压缩机的电动机供电，第三部分用于供给化工企业日间时段电力需求。
23.进一步的，日间时，电解水制氢装置的电力需求由光伏发电供给，供水至电解水制氢装置，生成氧气和氢气，氧气用于供给化工企业氧气需求；
24.生成的氢气分成两个部分，一部分用于供给化工企业日间氢气需求，另一部分进入压缩机压缩后存储于氢气储罐中，氢气经过压缩后温度升高，用水通过第一换热器进行冷却。
25.进一步的，夜间时，氢气储罐中的氢气在经第二换热器加热升温后，进入膨胀机进行膨胀做功发电，电力用于供给化工企业电力需求；
26.膨胀做功后的氢气压力和温度下降，经过第三换热器加热升温后，氢气温度和压力达到燃气轮机进口要求，此时氢气分成三部分，第一部分直接用于夜间供给化工企业氢气需求，第二部分进入燃气轮机燃烧和膨胀做功发电，用于夜间供给化工企业电力需求，第三部分氢气进入带补燃余热锅炉进行燃烧，与燃机排烟一起用于夜间时对水进行加热产生蒸汽，供给化工企业夜间蒸汽需求。
27.更进一步的，燃气轮机所排烟气进入带补燃余热锅炉，带补燃余热锅炉烟气经过换热后排至大气。
28.进一步的，日间切换至夜间模式时，夜间模式系统在夜间到来之前提前启动，使日间模式为夜间模式提供启动所需加热蒸汽，待夜间模式启动并运行平稳设定时间后，日间模式停机；
29.夜间切换至日间模式时，日间模式系统在日间到来之前提前启动，使夜间模式为日间模式提供启动所需加热蒸汽，待日间模式启动并运行平稳设定时间后，夜间模式停机。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.1、本发明所述的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法，输入为太阳能，输出为化工领域必须的电能、热能、氢气和氧气，实现了热电氢氧零碳供给，减少了化石能源的消耗，促进了化工领域的低碳转型。
32.2、本发明所述的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法，采用氢气存储办法实现了系统日间和夜间的全天稳定运行，解决了太阳能资源间歇性波动性的问题。
33.3、本发明所述的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统及方法，基于太阳能，为化工领域提供所需的电能、热能、氢气和氧气，提供了太阳能资源消纳新路径，减少了电网弃光，为太阳能资源加快开发提供了可行的技术支持。
34.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
36.图1为本发明实施例1提供的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统的结构示意图；
37.其中，1、光热集热器；2、蒸汽发生器；3、给水预热器；4、光伏电池组件；5、电解水制氢装置；6、压缩机；7、电动机；8、第一换热器；9、氢气储罐；10、第二换热器；11、膨胀机；12、第一发电机；13、第三换热器；14、燃气轮机；15、第二发电机；16、带补燃余热锅炉。
具体实施方式
38.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
39.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解
为对本发明的限制。
42.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
43.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.实施例1：
45.如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统，包括：光热集热器1、蒸汽发生器2、给水预热器3、光伏电池组件4、电解水制氢装置5、压缩机6、电动机7、第一换热器8、氢气储罐9、第二第一换热器0、膨胀机11、第一发电机12、第三第一换热器3、燃气轮机14、第二发电机15和带补燃余热锅炉16；
46.光热集热器1的介质输出端口与蒸汽发生器2的介质输入端口连通，蒸汽发生器2的介质输出端口与光热集热器1的介质输入端口连通，蒸汽发生器2的水输入端口与给水预热器3的第一端口连通，蒸汽发生器2的蒸汽输出端口与蒸汽输出管路连通；
47.给水预热器3的第二端口与第一换热器8的第一端口连通，给水预热器3的第三端口与第一换热器8的第二端口连通，第一换热器8的第三端口与压缩机6的第一端口连通，第一换热器8的第四端口与氢气储罐9连通；
48.电解水制氢装置5的氢输出端口分别与供气管路和压缩机6的第二端口连通，电解水制氢装置5的氧输出端口与供氧管路连通；
49.光伏电池组件4的输出端分别与电解水制氢装置5、电动机7和园区供电线路连接，电动机7与压缩机6连接；
50.氢气储罐9的输出端口与第二第一换热器0的氢输入端口连通，第二第一换热器0的氢输出端口与膨胀机11的第一端口连通，膨胀机11的第二端口与第一发电机12连通，膨胀机11的第三端口与第三第一换热器3的氢输入端口连通，第三第一换热器3的氢输出端口分别与燃气轮机14的第一端口、带补燃余热锅炉16的第一端口以及供氢管路连通；
51.第二第一换热器0的第一端口与蒸汽输出管路连通，第二第一换热器0的第二端口与供水管路连通，第三第一换热器3的第一端口与蒸汽输出管路连通，第三第一换热器3的第二端口与供水管路连通；
52.燃气轮机14的第二端口与第二发电机15连通，燃气轮机14的第三端口与带补燃余热锅炉16的第二端口连通，带补燃余热锅炉16的第三端口与供水管路连通，带补燃余热锅炉16的第四端口与蒸汽输出管路连通，带补燃余热锅炉16的第五端口与烟气管路连通；
53.第一发电机12和第二发电机15的输电端口均与园区供电线路连接。
54.本实施例中，光热集热器1为一个或者多个光热集热器的并联。
55.本实施例中，压缩机6为单个压缩机或者多个压缩机的串联，膨胀机11为单个压缩机或者多个压缩机的串联。
56.实施例2：
57.本发明实施例2提供了一种基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供方法，利用本发明实施例1所述的基于太阳能的化工园区零碳热电氢氧联供系统，包括以下过程：
58.日间时，低温集热介质在光热集热器1中利用太阳能加热升温，高温集热介质在蒸
汽发生器2中进行换热，加热给水产生蒸汽，集热介质温度降低，再流回光热集热器1进行加热升温；
59.日间时，供水经过给水预热器3加热后，进入蒸汽发生器2，在蒸汽发生器2中经光热集热介质加热后变成蒸汽供给化工企业的蒸汽需求；氢气经压缩机压缩后温度升高，经第一换热器8，将水进行加热，加热后的热水用于给水换热器对供水进行预热，实现热能充分利用，提高能源综合利用率；
60.日间时，光伏电池组件4吸收太阳能辐照发电，光伏发电分成三个部分，一部分用于供给电解水制氢装置5，一部分用于氢气的压缩机6的电动机供电，第三部分用于供给化工企业日间时段电力需求；
61.日间时，电解水制氢装置5的电力需求由光伏电池组件4发电供给，供水至电解水制氢装置5，生成氧气和氢气，氧气用于供给化工企业氧气需求，化工企业可自行建设氧气储罐，用于满足全天氧气供给；生成的氢气分成两个部分，一部分用于供给化工企业日间氢气需求，另一部分进入压缩机6压缩后存储于氢气储罐9中，氢气经过压缩后温度升高，用水通过第一换热器进行冷却，热量用于给水预热实现了热能充分利用；
62.夜间时，氢气储罐9中的氢气在经第二换热器10加热升温后，进入膨胀机11进行膨胀做功发电，电力用于供给化工企业电力需求；膨胀做功后的氢气压力和温度下降，经过第三换热器13加热升温后，氢气温度和压力达到燃气轮机进口要求，此时氢气分成三部分，第一部分直接用于夜间供给化工企业氢气需求，第二部分氢气进入燃气轮机14燃烧和膨胀做功发电，用于夜间供给化工企业电力需求，燃气轮机14所排烟气进入带补燃余热锅炉；第三部分氢气进入带补燃余热锅炉16进行燃烧，与燃气轮机14的排烟一起用于夜间时对水进行加热产生蒸汽，供给化工企业夜间蒸汽需求，带补燃余热锅炉16的烟气经过换热后排至大气。
63.本实施所述的方法，分为日间和夜间两个运行模式：
64.在日间切换至夜间模式时，夜间模式系统应该在夜间到来之前提前启动，使日间模式系统为夜间模式系统提供启动所需加热蒸汽，待夜间模式启动并运行平稳后，日间模式系统方可停机；
65.在夜间切换至日间模式时，日间模式系统应该在日间到来之前提前启动，使夜间模式系统为日间模式系统提供启动所需加热蒸汽，待日间模式启动并运行平稳后，夜间模式系统方可停机。
66.本实施例中，日间指的是从日出到日落的时间，夜间为日落到日出的时间。
67.本实施例中，零碳，是指通过方案设计，达到生产过程中二氧化碳的排放量为零；光热，是指将太阳光能通过技术手段转化成热能加以利用；光伏，是指光生伏特效应简称，该效应能将太阳辐射能直接转化成电能；蒸汽发生器，是指利用燃料或者其他能源的热能把水加热成蒸汽的机械设备；热电氢氧联供系统，是指通过一定的方法，向用户同时供给电能、热能、氢气和氧气的系统。
68.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。