一种高效氢能热电联产系统及其调度方法与流程

本发明属于新型电力系统热电综合利用领域，具体涉及一种高效氢能热电联产系统及其调度方法。

背景技术：

1、其中，绿色电力，作为电力行业发展的重点方向，也将成为未来能源的关键枢纽。绿色电力，是利用特定的发电设备(例如风力、太阳能光伏电池)，将风能、太阳能等可再生能源转化为电能。应对日益严峻的气候变化，推动世界能源的低碳转型，已逐渐成为全球共识。

2、以氢能为代表的长期储能用能策略在未来新型电力系统中发挥着不可替代的作用。随着西部可再生绿电上网占比越来越高，在东部城市通过电解水制氢法实现绿色电力的消纳和综合利用，这种利用方式近零碳排放，可充分利用“三弃”(弃风、弃光、弃水)能源水解制氢，还可以大大降低制氢成本，符合绿色能源可持续发展需求。

3、在电解水产氢和氢产电的过程中，会有一定的余热产生，具体的数值取决于不同的电解水技术和氢燃料电池的效率。在氢电站中，每生产1公斤氢气，大约需要消耗50～55度电，而每利用1公斤氢气发电，大约可以产生16度电。也就是说，从电到氢再到电的过程中，能量转化效率大约在32％～48％之间。至于如何回收余热，目前现有的技术有：在电解水制氢过程中，利用高温固体氧化物电解水技术(soec)，可以提高制氢系统的电化学性能和效率，减少能量损耗。在氢产电过程中，利用热电联供技术，将氢燃料电池产生的热能用于供暖或工业用途，提高能源利用率。

4、基于上述技术问题，根据实时产生电能、热能和其他能源形式，需要设计一种提高系统整体能源利用率的方法，通过灵活储氢进行电力调峰，并在电转氢及氢转电的过程中进行余热回收并通过有效的运行调度策略利用到供热系统进一步有效提高能源利用率。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种高效氢能热电联产系统及其调度方法，通过根据电价对储氢和氢放电进行智能调控，并且对制氢和氢放电过程的余热回收并重新利用，实现氢电转换能源的有效利用。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

3、本发明提供了一种高效氢能热电联产系统及其调度控制方法，包括：氢制备装置、氢储备装置、氢燃料电池装置、余热回收装置，循环水系统和调度控制系统；其中，所述氢制备装置关联外部电力系统，在外部电价低时输送电至氢制备装置进行电解水制氢，制得氢在氢储备装置中储备，并在电价高时释放氢至氢燃料电池进行氢放电制取电能；此时所述电能输送至电网用于电力调峰；

4、其中，外部电力系统可以是新型电力系统，也可以是可再生能源进行实时发电制取的绿电；基于风光互补发电制氢技术，风力、光伏发电优势特性互补，极大提升风光资源的利用率及并网稳定性；也可以是混合传统电网和可再生能源电网。

5、利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢，这种制氢方式近零碳排放，并且具有实时性和不稳定性，所以可在可再生能源发电装置和电解水制氢装置之间选择性的增加储能设备，用于可再生能源发电装置的电力储备和补给。电解水制氢装置根据电解水采用的隔膜不同，又可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解，其核心部件包括电解槽、双极板、隔膜、催化剂、整流器等。电解槽正常工作中会放热，一般电解槽产生的热量通过流经其中的电解液带出来，电解槽出口电解液温度一般在90±5℃，电解液经冷却降温至70±5℃左右，再打入电解槽入口，如此循环，稳定电解槽在正常的工作温度范围内。所述氢储备装置，可以是固定式的固态氢储备装置，用于通过金属氢化物进行氢储备；在这里氢气先在其表面催化分解为氢原子，氢原子再扩散进入到材料晶格内部空隙中，以原子状态储存于金属结晶点内，形成金属氢化物，该反应过程可逆，从而实现了氢气的吸、放。当前主要有镁系储氢合金、铁系储氢合金、镧镍稀土系储氢合金、钛系储氢合金、锆系储氢合金等。单位体积的金属可以储存常温常压下近千体积的氢气，体积密度甚至优于液氢，又可以提高储运氢的安全性，比较适合氢能源与其他能源站进行耦合，在制氢与储氢过程采用储能变流器(pcs能量转换)来调控。

6、氢燃料电池在正常工作情况下会放出大量热量，不同氢燃料电池排除热量不同，质子交换膜燃料电池排出的热量大概在50到90℃，固体氧化物燃料电池排出的热量大概是700到1000℃；目前电堆的热管理方式主要有两种：液冷和空冷。液冷是通过冷却液带走热量；空冷是通过与空气进行对流换热来带走热量，最终使电堆维持在适合的温度区间(50-90℃)工作。

7、燃料电池工作时，主要有以下几方面热量产生：化学反应放热、欧姆极化放热、压缩空气带入的热量和环境辐射热量。压缩空气带入的热量和环境辐射的热量与化学反应放热和欧姆极化放热相比，可忽略不计。

8、同时利用循环水系统回收氢制备装置和氢燃料电池装置运行过程的余热并输送至余热回收装置，并利用调度控制系统对循环水系统进行运行优化调度将余热进行再利用；所述余热回收装置包括余热混调设备，所述余热混调设备用于在供暖季对回收余热介质进行缓存调控，弥补热负荷需求值；

9、在这里使用循环水作为冷却液对氢制备装置的电解液进行冷却和余热回收，并作为液冷的冷却介质对反应电堆进行热管理。循环水系统的水介质也可以是其他冷却液体介质作为整个系统的热能载体关联氢制备装置和氢燃料电池装置以及余热回收装置。

10、所述调控系统包括用电控制系统和用热控制系统，在用电控制系统中基于电价对电能输出进行智能调控；在用热控制系统是基于用热负荷对循环水系统和余热回收装置进行智能调控。

11、在这里，氢制备装置、氢储备装置、氢燃料电池装置、余热回收装置，循环水系统和控制系统可以设计在单独的氢电站中，也可以设计在传统电厂中增加氢机组用于调控用电错峰。

12、进一步地，还包括所述余热回收装置可选地包括储热设备和外接燃煤机组循环水通路，所述储热设备用于在供暖季基于用热控制系统将存储的余热以及外接燃煤机组的补热按照不同份额输送至余热混调设备，满足热负荷需求。在实际应用中根据外部能源需求，也可将储存的氢气直接供应，作为系统提供的一种能源形式。

13、进一步地，所述循环水系统关联氢制备装置、氢燃料电池装置、余热回收装置，其关联件包括且不限于水管、热管理器、传感器组件、水泵；其中所述传感器组件位于热管理器和余热回收装置进出口两侧，包括控制阀、流量传感器、温度传感器，压力传感器；所述关联件均通过无线感知终端与控制系统连通并实时输出氢制备装置、氢燃料电池、余热回收装置、循环水系统的相应各项运行参数。

14、进一步地，所述循环水系统关联氢制备装置、氢燃料电池装置，具体包括如下：

15、在电解水装置的电解槽出液口连通有热管理器，所述热管理器出口通过电解液循环泵与电解槽的电解液入口连通，所述循环水系统通过热管理器对电解液进行冷却回收第一余热并输送至第一储热设备；通过循环水带走电解槽反应产生余热，维持最佳电解水制氢的反应温度。

16、在氢燃料电池装置的排水侧设置热管理器，所述热管理器接入循环水系统进行燃料电池电堆的第二余热回收并输送至第二储热设备。

17、进一步地，所述第一储热设备用于在非供暖季将氢制备装置产生的第一余热作为第一存储余热进行存储，第二储热设备用于在非供暖季将氢燃料电池装置产生的第二余热作为第二存储余热进行存储，并且在供暖季季依据调控需求将不同份额第一余热和第二余热以及外接燃煤机组补热输送至余热混调设备进行混调。

18、进一步地，所述用热控制系统的用热运行调度策略具体如下：

19、通过建立第一余热预测模型用于对第一余热进行预测，其中预测模型参数包括氢制备装置循环水流量、温度及压力、电解水反应温度阈值、电解槽热管理器转换率；建立第二余热预测模型对第二余热进行预测，其中预测模型参数包括氢燃料电池装置循环水流量温度及压力、燃料电池反应温度阈值、反应堆热管理器转换率；

20、依据第一余热预测和第二余热预测的余热量和供暖季供热负荷总需求，设置余热水温目标值，对余热水量来进行控制，所述余热水温目标值根据供暖季民用供暖供水温度；具体如下：

21、1)通过建立第一余热预测模型用于对第一余热进行预测，其中预测模型参数包括氢制备装置循环水流量、温度及压力、电解水反应温度阈值、电解槽热管理器转换率；所述第一余热建立热力模型如下：

22、

23、qgen1＝nc(vcell-vtn)iacell

24、qloss1＝(hc+hr)astack(ts-tamb)

25、其中cth1为电制氢部分系统的总热容量，qgen1为电解水制氢装置运行产生的余热总量，qloss1为过程热损失。vcell与acell分别为电解水装置子单元的体积与受热面积；nc为子单元的个数，i为电流，hc与hr分别代表对流与辐射的换热系数；ts与tamb分别代表材料表面的温度与环境温度；

26、2)建立第二余热预测模型对第二余热进行预测，其中预测模型参数包括氢燃料电池装置循环水流量温度及压力、燃料电池反应温度阈值、反应堆热管理器转换率；

27、所述第二余热建立热力模型如下：

28、

29、qgen2为燃料电池产总热量；itotal为燃料电池的瞬态输出电流(a)；n为电堆单体电池个数；voutput为燃料电池的瞬态输出电压(v)，c为循环水的比热容(kj/(kg·k))；ρ为循环水的密度(kg/m3)；v为冷却水体积流量(m3/s)；tout为冷却水出堆温度(k)；tin为冷却水入堆温度(k)；

30、氢燃料电池工作时产生的热量与电能相当，主要来源于化学反应热、欧姆热、相变热和极化热。产热量可以通过所消耗的燃料能量与输出电能的差值从数值上近似地计算出来，如式(1)所示：

31、qgen2＝itotal(1.481×n-voutput) (1)

32、燃料电池稳定工作时本体温度保持不变，产散热平衡，反应生成的热量主要通过电堆本体热辐射、排水排气散热以及循环冷却水散热3种途径散出，如式(2)所示：

33、qgen2＝qcool+qrad+qout (2)

34、qcool为循环水余热量(kj)；qrad为热辐射散热量(kj)；qout为排水排气散热量(kj)。由于燃料电池工作温度不高，与环境温差小，其辐射散热量很少。而另一方面，燃料电池气体进出口温差小，且气体比热容较小，气体散热量也不大。因此，燃料电池工作时90％以上的产热依靠循环水带出。即：

35、qcool＝c·ρ·v(tout-tin) (3)；

36、3)依据第一余热预测和第二余热预测的余热量和供暖季供热负荷总需求，设置余热水温目标t，对余热水量v来进行控制，所述余热水温目标值根据供暖季民用供暖供水温度；

37、4)利用遗传算法算法建立余热水量动态控制模型：

38、在余热水量v以及第一余热qgen1和第二余热qgen2预测约束下余热水温控制与余热水量控制参数的非线性映射特征为：

39、ti＝{(x1，y1，z1)，...(xi，yi，zi)}

40、(xi，yi，zi)表示混调水量控制的余热水温差异性因组，其中xi，yi，zi分别是第一储热设备第一余热和第二储热设备以及外接燃煤机组混调水份额；

41、采用综合平衡法和固定预算法结合的方法，建立影响因素流程化、指标化约束因子，根据传感器组合中控制阀控制、循环水流量v控制和温度采集t以及供暖季热负荷需求成本控制结合得到余热水量差异控制函数为：

42、

43、式中，ti、vi分别表示循环水温度和流量的控制性因素，ai、aj分别表示控制的动态特征，k为控制核函数，a为最优滞后阶数，l为建筑成本动态约束的最大迭代步数，w为脉冲响应，(xi·qgen1+yi·qgen2+zi·qgen3)为成本控制的内部结构作用单元格，b为拉格朗日算子；

44、5)采用全局优化控制方法，得到各余热水量控制参数优化值(xi，yi，zi)。

45、特别地，还包括：所述余热混调设备外接燃煤机组，根据余热水量控制模型判断外接燃煤机组供热补给量。

46、进一步地，还包括所述用电运行调度策略具体如下：

47、设置电价基线，在电价低于电价基线时，将外部电能输送至电解水装置进行电解水制氢；并在氢储备装置进行存储；在电价高于电价基线时，说明用电负荷比较高，实际用电紧张，释放储备的氢至氢燃料电池装置中进行放电反应，产生电能用于供电系统电力调峰。

48、电价基线是指在电力市场中，用于衡量电力交易价格变化的参考价格。电价基线的设定方法有多种，不同的市场主体和交易方式可能采用不同的电价基线。一般来说，电价基线可以从以下几个方面设定：

49、电厂上网电价：电厂上网电价是指发电企业将电力输送到电网的价格，也称为发电侧售电价格。电厂上网电价是影响市场电价的主要因素，也是市场化交易的基础。电厂上网电价可以根据不同的发电方式、燃料成本、环保要求等因素进行设定。

50、市场出清价格：市场出清价格是指在市场化交易中，由买卖双方的报价通过一定的算法形成的一种参考价格，也称为边际出清价格或竞争性平衡法。市场出清价格是一种市场定价方式，主要用于反映市场供需关系、促进资源配置效率、激励市场主体行为等目的，也是市场化交易的最终目标。市场出清价格可以根据不同的交易方式、时段、区域、节点等因素进行设定。在这里，结合电厂上网电价预测计算电价基线。

51、进一步地，一种高效氢能热电联产系统的调度方法，包括如下步骤：

52、(1)启动用电调控系统，当电价低于电价基线时，通过外部电网向电水解装置供电制氢；并将氢气输送至氢储备装置中进行高密度的固态存储；

53、(2)当电价高时，从氢储备装置释放氢进入氢燃料电池装置进行放电反应，产生电能用于供电系统电力调峰；

54、(3)启动用热调控系统，在电水解装置制氢启动同时，调控循环水系统回收电水解装置运行过程中产生的第一余热作为第一存储余热至第一储热设备；循环水系统回收氢燃料电池装置产生的第二余热作为第二存储余热并至第二储热设备；并利用余热预测模型对第一存储余热和第二存储余热进行预测；

55、(5)在供暖季，响应热负荷总需求结合第一存储余热和第二存储余热的余热量，利用余热水量控制模型，确认第一储热设备第一余热和第二储热设备第二余热的混调水量，以及外接燃煤机组供热补给量。

56、本发明的有益效果是：

57、1.增加储氢装置，有效利用电价错峰增加能源利用率，有效输出多种能源形式，减少能源损失；

58、2.将氢能源站与供热系统进行关联，形成热电联供，并结合循环水系统和余热回收装置，充分收集电制氢、氢制电过程的余热，并利用优化调度模型策略精准的对余热进行供暖再利用；

59、3.增加用电控制和用热控制系统，实施监控电氢耦合和余热回收运行状况，进行智能调度控制。

60、其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

61、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。