CN118030278B - 一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统及其工作方法，属于冷热电联供技术领域。本发明解决了现有的基于天然气燃气轮机的冷热电联供系统存在的碳排放及氮氧化物排放的问题。液氢罐、液氢汽化换热器的吸热侧、氢气增压机、氢气换热器的吸热侧及氢‑氧‑水燃烧室的氢气入口依次通过管路连通，液氧罐、液氧汽化换热器的吸热侧、氧气增压机、氧气换热器的吸热侧及氢‑氧‑水燃烧室的氧气入口依次通过管路连通，水箱、水泵、水换热器的吸热侧及氢‑氧‑水燃烧室的水入口依次通过管路连通，水蒸气涡轮、氧气增压机、氢气增压机及发电机依次通过转轴固定连接。相比于传统天然气燃气轮机，氢氧燃烧无碳产生且不存在氮氧化物，确保了零碳零氮氧化物排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统及其工作方法，属于冷热电联供技术领域。
背景技术
氢能作为一种清洁高效的能源，具有零碳零氮排放、热值高、能量密度大、来源广泛、可持续发展等优点。
冷热电三联供是分布式能源的一种，相比于传统的火电能源供应系统，综合用能效率可达90％，具有节能高效的优点。可实现能量综合梯级利用，有效提升能源利用水平。该系统还可以有效调节电网的运行状态，提高发电系统运行的稳定性和安全性。
现有技术中冷热电三联供系统的燃料主要是天然气，但其燃烧会产生二氧化碳，带来碳排放及氮氧化物排放的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有的基于天然气燃气轮机的冷热电联供系统存在的碳排放及氮氧化物排放的问题，进而提供了一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统，包括鼓风机、液氢罐、液氧罐、水箱、水泵、液氢汽化换热器、液氧汽化换热器、发电机、氢气增压机、氧气增压机、水蒸气涡轮、氢气换热器、氧气换热器、氢-氧-水燃烧室及水换热器，其中，
鼓风机通过管路分别连接至液氢汽化换热器的放热侧入口及液氧汽化换热器的放热侧入口，
液氢罐、液氢汽化换热器的吸热侧、氢气增压机、氢气换热器的吸热侧及氢-氧-水燃烧室的氢气入口依次通过管路连通，
液氧罐、液氧汽化换热器的吸热侧、氧气增压机、氧气换热器的吸热侧及氢-氧-水燃烧室的氧气入口依次通过管路连通，
水箱、水泵、水换热器的吸热侧及氢-氧-水燃烧室的水入口依次通过管路连通，
氢-氧-水燃烧室的出口、水蒸气涡轮及水换热器的放热侧入口依次通过管路连通，
水换热器的放热侧出口分别通过管路连接至氢气换热器的放热侧入口及氧气换热器的放热侧入口，
水蒸气涡轮、氧气增压机、氢气增压机及发电机依次通过转轴固定连接。
进一步地，氢气换热器放热侧出口及氧气换热器的放热侧出口分别连接供热热水出水管。
进一步地，两个供热热水出水管均通过三通连接至供热热水总管。
进一步地，液氢汽化换热器的放热侧出口及液氧汽化换热器的放热侧出口分别连接空气管道。
进一步地，两个空气管道均通过三通连接至制冷空气总管。
进一步地，各管路上均设置有阀门。
一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统的工作方法，包括如下步骤：
对于制冷子系统：
鼓风机将常温空气分别送入液氢汽化换热器及液氧汽化换热器，分别与来自液氢罐的低压低温的液态氢气及来自液氧罐的低压低温的液态氧气进行换热，其中常温空气放热，温度降低，变为制冷空气，液态氢气吸热变为低压常温的氢气，液态氧气吸热变为低压常温的氧气；
对于发电子系统：
液氢汽化换热器中的低压常温氢气进入氢气增压机，增压后变为高压中温氢气，高压中温氢气进入氢气换热器，吸热后变为高压高温氢气，然后进入氢-氧-水燃烧室；
液氧汽化换热器中的低压常温氧气进入氧气增压机，增压后变为高压中温氧气，高压中温氧气进入氧气换热器，吸热后变为高压高温氧气，然后进入氢-氧-水燃烧室；
水箱中的常温常压水在水泵的作用下加压，然后进入水换热器进行加热，变为高压热水后进入氢-氧-水燃烧室；
氢-氧-水燃烧室中的氢气、氧气和水进行燃烧，产生的高压高温水蒸气进入水蒸气涡轮做功，水蒸气涡轮使转轴转动，将动力传送给氢气增压机、氧气增压机及发电机，在此动力下，氢气增压机和氧气增压机压缩低压常温氢气和低压常温氧气，发电机产生电能，提供电力；
对于供热子系统：
氢-氧-水燃烧室中产生的高压高温水蒸气在水蒸气涡轮中做功后，变为低压中温水蒸气，先进入水换热器中放热，再分别进入氢气换热器和氧气换热器中放热，最终作为供热热水排出。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明的冷热电联供系统将发电子系统、供热子系统和制冷子系统结合，实现了能量综合梯级利用。
本发明的冷热电联供系统中，空气通过液氢和液氧汽化吸热过程获得制冷效果，充分利用了相态转变过程的能量转化；水蒸气涡轮排出的低压中温水蒸气依次加热来自水箱的水和加压后的高压中温氢气和高压中温氧气，尽可能回收了水蒸气涡轮排气中的能量。上述过程充分考虑了能量的回收，提高了系统效率。
本发明的冷热电联供系统利用氢氧燃气轮机获得动力和热力，因氢气和氧气燃烧的产物只有水，不会带来碳排放问题，相比于传统天然气燃气轮机，氢氧燃烧无碳产生且不存在氮氧化物排放，确保了零碳零氮氧化物排放。此外，氢气的质量能量密度更大，能量转换效率更高，占地面积更小，系统结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图中：
1、鼓风机；3、液氢汽化换热器；4、液氧汽化换热器；5、液氢罐；7、液氧罐；10、发电机；11、氢气增压机；12、转轴；13、氧气增压机；14、水蒸气涡轮；20、氢气换热器；22、氧气换热器；24、氢-氧-水燃烧室；25、水箱；26、水泵；28、水换热器。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，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。
需要说明的是，本发明关于“左”、“右”、“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”“顶部”“底部”等方向上的描述均是基于附图所示的方位或位置的关系定义的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所述的结构必须以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统，包括鼓风机1、液氢罐5、液氧罐7、水箱25、水泵26、液氢汽化换热器3、液氧汽化换热器4、发电机10、氢气增压机11、氧气增压机13、水蒸气涡轮14、氢气换热器20、氧气换热器22、氢-氧-水燃烧室24及水换热器28，其中，
鼓风机1通过管路分别连接至液氢汽化换热器3的放热侧入口及液氧汽化换热器4的放热侧入口，
液氢罐5、液氢汽化换热器3的吸热侧、氢气增压机11、氢气换热器20的吸热侧及氢-氧-水燃烧室24的氢气入口依次通过管路连通，
液氧罐7、液氧汽化换热器4的吸热侧、氧气增压机13、氧气换热器22的吸热侧及氢-氧-水燃烧室24的氧气入口依次通过管路连通，
水箱25、水泵26、水换热器28的吸热侧及氢-氧-水燃烧室24的水入口依次通过管路连通，
氢-氧-水燃烧室24的出口、水蒸气涡轮14及水换热器28的放热侧入口依次通过管路连通，
水换热器28的放热侧出口分别通过管路连接至氢气换热器20的放热侧入口及氧气换热器22的放热侧入口，
水蒸气涡轮14、氧气增压机13、氢气增压机11及发电机10依次通过转轴12固定连接。
在冷热电联供系统启动时，鼓风机1、液氢汽化换热器3、液氧汽化换热器4、液氢罐5和液氧罐7组成制冷子系统；
发电机10、氢气增压机11、转轴12、氧气增压机13、水蒸气涡轮14、氢气换热器20、氧气换热器22、氢-氧-水燃烧室24、水箱25、水泵26和水换热器28构成发电子系统；
氢-氧-水燃烧室24、水蒸气涡轮14、氢气换热器20、氧气换热器22、氢-氧-水燃烧室24、水箱25、水泵26和水换热器28构成供热子系统。
本发明的冷热电联供系统将发电子系统、供热子系统和制冷子系统结合，实现了能量综合梯级利用。
本发明的冷热电联供系统中，空气通过液氢和液氧汽化吸热过程获得制冷效果，充分利用了相态转变过程的能量转化；水蒸气涡轮14排出的低压中温水蒸气依次加热来自水箱25的水和加压后的高压中温氢气和高压中温氧气，尽可能回收了水蒸气涡轮14排气中的能量。上述过程充分考虑了能量的回收，提高了系统效率。
本发明的冷热电联供系统利用氢氧燃气轮机获得动力和热力，因氢气和氧气燃烧的产物只有水，不会带来碳排放问题，相比于传统天然气燃气轮机，氢氧燃烧无碳产生且不存在氮氧化物排放，确保了零碳零氮氧化物排放。此外，氢气的质量能量密度更大，能量转换效率更高，占地面积更小，系统结构更加紧凑。
氢气换热器20放热侧出口及氧气换热器22的放热侧出口分别连接供热热水出水管。如此设计，便于供热热水的流出。
两个供热热水出水管均通过三通连接至供热热水总管。如此设计，进一步便于供热热水的流出，同时简化冷热电联供系统的管路结构，更便于管路排布。
液氢汽化换热器3的放热侧出口及液氧汽化换热器4的放热侧出口分别连接空气管道。如此设计，便于制冷空气的排出。
两个空气管道均通过三通连接至制冷空气总管。如此设计，进一步便于制冷空气的排出，同时简化冷热电联供系统的管路结构，更便于管路排布。
各管路上均设置有阀门。如此设计，便于控制各管路的通断。
一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统的工作方法，包括如下步骤：
对于制冷子系统：
鼓风机1将常温空气(25℃)分别送入液氢汽化换热器3及液氧汽化换热器4，分别与来自液氢罐5的低压低温的液态氢气及来自液氧罐7的低压低温的液态氧气进行换热，其中常温空气放热，温度降低，变为制冷空气(10℃)，液态氢气吸热变为低压(1MPa)常温(15℃)的氢气，液态氧气吸热变为低压(1MPa)常温(15℃)的氧气；
对于发电子系统：
液氢汽化换热器3中的低压(1MPa)常温(15℃)氢气进入氢气增压机11，增压后变为高压(3MPa)中温(120℃)氢气，高压(3MPa)中温(120℃)氢气进入氢气换热器20，吸热后变为高压(3MPa)高温(350℃)氢气，然后进入氢-氧-水燃烧室24；
液氧汽化换热器4中的低压(1MPa)常温(15℃)氧气进入氧气增压机13，增压后变为高压中温氧气，高压(3MPa)中温(100℃)氧气进入氧气换热器22，吸热后变为高压(3MPa)高温(400℃)氧气，然后进入氢-氧-水燃烧室24；
水箱25中的常温(15℃)常压(0.1MPa)水在水泵26的作用下加压，然后进入水换热器28进行加热，变为高压(3MPa)热水(120℃)后进入氢-氧-水燃烧室24；
氢-氧-水燃烧室24中的氢气、氧气和水进行燃烧，产生的高压(3MPa)高温(1400℃)水蒸气进入水蒸气涡轮14做功，水蒸气涡轮14使转轴12转动，将动力传送给氢气增压机11、氧气增压机13及发电机10，在此动力下，氢气增压机11和氧气增压机13压缩低压常温氢气和低压常温氧气，发电机10产生电能，提供电力；
对于供热子系统：
氢-氧-水燃烧室24中产生的高压(3MPa)高温(1400℃)水蒸气在水蒸气涡轮14中做功后，变为低压(0.3MPa)中温(700℃)水蒸气，先进入水换热器28中放热，再分别进入氢气换热器20和氧气换热器22中放热，最终作为供热热水(95℃)排出。经过水换热器28换热后的水分别进入氢气换热器20及氧气换热器22中，对应加热高压(3MPa)中温(120℃)氢气和高压(3MPa)中温(100℃)氧气。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统，其特征在于：包括鼓风机(1)、液氢罐(5)、液氧罐(7)、水箱(25)、水泵(26)、液氢汽化换热器(3)、液氧汽化换热器(4)、发电机(10)、氢气增压机(11)、氧气增压机(13)、水蒸气涡轮(14)、氢气换热器(20)、氧气换热器(22)、氢-氧-水燃烧室(24)及水换热器(28)，其中，
鼓风机(1)通过管路分别连接至液氢汽化换热器(3)的放热侧入口及液氧汽化换热器(4)的放热侧入口，
液氢罐(5)、液氢汽化换热器(3)的吸热侧、氢气增压机(11)、氢气换热器(20)的吸热侧及氢-氧-水燃烧室(24)的氢气入口依次通过管路连通，
液氧罐(7)、液氧汽化换热器(4)的吸热侧、氧气增压机(13)、氧气换热器(22)的吸热侧及氢-氧-水燃烧室(24)的氧气入口依次通过管路连通，
水箱(25)、水泵(26)、水换热器(28)的吸热侧及氢-氧-水燃烧室(24)的水入口依次通过管路连通，
氢-氧-水燃烧室(24)的出口、水蒸气涡轮(14)及水换热器(28)的放热侧入口依次通过管路连通，
水换热器(28)的放热侧出口分别通过管路连接至氢气换热器(20)的放热侧入口及氧气换热器(22)的放热侧入口，
水蒸气涡轮(14)、氧气增压机(13)、氢气增压机(11)及发电机(10)依次通过转轴(12)固定连接；
氢气换热器(20)放热侧出口及氧气换热器(22)的放热侧出口分别连接供热热水出水管；
两个供热热水出水管均通过三通连接至供热热水总管；
液氢汽化换热器(3)的放热侧出口及液氧汽化换热器(4)的放热侧出口分别连接空气管道；
两个空气管道均通过三通连接至制冷空气总管。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统，其特征在于：各管路上均设置有阀门。
3.一种如权利要求1～2任一一项权利要求所述基于氢氧燃气轮机的冷热电联供系统的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
对于制冷子系统：
鼓风机(1)将常温空气分别送入液氢汽化换热器(3)及液氧汽化换热器(4)，分别与来自液氢罐(5)的低压低温的液态氢气及来自液氧罐(7)的低压低温的液态氧气进行换热，其中常温空气放热，温度降低，变为制冷空气，液态氢气吸热变为低压常温的氢气，液态氧气吸热变为低压常温的氧气；
对于发电子系统：
液氢汽化换热器(3)中的低压常温氢气进入氢气增压机(11)，增压后变为高压中温氢气，高压中温氢气进入氢气换热器(20)，吸热后变为高压高温氢气，然后进入氢-氧-水燃烧室(24)；
液氧汽化换热器(4)中的低压常温氧气进入氧气增压机(13)，增压后变为高压中温氧气，高压中温氧气进入氧气换热器(22)，吸热后变为高压高温氧气，然后进入氢-氧-水燃烧室(24)；
水箱(25)中的常温常压水在水泵(26)的作用下加压，然后进入水换热器(28)进行加热，变为高压热水后进入氢-氧-水燃烧室(24)；
氢-氧-水燃烧室(24)中的氢气、氧气和水进行燃烧，产生的高压高温水蒸气进入水蒸气涡轮(14)做功，水蒸气涡轮(14)使转轴(12)转动，将动力传送给氢气增压机(11)、氧气增压机(13)及发电机(10)，在此动力下，氢气增压机(11)和氧气增压机(13)压缩低压常温氢气和低压常温氧气，发电机(10)产生电能，提供电力；
对于供热子系统：
氢-氧-水燃烧室(24)中产生的高压高温水蒸气在水蒸气涡轮(14)中做功后，变为低压中温水蒸气，先进入水换热器(28)中放热，再分别进入氢气换热器(20)和氧气换热器(22)中放热，最终作为供热热水排出。
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