一种基于电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统

技术领域

本发明属于氢燃料电池系统，特别涉及一种基于火电厂低压省煤器和合金储氢技术的氢燃料电池系统，以提高燃料电池系统能效。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭，氢燃料的可再生能源利用率与战略能源多元化优势将日益凸显。而且氢燃料电池系统为零排放发电系统（其生成物只有纯净水），在世界各国愈加重视环境保护，限制污染排放的今天，氢能将是未来发电行业的主流之一。

目前氢燃料电池系统中有些设备需要冷却，如空压机中冷器、氢燃料电池本体等；也有些设备需要加热，如多种供氢装置（如合金储氢技术，需要大量60℃～90℃的热能）、启动供热装置等。而且其冷却和加热的温度梯度很难协调，整个氢燃料电池系统的能效提升尚有很大潜力。

而传统火电厂存在大量烟气余热，一般采用低压省煤器的形式加以利用，其最低介质温度低于50℃，吸收烟气余热后的最高介质温度超过150℃，可与氢燃料电池发电技术形成有效互补。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，基于火电厂低压省煤器和合金储氢技术提高燃料电池系统对能量综合利用，将氢燃料电池系统和传统火电能源完美结合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，包括氢燃料电池系统和低压省煤器系统；所述氢燃料电池系统包括氢气子系统、空气子系统、循环水子系统和发电子系统；所述的氢气子系统包括连接管依次连接的合金储氢罐组、减压阀、过滤器、缓冲罐、电磁阀、减压阀和氢燃料电池和电磁阀，所述氢燃料电池的氢气进出口管道并联连接氢气循环泵；所述的空气子系统包括连接管依次连接的空滤器、空压机、中冷器、增湿器管侧、氢燃料电池、增湿器壳侧、节气门和汽水分离器；所述的循环水子系统包括连接管依次连接的储水箱、循环水泵、节温阀和氢燃料电池，其中氢燃料电池进出口循环水管道并联连接去离子装置，节温阀的超温接口管道连接换热器；所述的发电子系统包括电缆依次连接的氢燃料电池和直流变换器；所述的低压省煤器系统包括锅炉给水子系统和低压省煤器子系统；所述的锅炉给水子系统包括连接管依次连接的凝汽器、给水泵、轴封加热器和多个低压加热器；所述的低压省煤器子系统包括从轴封加热器出口的锅炉给水主路上的分支连接管依次连接的电动调节阀、预热器冷侧、低压省煤器、电动调节阀、预热器热侧、电动调节阀直至返回锅炉给水主路。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，其低压加热器包括连接管依次连接的第一低压加热器、第二低压加热器和第三低压加热器。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，其预热器冷侧进口通过电动调节阀连接第一低压加热器出口的锅炉给水分支连接管。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，其中冷器通过电动调节阀连接管连接轴封加热器，由轴封加热器出口的部分冷凝水冷却。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，其换热器通过电动调节阀连接管连接轴封加热器，由轴封加热器出口的部分冷凝水冷却。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，其合金储氢罐组通过电动调节阀和电动调节阀连接管连接低压省煤器，由低压省煤器出口的部分高温锅炉给水加热。

所述的一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统 ，其预热器利用经过低压省煤器加热后的高温冷凝水对进入低压省煤器之前的低温冷凝水预热，并且设置了预热器旁路，利用旁路上的电动调节阀调节用于预热的高温冷凝水流量，进而调节用于合金储氢罐组加热的冷凝水温度。

本发明的有益效果是：

1，能量综合利用效率高：氢燃料电池系统的发电效率可达60%，剩下约40%的废热一般通过换热器散发到环境中，而本发明可让氢燃料电池发电产生的废热及其辅助装置产生的废热都被火电厂低温凝结水吸收，提高了整个系统的能量利用率；另外，合金储氢罐需要消耗大量热能释放氢气，一般利用氢燃料电池发电产生的余热，但是两者温度范围的匹配性有待进一步提高（一般铁钛系合金储氢罐放氢温度范围60～90℃，温度越高越好；一般质子交换膜氢燃料电池冷却水温度范围50～70℃），铁钛系合金储氢罐和质子交换膜氢燃料电池无法同时达到最优工作状态，而通过低压省煤器利用锅炉尾气余热可提供最适合合金储氢罐放氢的热能，进而提高整个系统的能量利用率。

2，改造量小：首先低压省煤器本身是一种成熟的管束换热器，针对锅炉尾部烟道相当于并联了一级吸收烟气余热的换热器，针对汽轮机冷凝水管路相当于并联了一级加热冷凝水的换热器，其改造量较小；而低压省煤器与氢燃料电池系统之间主要是冷凝水支路的连接，而且是并联结构，其改造量也较小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

各附图标记为：1—合金储氢罐组，2/6—减压阀，3—过滤器，4—缓冲罐，5/9—电磁阀，7—氢燃料电池，8—氢气循环泵，10—空滤器，11—空压机，12—中冷器，13—增湿器，14—节气门，15—汽水分离器，16—储水箱，17—循环水泵，18—节温阀，19—去离子装置，20—换热器，21—直流变换器，22—凝汽器，23—给水泵，24—轴封加热器，25—第一低压加热器，26/31/32/33/34/35/36/37/38/39/40/41/42—电动调节阀，27—第二低压加热器，28—第三低压加热器，29—预热器，30—低压省煤器，43—锅炉尾部烟道。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。

以某台600MW燃煤发电机组为例。参照图1所示，本发明公开了一种基于火电厂低压省煤器余热的氢燃料电池系统，包括氢燃料电池系统和低压省煤器系统。

所述氢燃料电池系统包括氢气子系统、空气子系统、循环水子系统和发电子系统。

所述的氢气子系统包括连接管依次连接的合金储氢罐组1、减压阀2、过滤器3、缓冲罐4、电磁阀5、减压阀6和氢燃料电池7、电磁阀9，所述氢燃料电池7的氢气进出口管道并联连接氢气循环泵8。

所述的空气子系统包括连接管依次连接的空滤器10、空压机11、中冷器12、增湿器13管侧、氢燃料电池7、增湿器13壳侧、节气门14和汽水分离器15。

所述的循环水子系统包括连接管依次连接的储水箱16、循环水泵17、节温阀18和氢燃料电池7，其中氢燃料电池7进出口循环水管道并联连接去离子装置19，节温阀18的超温接口管道连接换热器20；所述的发电子系统包括电缆依次连接的氢燃料电池7和直流变换器21。

所述的低压省煤器系统包括锅炉给水子系统和低压省煤器子系统；所述的锅炉给水子系统包括连接管依次连接的凝汽器22、给水泵23、轴封加热器24和低压加热器；其中低压加热器包括连接管依次连接的第一低压加热器25（#7低压加热器）、第二低压加热器27（#6低压加热器）和第三低压加热器28（#5低压加热器），第一低压加热器25和第二低压加热器27之间连接电动调节阀26，

所述的低压省煤器子系统包括从轴封加热器24出口的锅炉给水主路上的分支连接管依次连接的电动调节阀31、电动调节阀33、预热器29冷侧、低压省煤器30、电动调节阀38、预热器29热侧、电动调节阀39、电动调节阀36、电动调节阀41直至返回锅炉给水主路，低压省煤器30通过锅炉尾部烟道43连接锅炉。

其中连接预热器29冷侧进口的还包括从第一低压加热器25出口锅炉给水分支连接管依次连接的电动调节阀32，电动调节阀38进口和电动调节阀39出口之间还设有电动调节阀40与预热器29并联，低压省煤器30出口返回锅炉给水主管路的还包括与电动调节阀41并联的电动调节阀42。

其中特别注明：本案例机组中的第一低压加热器25实际为第二低压加热器27和第三低压加热器28，两者为一体化设计。

本发明利用火电厂汽轮机凝汽器22出口的低温锅炉给水吸收氢燃料电池系统空压机11压缩空气产生的热量和氢燃料电池本体发电产生的余热，同时利用经过低温省煤器加热后的高温锅炉给水为合金储氢罐组1提供反应热，以此提高氢燃料电池系统能效。

所述合金储氢罐组1需要被加热到60～90℃，而用于加热它的冷凝水经过低压省煤器30加热后温度范围约80～150℃，满足要求。所述中冷器12、换热器20需要冷却介质，温度要求不超过40℃，而第一低压加热器25入口凝结水温度为32℃（以下涉及到的各个低压加热器凝结水温度均为THA100%工况下），满足要求。

所述的中冷器12通过电动调节阀35和电动调节阀31依次连接管连接轴封加热器24，由轴封加热器24出口的部分冷凝水冷却。所述的换热器20通过电动调节阀34和电动调节阀31依次连接管连接轴封加热器24，由轴封加热器24出口的部分冷凝水冷却。所述的合金储氢罐组1通过电动调节阀37和电动调节阀40连接管连接低压省煤器30，由低压省煤器30出口的部分高温锅炉给水加热。所述的预热器29利用经过低压省煤器30加热后的高温冷凝水对进入低压省煤器30之前的低温冷凝水预热，并且设置了预热器29旁路，利用旁路上的电动调节阀40调节用于预热的高温冷凝水流量，进而调节用于合金储氢罐组1加热的冷凝水温度。

凝结水总流量约1280t/h，即使分水系数（用于低压省煤器支路的冷凝水占总冷凝水的比例）为0.1，其可用于低压省煤器30的冷凝水也高达128t/h，可满足MW级氢燃料电池系统的冷却。

本发明通过电动调节阀31和电动调节阀32控制第一低压加热器25进出口用于低压省煤器的冷凝水流量和温度，其中第三低压加热器28进出口冷凝水温度分别为约32℃和81℃；经过低压省煤器30加热后冷凝水温度最高可达150℃，然后通过预热器29加热进口冷凝水降温，并且通过电动调节阀38和电动调节阀40进一步调节冷凝水温度，直到满足合金储氢罐组1需要的温度90℃左右。最后，凝结水回水再根据温度选择接入第二低压加热器27进口还是出口，其中第二低压加热器27进出口冷凝水温度分别为81℃和99℃。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。