一种氢-氧-水蒸气热电循环系统及工作方法

1.本发明创造属于清洁能源发电领域，尤其是涉及一种氢-氧-水蒸气热电循环系统及工作方法。


背景技术：

2.氢能具有零碳属性，大规模使用氢能可以使能源系统高效实现零碳排放。目前，燃用氢气的燃气轮机联合循环系统虽然可以实现零碳排放，但是由于利用空气作为工质，很难实现氮氧化物零排放，对生态环境还会持续产生影响。
3.水是氢氧化学反应的唯一产物，利用水蒸气作为工质，可以实现动力循环。但是水蒸气产生过程较慢，需要一定热源，这对于利用水蒸气作为工质的热力循环系统，在启动时需要额外的热源或者水蒸气源，严重地影响了热力循环系统的启动特性。
4.因此需要提供一种全新的热电循环系统，来解决上述问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，以解决系统启动时需要外部热源和水蒸气源的问题。
6.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
7.一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，包括启动热源子系统和水蒸气生成循环子系统；所述启动热源子系统包括高压压气机、氢-空气燃烧室、氢气储罐、高压透平和发电/起动机一，高压压气机、高压透平和发电/起动机一同轴布置；水蒸气生成循环子系统包括低压压气机、氢-氧-水蒸气燃烧室、氢气储罐、氧气储罐、低压透平、发电/起动机二、换热器和蓄水池，发电/起动机二、低压透平和低压压气机同轴布置；
8.高压压气机的空气进口与外界连通，高压压气机的出气口分别与氢-空气燃烧室的进气口和氢-氧-水蒸气燃烧室的其中一个进气口连通，氢-空气燃烧室的出口和氢-氧-水蒸气燃烧室的其中一个出口分别通过管道与高压透平的进气口连通，氢-氧-水蒸气燃烧室的另一出口通过管道与低压透平的其中一个进气口连通；
9.高压透平的出气口通过管道分别与换热器的燃气进口及低压透平的另一个进气口连通，低压透平的出气口与换热器的液态水进口连通，换热器的水蒸汽出口与低压压气机的进气口连通，低压压气机的出口通过管道分别与高压压气机的蒸汽进口和氢-氧-水蒸气燃烧室的另一个进气口连通；换热器的另一出口与外界连通；
10.氢气储罐与氢-空气燃烧室的氢气进口连通，氢气储罐与氢-氧-水蒸气燃烧室的氢气进口连通，氧气储罐与氢-氧-水蒸气燃烧室的氧气进口连通；
11.蓄水池的出水口通过动力件分别与连通换热器的燃气进口的管道和连通换热器的液态水进口的管道连通，蓄水池的进水口与冷凝器的出水口连通，冷凝器的进口与连通换热器的水蒸汽出口的管道连通；
12.在低压压气机的出口与高压压气机的蒸汽进口连通的管道和与氢-氧-水蒸气燃
烧室的另一个进口连通的管道上分别设有低压压气机截止阀一和低压压气机截止阀二，在高压压气机的出口与氢-空气燃烧室连通的管道及与氢-氧-水蒸气燃烧室的其中一个进口连通的管道上分别设有高压压气机截止阀二和高压压气机截止阀一，在氢-氧-水蒸气燃烧室与低压透平连通的管道上设有低压透平截止阀二，在氢-氧-水蒸气燃烧室与高压透平连通的管道上设有高压透平截止阀一，在氢-空气燃烧室与高压透平连通的管道上设有高压透平截止阀二，在与低压透平的另一个进气口连通的管道上设有低压透平截止阀一，在与换热器的燃气进口连通的管道上设有燃气进口截止阀，在蓄水池的出水口与连通换热器的燃气进口的管道之间连通的管道上设有水进口截止阀二，在蓄水池的出水口与连通换热器的液态水进口的管道之间连通的管道上设有水进口截止阀一。
13.更进一步的，所述换热器的另一出口分别与水管道和气管道连通，在水管道上设有水出口截止阀，在气管道上设有燃气出口截止阀，水管道输出供热热水，气管道连通大气。
14.更进一步的，所述冷凝器的进口通过进口管道与连通换热器的水蒸汽出口的管道连通，在冷凝器的进口管道上设有冷凝水蒸气截止阀，冷凝器的出口通过冷凝水管道与蓄水池的进口连通。
15.更进一步的，所述高压压气机与外界连通的管道上设有空气进口截止阀，空气进口截止阀开启时，空气自管道进入高压压气机的空气进口。
16.更进一步的，低压透平截止阀一靠近低压透平的另一进气口布置，燃气进口截止阀靠近换热器的燃气进口布置。
17.更进一步的，蓄水池的出水口与连通换热器的燃气进口的管道的连通处位于燃气进口截止阀和换热器的燃气进口之间。
18.更进一步的，动力件为水泵。
19.更进一步的，在蓄水池的出水口与连通换热器的燃气进口的管道连通的管道内流动的冷水为供热冷水，在蓄水池的出水口与连通换热器的液态水进口的管道连通的管道内流动的冷水为供水蒸气冷水。
20.更进一步的，高压压气机、高压透平和发电/起动机一均布置在转动轴一上，发电/起动机二、低压透平和低压压气机均布置在转动轴二上。
21.本发明创造的另一目的在于提出一种氢-氧-水蒸气热电循环系统的工作方法，具体包括：
22.启动阶段：
23.低压压气机截止阀一关闭、低压压气机截止阀二开启、高压压气机截止阀一关闭、高压压气机截止阀二开启、高压透平截止阀一关闭、高压透平截止阀二开启、低压透平截止阀一关闭、低压透平截止阀二开启、燃气进口截止阀开启、燃气出口截止阀开启、水出口截止阀关闭、水进口截止阀一开启、水进口截止阀二关闭、空气进口截止阀开启、冷凝水蒸气截止阀关闭；
24.启动热源子系统工作，发电/起动机一被通电，作为起动机一工作，通过转动轴一带动高压压气机和高压透平转动，高压压气机转动，吸入空气，并把空气加压，加压后的空气进入氢-空气燃烧室，并与来自氢气储罐的氢气燃烧，生成高温高压的燃气，燃气进入高压透平，经过膨胀做功，燃气压力和温度降低，然后燃气进入换热器，并最终排入大气；随着
转动轴一转速增加，空气和氢气的流量一并增加；
25.水蒸气生成循环子系统工作，发电/起动机二被通电，作为起动机二工作，通过转动轴二带动低压压气机和低压透平转动，经水泵加压后，大量的水进入换热器，并被燃气加热成低温低压的水蒸气；低温低压的水蒸气再进入低压压气机，经低压压气机加压后，水蒸气压力增高，并进入氢-氧-水蒸气燃烧室，与来自氢气储罐的氢气和来自氧气储罐的氧气发生化学反应，生成高温水蒸气；高温水蒸气进入低压透平，经膨胀做功后，水蒸气温度和压力降低；水蒸气再与水混合降温，变为液态水，再进入换热器，经燃气加热后变成水蒸气；随着转动轴二转速增加，水蒸气、氢、氧和水的流量一并增加；
26.额定工况阶段：
27.当低压压气机进口的水蒸气流量达到热电循环系统额定工况下水蒸气流量的30％-50％时，热电循环系统启动结束，开始向额定工况转换；此时，低压压气机截止阀一开启、低压压气机截止阀二关闭、高压压气机截止阀一开启、高压压气机截止阀二关闭、高压透平截止阀一开启、高压透平截止阀二关闭、低压透平截止阀一开启、低压透平截止阀二关闭、燃气进口截止阀关闭、燃气出口截止阀关闭、水出口截止阀开启、水进口截止阀一关闭、水进口截止阀二开启、空气进口截止阀关闭、冷凝水蒸气截止阀关闭；
28.经水泵加压后，供热冷水进入换热器，对低压透平出口的水蒸气降温，生成供热热水，水蒸气温度降低为低压压气机进口水蒸气设计温度；水蒸气经低压压气机和高压压气机加压后，进入氢-氧-水蒸气燃烧室，与来自氢气储罐的氢气和来自氧气储罐的氧气发生化学反应，生成高温高压水蒸气，再经高压透平和低压透平膨胀做功，水蒸气温度和压力降低；随着转动轴一和转动轴二的转速增加，水蒸气、氢、氧和水的流量一并增加；当低压透平出口的水蒸气流量达到热电循环系统额定工况水蒸气流量时，冷凝水蒸气截止阀开启，冷凝水蒸气经过冷凝器变成冷凝水，进入蓄水池；当高压透平输出功大于高压压气机耗功时，起动机一转变为发电机，输出电功；当低压透平输出功大于低压压气机耗功时，起动机二转变为发电机，输出电功。
29.与现有技术相比，本发明创造所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统的有益效果是：
30.(1)本发明创造所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，通过能源梯级利用原理，利用启动热源子系统自身产生的高温热源，加速水蒸气的生成，使水蒸气流量能在短时间内达到启动要求。
31.(2)本发明创造所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，其部件可运行多种工质，能够实现多种功能，在热电循环系统启动成功后，启动热源子系统转入热电循环系统，实现氢-氧-水蒸气条件下的热电循环系统。
32.(3)本发明创造所述的氢-氧-水蒸气热电循环系统，具有高度集成化设计，工况安全稳定运行范围宽，解决了系统启动时需要外部热源和水蒸气源的问题，启动时间短，运行操作灵活简单。
33.(4)本发明创造所述的氢-氧-水蒸气热电循环系统，在启动成功后可实现了零碳和零氮氧化物排放。
34.(5)本发明创造所述的氢-氧-水蒸气热电循环系统，热力循环系统的启动特性好。
附图说明
35.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
36.图1为本发明创造实施例所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统的结构示意图；
37.图2为本发明创造实施例所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统启动时流程图；
38.图3为本发明创造实施例所述的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统额定工况时流程图。
39.附图标记说明：
40.1、低压压气机；2、高压压气机；3、氢-空气燃烧室；4、氢气储罐；5、氧气储罐；6、氢-氧-水蒸气燃烧室；7、高压透平；8、发电/起动机一；9、低压透平；10、发电/起动机二；11、水泵；12、蓄水池；13、换热器；14、转动轴二；15、转动轴一；16、低压压气机截止阀一；17、低压压气机截止阀二；18、高压压气机截止阀一；19、高压压气机截止阀二；20、高压透平截止阀二；21、高压透平截止阀一；22、低压透平截止阀二；23、低压透平截止阀一；24、燃气进口截止阀；25、燃气出口截止阀；26、水出口截止阀；27、水进口截止阀一；28、水进口截止阀二；29、空气进口截止阀；30、供热冷水；31、供热热水；32、大气；33、空气；34、供水蒸气冷水；35、冷凝器；36、冷凝水蒸气截止阀；37、冷凝水。
具体实施方式
41.下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，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，都属于本发明创造保护的范围。
42.在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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创造中的具体含义。
44.此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
45.如图1所示，一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，包括启动热源子系统和水蒸气生成循环子系统；所述启动热源子系统包括高压压气机2、氢-空气燃烧室3、氢气储罐4、高压透平7和发电/起动机一8，高压压气机2、高压透平7和发电/起动机一8同轴布置；水蒸气生成循环子系统包括低压压气机1、氢-氧-水蒸气燃烧室6、氢气储罐4、氧气储罐5、低压透平9、
发电/起动机二10、换热器13和蓄水池12，发电/起动机二10、低压透平9和低压压气机1同轴布置；
46.高压压气机2的空气进口与外界连通，高压压气机2的出气口分别与氢-空气燃烧室3的进气口和氢-氧-水蒸气燃烧室6的其中一个进气口连通，氢-空气燃烧室3的出口和氢-氧-水蒸气燃烧室6的其中一个出口分别通过管道与高压透平7的进气口连通，氢-氧-水蒸气燃烧室6的另一出口通过管道与低压透平9的其中一个进气口连通；
47.高压透平7的出气口通过管道分别与换热器13的燃气进口及低压透平9的另一个进气口连通，低压透平9的出气口与换热器13的液态水进口连通，换热器13的水蒸汽出口与低压压气机1的进气口连通，低压压气机1的出口通过管道分别与高压压气机2的蒸汽进口和氢-氧-水蒸气燃烧室6的另一个进气口连通；换热器13的另一出口与外界连通；
48.氢气储罐4与氢-空气燃烧室3的氢气进口连通，氢气储罐4与氢-氧-水蒸气燃烧室6的氢气进口连通，氧气储罐5与氢-氧-水蒸气燃烧室6的氧气进口连通；
49.蓄水池12的出水口通过动力件分别与连通换热器13的燃气进口的管道和连通换热器13的液态水进口的管道连通，动力件为水泵11；蓄水池12的进水口与冷凝器35的出水口连通，冷凝器35的进口与连通换热器13的水蒸汽出口的管道连通；
50.在低压压气机1的出口与高压压气机2的蒸汽进口连通的管道和与氢-氧-水蒸气燃烧室6的另一个进口连通的管道上分别设有低压压气机截止阀一16和低压压气机截止阀二17，在高压压气机2的出口与氢-空气燃烧室3连通的管道及与氢-氧-水蒸气燃烧室6的其中一个进口连通的管道上分别设有高压压气机截止阀二19和高压压气机截止阀一18，在氢-氧-水蒸气燃烧室6与低压透平9连通的管道上设有低压透平截止阀二22，在氢-氧-水蒸气燃烧室6与高压透平7连通的管道上设有高压透平截止阀一21，在氢-空气燃烧室3与高压透平7连通的管道上设有高压透平截止阀二20，在与低压透平9的另一个进气口连通的管道上设有低压透平截止阀一23，在与换热器13的燃气进口连通的管道上设有燃气进口截止阀24，在蓄水池12的出水口与连通换热器13的燃气进口的管道之间连通的管道上设有水进口截止阀二28，在蓄水池12的出水口与连通换热器13的液态水进口的管道之间连通的管道上设有水进口截止阀一27。
51.本技术的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，通过能源梯级利用原理，利用启动热源子系统自身产生的高温热源，加速水蒸气的生成，使水蒸气流量能在短时间内达到启动要求。
52.当低压压气机1进口的水蒸气流量达到热电循环系统额定工况下水蒸气流量的30％时，热电循环系统启动结束，开始向额定工况转换。
53.所述换热器13的另一出口分别与水管道和气管道连通，在水管道上设有水出口截止阀26，在气管道上设有燃气出口截止阀25，水管道输出供热热水31，气管道连通大气32。
54.所述冷凝器35的进口通过进口管道与连通换热器13的水蒸汽出口的管道连通，在冷凝器35的进口管道上设有冷凝水蒸气截止阀36，冷凝器35的出口通过冷凝水管道与蓄水池12的进口连通。
55.所述高压压气机2与外界连通的管道上设有空气进口截止阀29，空气进口截止阀29开启时，空气33自管道进入高压压气机2的空气进口。
56.低压透平截止阀一23靠近低压透平9的另一进气口布置，燃气进口截止阀24靠近
换热器13的燃气进口布置。
57.蓄水池12的出水口与连通换热器13的燃气进口的管道的连通处位于燃气进口截止阀24和换热器13的燃气进口之间。
58.在蓄水池12的出水口与连通换热器13的燃气进口的管道连通的管道内流动的冷水为供热冷水30，在蓄水池12的出水口与连通换热器13的液态水进口的管道连通的管道内流动的冷水为供水蒸气冷水34。
59.高压压气机2、高压透平7和发电/起动机一8均布置在转动轴一15上，发电/起动机二10、低压透平9和低压压气机1均布置在转动轴二14上。
60.本技术的一种氢-氧-水蒸气热电循环系统，可应用在氢能发电和供热领域。
61.本技术另提供一种氢-氧-水蒸气热电循环系统的工作方法，具体包括
62.如图2所示，启动阶段：
63.低压压气机截止阀一16关闭、低压压气机截止阀二17开启、高压压气机截止阀一18关闭、高压压气机截止阀二19开启、高压透平截止阀一21关闭、高压透平截止阀二20开启、低压透平截止阀一23关闭、低压透平截止阀二22开启、燃气进口截止阀24开启、燃气出口截止阀25开启、水出口截止阀26关闭、水进口截止阀一27开启、水进口截止阀二28关闭、空气进口截止阀29开启、冷凝水蒸气截止阀36关闭；
64.启动热源子系统工作，发电/起动机一8被通电，作为起动机一工作，通过转动轴一15带动高压压气机2和高压透平7转动，高压压气机2转动，吸入空气33，并把空气33加压，加压后的空气33进入氢-空气燃烧室3，并与来自氢气储罐4的氢气燃烧，生成高温高压的燃气，燃气进入高压透平7，经过膨胀做功，燃气压力和温度降低，然后燃气进入换热器13，并最终排入大气32；随着转动轴一15转速增加，空气33和氢气的流量一并增加；
65.水蒸气生成循环子系统工作，发电/起动机二10被通电，作为起动机二工作，通过转动轴二14带动低压压气机1和低压透平9转动，经水泵11加压后，大量的水进入换热器13，并被燃气加热成低温低压的水蒸气；低温低压的水蒸气再进入低压压气机1，经低压压气机1加压后，水蒸气压力增高，并进入氢-氧-水蒸气燃烧室6，与来自氢气储罐4的氢气和来自氧气储罐5的氧气发生化学反应，生成高温水蒸气；高温水蒸气进入低压透平9，经膨胀做功后，水蒸气温度和压力降低；水蒸气再与水混合降温，变为液态水，再进入换热器13，经燃气加热后变成水蒸气；随着转动轴二14转速增加，水蒸气、氢、氧和水的流量一并增加；
66.如图3所示，额定工况阶段：
67.当低压压气机1进口的水蒸气流量达到热电循环系统额定工况下水蒸气流量的30％-50％时，热电循环系统启动结束，开始向额定工况转换；此时，低压压气机截止阀一16开启、低压压气机截止阀二17关闭、高压压气机截止阀一18开启、高压压气机截止阀二19关闭、高压透平截止阀一21开启、高压透平截止阀二20关闭、低压透平截止阀一23开启、低压透平截止阀二22关闭、燃气进口截止阀24关闭、燃气出口截止阀25关闭、水出口截止阀26开启、水进口截止阀一27关闭、水进口截止阀二28开启、空气进口截止阀29关闭、冷凝水蒸气截止阀36关闭；
68.经水泵11加压后，供热冷水30进入换热器13，对低压透平9出口的水蒸气降温，生成供热热水31，水蒸气温度降低为低压压气机1进口水蒸气设计温度；水蒸气经低压压气机1和高压压气机2加压后，进入氢-氧-水蒸气燃烧室6，与来自氢气储罐4的氢气和来自氧气
储罐5的氧气发生化学反应，生成高温高压水蒸气，再经高压透平7和低压透平9膨胀做功，水蒸气温度和压力降低；随着转动轴一15和转动轴二14的转速增加，水蒸气、氢、氧和水的流量一并增加；当低压透平9出口的水蒸气流量达到热电循环系统额定工况水蒸气流量时，冷凝水蒸气截止阀36开启，冷凝水蒸气经过冷凝器35变成冷凝水，进入蓄水池12；当高压透平7输出功大于高压压气机2耗功时，起动机一转变为发电机，输出电功；当低压透平9输出功大于低压压气机1耗功时，起动机二转变为发电机，输出电功。
69.额定工况下，热电循环系统参数如下：低压压气机进口温度为110℃，压力为102kpa，水蒸气流量为100kg/s；低压压气机出口压力为3000kpa；高压压气机出口压力为5000kpa；氢气流量为2.27kg/s；氧气流量为18.16kg/s；燃烧室出口水蒸气温度为1500℃；高压透平出口压力为3500kpa；低压透平出口压力为104kpa；供热热水流量为300kg/s，压力为1600kpa，温度为120℃，简单循环发电效率为32％。
70.以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。