本發(fā)明涉及一種天然氣壓差發(fā)電電解水制氫系統(tǒng)與方法，屬于堿性電解水制氫。

背景技術(shù)：

1、高壓天然氣通過(guò)遠(yuǎn)距離輸送到用戶(hù)端時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行降壓處理以適應(yīng)用戶(hù)端需求，利用傳統(tǒng)調(diào)壓閥降壓的方式會(huì)造成大量壓力能資源浪費(fèi)，利用膨脹機(jī)對(duì)高壓天然氣降壓過(guò)程中蘊(yùn)含的壓力能加以有效回收，能提高能源利用率。但是壓力能發(fā)電具有典型的波動(dòng)性、隨機(jī)性與分散性，電能質(zhì)量未滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，存在消納困難的問(wèn)題。

2、氫能源是一種二次能源，具有可再生、應(yīng)用廣泛、清潔高效、來(lái)源多樣和熱值高等特點(diǎn)，近年來(lái)已成為能源領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。全球氫氣生產(chǎn)量96％來(lái)自于化石燃料，大部分采用天然氣和煤油制氫技術(shù)；電解水制氫產(chǎn)量?jī)H占4％，且制氫成本較高，大約是化石燃料制氫的兩倍，目前利用可再生能源電解水制氫已成為新熱點(diǎn)。由于天然氣壓力能所發(fā)電能存在消納困難的問(wèn)題，而電解水制氫技術(shù)在消納間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性較大的風(fēng)電、光伏和壓力能等可再生能源電力方面又具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展壓力能發(fā)電制氫技術(shù)有利于解決壓力能就地消納問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)壓力能發(fā)電技術(shù)的規(guī)?；c多途徑高效利用。壓力能發(fā)電與電解水制氫技術(shù)耦合，既可以將氫氣作為清潔燃?xì)鈱?duì)用戶(hù)供氣，實(shí)現(xiàn)電力到燃?xì)獾幕パa(bǔ)轉(zhuǎn)換；還可以將氫氣大量存儲(chǔ)起來(lái)，作為工業(yè)原料使用。因此，大力發(fā)展可再生能源電解水制氫及消納儲(chǔ)存，可視為可再生能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域最具前景的長(zhǎng)周期、大規(guī)模的儲(chǔ)能手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣壓差發(fā)電電解水制氫系統(tǒng)及方法，能夠解決高壓天然氣降壓過(guò)程產(chǎn)生的壓力能消納困難，以及利用傳統(tǒng)電能電解水制氫將產(chǎn)生巨大能耗的問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種天然氣壓差發(fā)電電解水制氫系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括：天然氣氣源、第一換熱器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、ac/dc變流器、堿性電解槽；

3、其中，所述天然氣氣源、第一換熱器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、ac/dc變流器、堿性電解槽依次連接。

4、在上述系統(tǒng)中，第一換熱器用于預(yù)熱天然氣；膨脹機(jī)用于對(duì)高壓天然氣進(jìn)行降壓處理以及帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電；ac/dc變流器用于將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?；堿性電解槽用于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。

5、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括第二換熱器，該第二換熱器與所述膨脹機(jī)的天然氣出口連接。降壓后的天然氣溫度急劇下降，容易造成冰堵現(xiàn)象，通過(guò)第二換熱器對(duì)其進(jìn)行加熱可以避免上述問(wèn)題。

6、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括蓄電池儲(chǔ)能單元；所述ac/dc變流器設(shè)有兩條支路，一條支路直接連接至所述堿性電解槽，另一條支路先連接至所述蓄電池儲(chǔ)能單元，再連接至所述堿性電解槽。蓄電池儲(chǔ)能單元用于存儲(chǔ)過(guò)剩的電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能不足時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能單元可直接為堿性電解槽進(jìn)行供電。

7、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括均壓器，該均壓器包括氫氣氣室和氧氣氣室；所述氫氣氣室和氧氣氣室分別與所述堿性電解槽的氫氣出口和氧氣出口連接。

8、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括氫側(cè)氣液分離器和氧側(cè)氣液分離器；所述氫側(cè)氣液分離器和氧側(cè)氣液分離器分別與所述氫氣氣室和氧氣氣室連接。氫側(cè)氣液分離器用于將氫氣和電解液分開(kāi)，氧側(cè)氣液分離器用于將氧氣和電解液分開(kāi)。

9、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括氫氣儲(chǔ)存罐和氧氣儲(chǔ)存罐；所述氫氣儲(chǔ)存罐和氧氣儲(chǔ)存罐分別與所述氫側(cè)氣液分離器和氧側(cè)氣液分離器連接。

10、本發(fā)明還提供了一種天然氣壓差發(fā)電電解水制氫方法，其是采用上述天然氣壓差發(fā)電電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行的；該方法包括：

11、將所述天然氣氣源中的天然氣輸入所述第一換熱器進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入所述膨脹機(jī)進(jìn)行降壓并帶動(dòng)所述發(fā)電機(jī)發(fā)電，所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電由所述ac/dc變流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，輸入所述堿性電解槽進(jìn)行電解制氫。

12、在上述方法中，優(yōu)選地，對(duì)于該系統(tǒng)而言，高壓天然氣膨脹降壓過(guò)程中產(chǎn)生的電能可根據(jù)熱力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行分析，從熱力學(xué)角度看，天然氣管網(wǎng)可看作一個(gè)開(kāi)口系統(tǒng)，利用分析法可計(jì)算天然氣降壓過(guò)程產(chǎn)生的壓力能，即所述天然氣在所述膨脹機(jī)中降壓所產(chǎn)生的壓力能為：

13、

14、式(1)中：ex為天然氣比單位為kj/kg；

15、cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱容，單位為kj/(kg·k)；

16、t1為膨脹機(jī)入口天然氣溫度，單位為k；

17、t2為膨脹機(jī)出口天然氣溫度，單位為k；

18、r為摩爾氣體常數(shù)，單位為kj/(kmol·k)；

19、m為天然氣的摩爾質(zhì)量，單位為kg/kmol；

20、pj,t為膨脹機(jī)入口天然氣壓力，該壓力為絕對(duì)壓力，單位為mpa；

21、p1為膨脹機(jī)出口天然氣壓力，該壓力為絕對(duì)壓力，單位為mpa；

22、r為天然氣的摩爾氣體常數(shù)，單位為kj/(kmol·k)，其計(jì)算公式為：

23、

24、式(2)中：ωi為天然氣中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

25、rgi為天然氣中各組分的氣體常數(shù)。

26、在上述方法中，優(yōu)選地，通過(guò)分析法，天然氣降壓過(guò)程產(chǎn)生的壓力能理論上能轉(zhuǎn)化的電功率，即所述壓力能理論上能轉(zhuǎn)化的電功率為：

27、

28、式(3)中：pt為天然氣降壓過(guò)程中壓力能理論發(fā)電功率，單位為kw；

29、ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣密度，單位為kg/m3；

30、qt為調(diào)壓站天然氣流量，單位為m3/h。

31、在上述方法中，由于受壓差發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)備效率的影響，實(shí)際的發(fā)電功率和理論功率會(huì)有所不同，優(yōu)選地，所述壓力能的實(shí)際發(fā)電功率為：

32、

33、式(4)中：pr為壓力能實(shí)際發(fā)電功率，單位為kw；

34、ηe為壓力能發(fā)電過(guò)程的效率。

35、在上述方法中，效率為可回收對(duì)應(yīng)的理論發(fā)電功率與實(shí)際發(fā)電功率的比值，通過(guò)以下公式確定：

36、

37、式中：

38、ηe為效率；

39、pr0為實(shí)際發(fā)電功率，單位為kw；

40、pt0為時(shí)刻發(fā)電功率，單位為kw。

41、在上述方法中，優(yōu)選地，所述膨脹機(jī)中降壓之后的天然氣輸入所述第二換熱器進(jìn)行加熱處理，然后輸出低壓天然氣。

42、在上述方法中，優(yōu)選地，所述堿性電解槽進(jìn)行電解制氫產(chǎn)生的氫氣混合液進(jìn)入所述氫側(cè)氣液分離器進(jìn)行氫氣與電解液分離，分離后的氫氣進(jìn)入所述氫氣儲(chǔ)存罐進(jìn)行儲(chǔ)存；

43、所述堿性電解槽進(jìn)行電解制氫產(chǎn)生的氧氣混合液進(jìn)入所述氧側(cè)氣液分離器進(jìn)行氧氣與電解液分離，分離后的氧氣進(jìn)入所述氧氣儲(chǔ)存罐進(jìn)行儲(chǔ)存。

44、在該方法進(jìn)行的過(guò)程中，在電解質(zhì)和直流電的作用下，電解液在電解槽里被電解，陰極析出h2，陽(yáng)極析出o2。在進(jìn)行電解水時(shí)反應(yīng)式如下所示。

45、陰極反應(yīng)：4h2o+4e＝2h2↑+4oh-?????????(5)

46、陽(yáng)極反應(yīng)：4oh-＝2h2o+o2↑+4e??????(6)

47、電池總反應(yīng)：2h2o＝2h2↑+o2↑???????(7)

48、通電以后，直流電將電解液中的水電解成h2和o2，產(chǎn)生的氫氣混合液與氧氣混合液將流向氫側(cè)氣液分離器與氧側(cè)氣液分離器進(jìn)行處理，處理后的氫氣與氧氣將輸送到存儲(chǔ)罐中進(jìn)行保存。

49、本發(fā)明的制氫系統(tǒng)和方法采用天然氣壓差發(fā)電電解水制氫，不僅充分消納了天然氣壓力能，提高了能源利用率，還解決了傳統(tǒng)電能電解水制氫能耗較大的問(wèn)題。同時(shí)該系統(tǒng)可以加入蓄電池儲(chǔ)能單元，緩解天然氣壓力能發(fā)電電能過(guò)剩與不足的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)氣-電-氫多能互補(bǔ)利用，是一種環(huán)保、低碳工藝方案。