一种核电站电解制氢合成氨系统的制作方法

本发明涉及核电站调峰和合成氨技术领域，具体涉及一种核电站电解制氢合成氨系统。

背景技术：

现阶段，我国电力系统中电能产量容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰电源稀缺，电网调峰与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电、水电及核电等新能源的能力不足。

核电方面，全球的核电增长乏力是不争的事实，新建核反应堆的速度已经比不上核电站关闭的速度。在这样的惨淡大局中，中国核电的相对强势格外扎眼：国际能源署最新发布的《世界能源展望2017》认为，全球核电发展的前景依然暗淡，不过中国会继续引领核电生产的渐进发展。《展望》甚至预测，到2030年时中国会超越美国，成为最大的核电生产国。但最近两年，2016和2017年，国家能源局已经连续两年没有批准新的核电项目。2017年，中国仅有两座此前已经在建的核电机组并网发电。而且，2015年全国核电平均利用小时数同比下降437小时，降幅达到5.6％，相当于少发125亿度电，有的核电机组平均利用小时数已经低至5000小时。

因此，如何提高核电站的调峰能力，成为未来核电发展的一个重要指标。

电解水制氢是一种高效、清洁的制氢技术，其制氢工艺简单，产品纯度高，氢气、氧气纯度一般可达99.9％，是最有潜力的大规模制氢技术。特别是随着目前清洁能源发电的日益增长，氢气将成为电能存储的理想载体。通过将清洁能源发电经过电解水制氢技术，将清洁能源产生的电能转化为氢能进行储存，并且根据实际需要，还可通过后续化工过程将氢能转化为甲烷、甲醇及其他液态燃料等。

氨是人类非常重要的一种化工产品，随着社会的发展，工业文明的进步，氨合成的产品对于人类的贡献显而易见。氨作为一种运输方便的储氢燃料，被很多研究单位和能源公司所看好。氨在零下20度就可以液化，可以方便低成本地运输；另外氨还是一种燃料和制冷工质，既可以用于燃烧，也可以用于制冷行业。

因此，如果能够利用核电站富余的调峰电力，通过电解制氢和合成氨工艺，将核电站转型成为一种除了生产电力之外的，可生产多种气体及化工产品的核电化工厂，必将极大的增强现有核电站的盈利和生存能力。

技术实现要素：

针对现在出现的越来越多的弃核电趋势，本发明旨在提供一种核电站电解制氢合成氨系统，利用核电站调峰调频电力，在核电厂内实现电解制氢、空分制氮氧，然后利用制取的氮和氢通过合成氨工艺生产氨，使得核电厂转变为多种气体和燃料产品的核电化工厂。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种核电站电解制氢合成氨系统，包括核电站、电网、电网调度中心、电解制氢装置和合成氨设备；所述电解制氢装置的电源输入端与核电站的发电输出端电性连接；所述电解制氢装置的氢气输出端连接于所述合成氨设备的氢气入口，所述合成氨设备的氮气入口连接于氮气源；所述合成氨设备的氨气输出端连通至液氨储罐；所述核电站还包括电厂集控中心，所述电厂集控中心用于接收核电站发送的调峰负荷指令，所述电网与核电站的发电输出端电性连接，用于接收核电站发出的电能。

较佳的，所述氮气源包括空分装置，所述空分装置的电源输入端连接于所述核电站的发电输出端，以获取核电站的调峰结余电量为电源，空分装置氮气输出端则连接于合成氨设备的氮气入口。

较佳的，所述电解制氢装置的氧气输出端连通于一储氧罐；所述电解制氢装置的氢气输出端还通过超低温液化装置或高压气体压缩装置连接到储氢罐，用于将未输入至合成氨设备中的氢气以超低温液态氢或高压压缩气态氢的形态输出至储氢罐。

较佳的，所述电解制氢装置的氢气输出端或储氢罐连通于对外氢输送管道，通过对外氢输送管道对外直接输送氢气。

较佳的，所述空分装置的氧气输出端连通于一储氧罐，并且所述空分装置的氮气输出端还连通于一氮气存储罐，用于将未输入至合成氨设备中的氮气输出至氮气存储罐。

较佳的，所述电解制氢装置采用碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置或高温固体氧化物中的任意一种电解制氢装置。

较佳的，所述电解制氢装置的进水口通过补水泵连通核电站的化学水处理车间，核电站的化学水处理车间通过纯水制备装置连通于所述补水泵。

较佳的，所述核电站的发电输出端为发电机的输出端，所述发电机的输出端通过第一逆变器电性连接于所述电解制氢装置的电源输入端，所述核电站的发电输出端还通过第二逆变器电性连接于空分装置的电源输入端。

一种调峰调频核电化工厂，所述调峰调频核电化工厂具有前述的核电站电解制氢合成氨系统，其生产的产品为电力、热力、氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种，所述氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种通过气体提纯装置分别连接相应的气体储罐，实现氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的低温液化或高压存储。

较佳的，所述氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的生产装置通过气体提纯装置连接相应的高压或低温液化钢瓶灌装设备，通过钢瓶灌装对外销售氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的气体产品。

本发明的有益效果在于：通过上述核电站电解制氢合成氨系统，可以充分利用调峰调频电力，在核电厂内实现制氢、制氮，然后利用制取的氮气、氢气通过合成生产氨，使得核电站转变为多种气体和燃料产品的电化工工厂，对外销售、输出氢气、氮气、氨、氧气等多种气体，特别是氢和氨作为零碳排放的燃料，必然在未来有广阔的应用前景。

本发明所提供的核电站电解制氢合成氨系统通过获取用电低谷的电能，将用电量低谷阶段的电能转化为氢能，再将氢能与氮气进行合成氨工艺，从而将氢能作用转化为易于运输和储存的氨燃料的化学能，不仅变相地实现了电能的存储，而且使得传统核电厂转型成为生产多种气体产品的能源工厂。

另外，本发明提供的核电站电解制氢合成氨系统可直接消耗核电厂的调峰结余电量，间接利用了弃风弃光弃水弃核电力，缓解了电网平衡和峰谷差问题，延长了核电厂设备的使用寿命，实现了电能的变相储存，实现了能源的稳定储存和有效利用。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型实施例三的结构示意图；

图4为本实用新型实施例四的结构示意图；

图5为本实用新型实施例五的结构示意图；

图6为本实用新型实施例六的结构示意图；

图7为本实用新型实施例七的结构示意图；

图8为本实用新型实施例八的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

实施例一

如图1所示，一种核电站电解制氢合成氨系统，包括核电站1、电网2、电网调度中心3、电解制氢装置4和合成氨设备6；所述电解制氢装置4的电源输入端与核电站1的发电输出端电性连接；所述电解制氢装置4的氢气输出端连接于所述合成氨设备6的氢气入口，所述合成氨设备6的氮气入口连接于氮气源5；所述合成氨设备6的氨气输出端连通至液氨储罐7；所述核电站1还包括电厂集控中心11，所述电厂集控中心11用于接收核电站1发送的调峰负荷指令，所述电网2与核电站1的发电输出端电性连接，用于接收核电站1发出的电能。

上述核电站电解制氢合成氨系统的工作原理在于：通常地，电网调度中心根据区域内实时发电和调峰负荷需求情况向核电站的电厂集控中心发送调峰负荷指令，核电站的电厂集控中心根据所述调峰负荷指令控制调整核电站的调峰调频结余电量。在上述核电站电解制氢合成氨系统中，核电站的调峰调频结余电量为电解制氢装置提供电源，所述电解制氢装置制得的氢气输送至合成氨设备。合成氨设备从电解制氢装置获得氢气和从氮气源获得氮气后，高温高压下合成制得氨气，氨气可以存储到液氨储罐中，也可灌装成瓶装氨气对外售卖。

通过上述核电站电解制氢合成氨系统，可以利用核电站的调峰调频结余电量制备得到的氢气并进一步合成得到氨气，从而使核电站转换为可生产合成氨原料的化学工厂。

实施例二

如图2所示，在实施例一的基础上，，所述核电站的发电装置，包括核岛和常规岛，其中核岛包括核反应堆19，常规岛包括发电机12、汽轮机13、凝汽器14、低压加热器15、除氧器16、高压加热器17和蒸汽发生器18；所述电解制氢装置4的电源输入端连接于所述发电机12的电源输出端，所述发电机12采用调峰调频结余电量向电解制氢装置提供电源。

实施例三

如图3所示，在实施例二的基础上，所述氮气源5为空分装置51，所述空分装置51的电源输入端连接于所述核电站的发电输出端，在本实施例中为发电机12，空分装置51的氮气输出端则连接于合成氨设备6的氮气入口。

采用空分装置51制氮，以核电站的调峰调频结余电量为电能来源，可以节省从外部购买氮气的成分费用，进一步充分利用核电站的结余电量，更深一层地提高了能源的利用率。在实际应用中，可以采用深冷空分制氮装置、变压吸附空分装置或膜分离空分装置。

实施例四

如图4所示，在实施例三的基础上，所述电解制氢装置4的氧气输出端连通于一储氧罐41。所述空分装置51的氧气输出端也连接于上述储氧罐41。制氢和制氮过程中产生的氧气通过储氧罐储存起来，可以灌装后对外售卖。

实施例五

如图5所示，在实施例四的基础上，所述电解制氢装置4的氢气输出端还通过超低温液化装置或高压气体压缩装置42连接到储氢罐43，用于将未输入至合成氨设备中的氢气以超低温液态氢或高压压缩气态氢的形态输出至储氢罐43。制氢过程中未立即用于氨气制备的氢气可以先存储在储氢罐43内，也可以对外销售，还可以后续为氨的制备继续提供氢气。

另外，所述电解制氢装置的氢气输出端或氢存储罐还可以连通于对外氢输送管道，通过对外氢输送管道对外直接输送氢气。

所述电解制氢装置4和空分装置51可以分别通过流量阀往合成氨设备6中通入氢气和氮气。通过流量阀可以实现根据预设的氢气和氨气比例往合成氨设备中通入氢气和氮气，既保证制氨的效果，也不浪费氢气和氮气。

实施例六

如图6所示，在实施例五的基础上，所述空分装置51的氮气输出端还连通于一氮气存储罐61，用于将未输入至合成氨设备中的氮气输出至氮气存储罐61。类似地，制氮过程中未立即用于氨气制备的氮气可以先存储在氮气存储罐61中，既可以灌装之后对外销售，还可以后续为氨的制备继续提供氮气。

进一步地，所述电解制氢装置4可以采用碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置或高温固体氧化物电解制氢装置。

实施例七

如图7所示，在实施例五的基础上，所述电解制氢装置4的进水口通过补水泵1c连通核电站的化学水处理车间1a，核电站的化学水处理车间1a通过纯水制备装置1b连通于所述补水泵1c。

实施例八

如图8所示，在实施例七的基础上，所述核电站的发电输出端，在本实施例中具体为发电机12的输出端，具体通过第一逆变器44电性连接于所述电解制氢装置4的电源输入端，所述核电站的发电输出端还通过第二逆变器52电性连接于空分装置51的电源输入端。

实施例九

在本实施例中，不设置空分装置，所有的氮气从外部直接购买，氧气从电解制氢装置中产生。系统其它构成及功能及最终产品与实施例八相同。

本实用新型还提供了一种调峰调频核电化工厂，所述调峰调频核电化工厂具有前述的核电站电解制氢合成氨系统，其生产的产品为电力、热力、氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种，所述氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种通过气体提纯装置分别连接相应的气体储罐，实现氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的低温液化或高压存储。

所述氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的生产装置通过气体提纯装置连接相应的高压或低温液化钢瓶灌装设备，通过钢瓶灌装对外销售氢气、氮气、氧气、氨气中的一种或多种的气体产品。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。