CN112952872A - 一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风电热电蓄能调峰发电技术领域，具体涉及一种风‑氢氨‑热电蓄能调峰联合发电系统和方法。包括：风电机组、电解制氢系统、氨合成系统和氨‑燃料混烧发电系统；所述风电机组发电输出端和电网连接后再与电解制氢系统连接，电解制氢系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，氨合成系统的氨气输出端连接氨‑燃料混烧发电系统。通过构建风‑氢氨‑热电蓄能调峰联合发电系统，将不稳定的风电转化为氨的化学能进行存储，再将氨用于发电系统，可以实现电能的稳定输出，避免对电网冲击过大。

Description

一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统和方法
技术领域
本发明涉及风电热电蓄能调峰发电技术领域，具体涉及一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着国家新能源发电的大力发展，风电作为一种清洁环保的能源，在新能源发电中占据着重要的地位。近年来，我国的风电装机容量持续上升。然而，目前很多地区还存在严重的弃风弃电问题。
风力发电能量转换效率高，系统控制灵活，且具有一定的转动惯量，是目前国内外可再生能源发电的主流形式之一。随着风电装机容量的迅速增加，大规模风电接入电网后，风电出力波动对电网运行稳定性的影响也逐渐凸显。由于风电出力波动幅度与时间常数具有不确定性，导致在风电波动不确定的情况下，送端电网功角稳定系统的时间响应特性也不同。
发明人研究后发现在风电应用过程中存在诸多问题：(1)不同于传统燃煤或热力发电，风力发电本身具有非常明显的随机性，无论是风向和风速都经常会发生变动，对风力发电机自身在使用时的使用状态而言具有非常大的影响。(2)由于风的间歇性和波动性在一定程度上破坏了电能质量，给风电并网带来了不利影响。(3)热电灵活性调峰差，尤其是热电联产机组，其“以热定电”的运行模式导致热电可调节容量较小，留给风电并网空间十分有限，我国电源结构性矛盾突出，致使存在严重的弃风弃电问题，新能源利用效率大大降低。(4)为了减少二氧化碳减排压力，一些现有技术燃煤系统中掺烧氨，通过控制混燃比、配风方式及调整燃烧器结构等方式，减小混燃对燃烧效率和氮氧化物排放的影响。但是该技术未能实现氨的自供应，所用氨购买于市场，目前大部分氨合成是以煤和天然气等化石燃料为原料，其生产过程中伴随有大量二氧化碳排放，故该技术仍没有从根本上解决二氧化碳排放问题。(5)一些现有技术采用火电厂谷电解制氢合成氨系统，以在火电厂内部实现灵活调峰，但是该系统中电解制氢合成氨的用电均来自于化石燃料燃烧，碳排放并未被解决，相反，随着氨送回锅炉燃烧，发电路线增长，导致该技术的二氧化碳生命周期排放量增加。
发明内容
为了解决现有技术存在的风力发电具有间歇性、随机性，并网困难，以及现有热力发电系统无法在整个生命周期循环内实现二氧化碳减排的问题，本发明提出一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统和方法，该方法中风电机组与电网连接，根据并网负荷指令，谷电时非并网风电创造性地与电解制氢、空气分离、氨合成系统连接，制备易储存的氨，通过将原本浪费的不稳定风电转化为氨的化学能进行存储，实现电能的稳定输出，避免对电网冲击过大；峰电时氨用于氨-燃料混烧发电系统发电，一方面可以减少煤粉、生物质等燃料的消耗量，减少碳排放；另一方面气体燃料氨的添加可有效改善煤和生物质等固体燃料的着火和燃烧条件。而且当氨含量足够时，在氨-煤混烧发电系统中可以省略煤的使用，在整体上实现二氧化碳零排放；调峰结余氨可作为化工原料或氢载体对外售卖。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，包括：风电机组、电解制氢系统、氨合成系统和氨-燃料混烧发电系统；
所述风电机组发电输出端同时与电网和电解制氢系统连接，电解制氢系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，氨合成系统的氨气输出端连接氨-燃料混烧发电系统。
本发明第二方面，提供一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电方法，包括：利用风电机组和电网中的弃风弃电电解水制氢气，空气分离获得氮气，再利用弃风弃电将氢气、氮气合成氨，氨用于氨-燃料混烧发电。
具体包括：利用谷电时的弃风弃电电解水制氢气，空气分离获得氮气，氢气和氮气在一定反应条件下合成氨，空分制氮和氨合成过程均利用弃风弃电实现，氨可作为燃料用于氨-燃料混烧发电或作为化工原料/氢载体对外销售。
本发明第三方面，提供一种蓄能调峰发电厂，包括风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统。
本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
1)由于风的间歇性和波动性在一定程度上破坏了电能质量，给风电并网带来了不利影响。本发明通过构建风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，将不稳定的风电转化为氨的化学能进行存储，再将氨用于发电系统，可以实现电能的稳定输出，避免对电网冲击过大，起到削峰填谷的作用。
2)采用风电系统的弃风弃电，将清洁的风能转化为氨这种稳定的化学能进行存储，相比于较强随机性的风电，氨的储存和使用方便，安全性高，具有更优异的实用性；相对于氢燃料，氨易于压缩液化，基于现有的氨输运设施或对液化天然气等的输运系统简单改造，即可实现低成本存储和输运，具有更好的技术和安全保障。
3)相比于利用火电厂谷电电解制氢合成氨，本发明提出的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统碳减排优势突出，甚至能实现二氧化碳零排放。首先在源头上，将风电的弃风弃电转化为化学能进行存储，生产氮气、氢气、氧气，合成氨所需能量均来源于弃风弃电，清洁环保；其次，风电弃电合成的氨作为燃料与其他碳氢燃料掺混燃烧时，大大降低煤、生物质或天然气的用量，每掺混燃烧1吨氨减排二氧化碳排放1.954吨，如果氨足够多，甚至可以取消碳氢燃料的使用，从而实现碳的零排放。然而，火电厂的发电燃料为煤、生物质等碳氢燃料，火电谷电生产过程中碳氢燃料燃烧导致的碳排放不可避免，将由火电谷电合成的氨送回锅炉燃烧，发电路线增长，导致二氧化碳生命周期排放量不减反增，每掺混燃烧1吨氨增加二氧化碳排放8.091吨。
4)与风电制氢后直接利用氢燃料电池发电技术相比，火电系统的发电效率高于氢燃料电池发电站，燃煤电站发电效率约为40％，固定式氢燃料电池电效率仅为30-40％，本发明中风电-氢氨-热电的电转换效率高于或等于风电-氢-氢燃料电池系统发电效率；除此之外，本发明中的风-氢氨-热电路线更容易实现大规模发电，如200MW、300MW、600MW都是比较常见的热力发电机组，而氢燃料电池发电站规模有限，目前报道的世界最大规模氢燃料电池电站仅为50MW。
5)从合成氨能耗的角度来看，利用当前电解制氢技术和空分系统的参数水平进行能耗分析，结果显示，通过弃风弃电电解制氢结合变压吸附法制氮技术，本发明中的吨氨合成能耗约为1.245吨标煤(弃风弃电不作为能量输入时，合成氨为负能量消耗)，明显低于目前主流的以煤为原料合成氨的能耗要求，1.320-1.680吨标煤。而利用火电厂谷电电解制氢结合变压吸附法制氮技术来合成氨，由于燃煤发电效率40％，导致能量损失严重，吨氨能耗高达3.113吨标煤。
6)从合成氨碳排放的角度来看，本发明提出的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统合成氨的二氧化碳排放几乎为零，这是因为该系统中电解制氢来源于风电，属于清洁能源，且空分制氮和合成氨系统所需能量均来自风电弃电，整个生命周期内无碳排放；对比常规的以煤和天然气为原料的合成氨工艺，每合成1吨氨分别排放8.370和2.670吨二氧化碳；而当利用火电厂谷电电解制氢再合成氨时，燃煤发电过程大大增长了其合成氨路线，吨氨碳排放高达10.045。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例1风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统；
图2为本发明实施例2风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统；
图3为本发明实施例3风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统；
其中：1、风电机组，2、电网，3、电解制氢系统，4、空分系统，5、氨合成系统，6、氨-燃料混烧发电系统，7、变压器，8、空压机，9、空分精馏塔，10、氮气输出端，11、氧气输出端，12、氢压机，13、氮压机，14、洗涤塔，15、换热器，16、合成气压缩机，17、氨合成塔，18、氨储存装置，19、煤斗，20、SNCR(选择性非催化还原装置)，21、SCR(选择性催化还原装置)，22、发电机，23、输出电网，24、空气入口，25、除尘器，26、脱硫塔、27烟囱，28、智能调控系统，29、蓄电池。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了解决现有技术存在的风力发电具有间歇性、随机性，并网困难，以及现有热力发电系统无法在整个生命周期循环内实现二氧化碳减排的问题，本发明提出一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统和方法，该方法中风电机组与电网连接，根据并网负荷指令，谷电时非并网风电创造性地与电解制氢、空气分离、氨合成系统连接，制备易储存的氨，通过将原本浪费的不稳定风电转化为氨的化学能进行存储，实现电能的稳定输出，避免对电网冲击过大；峰电时氨用于氨-燃料混烧发电系统发电，一方面可以减少煤粉、生物质等燃料的消耗量，减少碳排放；另一方面气体燃料氨的添加可有效改善煤和生物质等固体燃料的着火和燃烧条件。而且当氨含量足够时，在氨-煤混烧发电系统中可以省略煤的使用，在整体上实现二氧化碳零排放；调峰结余氨可作为化工原料或氢载体对外售卖。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，包括：风电机组、电解制氢系统、氨合成系统和氨-燃料混烧发电系统；
所述风电机组发电输出端同时与电网和电解制氢系统连接，电解制氢系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，氨合成系统的氨气输出端连接氨-燃料混烧发电系统。
风电机组用于将风能转化为电能，当处于用电高峰时，风电机组产生的电能输送至电网以供使用；当处于用电低谷时，风电机组产生的电能输送至电解制氢系统、空分系统和氨合成系统，用于氢气、氧气、氮气、氨的分离或合成。
电解制氢系统以风电机组输出的电能为能量来源，电解水产生氢气和氧气，氧气输出端连接氧气储存装置，氢气输出端还与氢气储存装置连接，可以将过剩的氢气或氧气储存，售卖或用于之后的氨合成反应。
电解制氢系统的进水口与雨水收集装置或江河湖水或氨-燃料混烧发电系统的冷却水或氨-燃料混烧发电系统的废水连接。由于风电机组通常位于较偏远地区，海边地形空旷，可以就地取材，利用江河湖水作为水源进行电解制氢。山区海拔高，地形复杂，可以设置雨水收集装置作为水源。当距离热力发电厂较近时，可以利用发电系统的冷却水或废水，经过简单过滤以后，进行电解制氢的操作。
电解制氢系统可以是碱性电解池、固体氧化物电解池、质子交换膜电解池以及其他新技术电解池。
风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统还包括空分系统，空分系统用于分离空气中的氮气和氧气，空分系统的氮气输出端与氨合成系统的氮气输入端连接，空分系统还设有氮气收集装置和氧气收集装置。
对于电解制氢系统和空分系统来讲，一方面可以利用二者产生的氢气、氮气进行合成氨反应，另一方面，电解制氢系统和空分系统还可以产生氧气、氢气、氮气，收集在相应的收集装置中，用于售卖或后续使用。
氨合成系统还包括氮气输入端，空分系统的氮气输出端与氨合成系统的氮气输入端连接，电解制氢系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，氢气和氮气在氨合成系统中进行化学反应制备氨。氨的制备可以采用工业成熟的高温高压合成氨技术，也可以采用等离子体法、电催化合成氨、分子配位化合物固氮等新型常温常压合成氨技术。在此需要说明的是，风电机组发电输出端还与电解制氢系统、空分系统、氨合成系统连接，氢气、氮气、氨合成所需的能量来源均是风电机组提供的，从侧面反应本发明在电能的产生、气体的分解、分离、化学反应所需的能量也都是风电，从源头保障零碳排放。
在本发明一个或多个实施例中，氨合成系统的氨气输出端与储氨罐的氨气输入端连接，储氨罐的氨气输出端或连接氨-燃料混烧发电系统，或连接氨输运管道/输运车。
氨合成系统的氨气输出端先与氨储罐连接后再与氨-燃料混烧发电系统连接，氨在氨储罐中临时存储。氨储罐的设计一方面可以消除风电的间隔性和波动性对氨煤掺混燃烧发电系统稳定运行的影响，将氨进行储存后，方便将氨连续性的送入炉膛燃烧或脱硝系统还原氮氧化物，有助于进行连续热力发电。如果直接将氨合成系统的氨气输出端与氨-燃料混烧发电系统连接，当风电不足导致氨供给不足，热力发电系统无法及时提供燃料氨或还原氨时，工作人员无法及时调整热力发电系统中燃料或还原剂的加入量，导致热力发电中断或还原不完全的问题。另一方面，当风电和热电联合调峰后仍有氨结余量时，通过氨储罐与氨输运管道/输运车链接，可将多余的氨可作为化工原料或氢载体进行销售转移。
在本发明一个或多个实施方式中，风电机组与电解制氢系统、空分系统、合成氨系统之间设有蓄电池，目的是将不稳定的弃风弃电储存起来，向电解制氢系统、空分系统、氨合成系统源源不断、稳定地提供电能，以保证电解制氢设备、空分设备和氨合成设备输入电流的稳定性，避免损伤设备。
合成氨所需要的氮气采用空分制氮，制氮技术成熟，如吸附法、膜分离法及低温法等均已获得不同程度的工业应用，由于吸附法和低温法制氮纯度较高，可优先选用这两种发法，规模较大时可采用低温空气分离技术以保证氮气量和低成本。
本发明以氨代替氢气作储能介质，原因之一是与氢相比，氨燃料的最大优点是能量密度大、易液化、便于存储及携带。除此之外，氨具有常用燃料所需的各种优点，如便于储运、低污染、高热值、高辛烷值等。氨分子中不含碳，其完全燃烧的产物是氮和水，不含温室气体和其他碳类有害污染物。煤粉掺氨不会造成燃烧效率的明显波动，而掺混燃烧却对能显著降低锅炉燃煤消耗量，对碳减排具有重要推动作用，碳排放量随掺氨量的增加而减小，随着煤氨掺混技术的成熟，掺氨量提升，发电站碳排放将大幅降低。由氨可作为电厂烟气脱硝还原剂，利用弃风弃电在系统内合成氨，可减少对市场购买氨的依赖，大大减小SNCR、SCR技术运行的喷氨费用。另外，锅炉超低负荷运行时，若有部分易燃气体助燃，有利于保障锅炉燃烧效率及安全性。
在一些实施方式中，风电机组、电解制氢系统、空分系统、合成氨系统、氨-燃料混烧发电系统分别设有智能调控系统，该系统接收电网调峰负荷指令，根据氨-燃料混烧发电系统和风电机组的调峰结余电量，在不久的将来碳交易细则实施后，也可结合碳排放配额，进行数据运算和智能调整，控制电解制氢量、合成氨量、锅炉氨煤掺混比及SCR、SNCR供氨量等，实现风力发电、氢氨储能、及热力发电的稳定运行和灵活经济调峰。
所述燃料为常见碳氢燃料，包括化石燃料(煤和天然气)或生物质燃料，优选为煤。
本发明第二方面，提供一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电方法，包括：利用谷电时的弃风弃电电解水制氢气，空气分离获得氮气，氢气和氮气在一定反应条件下合成氨，空分制氮和氨合成过程均利用弃风弃电实现，氨可作为燃料用于氨-燃料混烧发电或作为化工原料/氢载体对外销售。
本发明选择氨作为储能物质，相比于现有的储氢技术，如高压气态储氢、液化储氢技术及金属氢化物储氢等技术仍存在各种技术困难为突破，风电电解制得的氢不进行长期存储和运输，而是将被进一步合成氨，3H2+N2＝2NH3。合成氨技术成熟，如目前主流的高温高压工业合成氨工艺，除此之外，合成氨也可以采用等离子体法、电催化合成氨、分子配位化合物固氮等常温常压合成氨技术。由于本系统中氢气来源于非并网风电或谷电电解水，可省去大量繁琐的原料气净化过程，氨合成工艺大大简化，二氧化碳几乎零排放。
本发明第三方面，提供一种蓄能调峰发电厂，包括风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统。
该发电厂能将风电、化学能、热力发电有机结合，对风电机组而言，避免电力的波动冲击电网，以化学物质的化学能为中介，既能解决风电的波动性问题，又能减少热力发电的污染问题，三者互相配合，组成一个近乎零碳排放的放电系统，符合环保政策的要求。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1所示，为本实施例公开的一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，包括：风电机组1、电解制氢系统3、氨合成系统5和氨-燃料混烧发电系统6；
所述风电机组1发电输出端通过变压器7和电网2连接后再与电解制氢系统3连接，电解制氢系统3的氢气输出端与氨合成系统5的氢气输入端连接，进入氢压机12，空分系统4中，空气依次进入空压机8、空分精馏塔9，产生氮气和氧气，氧气经氧气输出端11收集至氧气收集装置，氮气经氮气输出端10进入氨合成系统5中的氮压机13，氢压机12输出的氢气和氮压机13输出的氮气进入洗涤塔14，再经换热器15和合成气压缩机16进入氨合成塔17，进行氨合成反应。氨合成塔17产生的氨一方面可以再次进入换热器15进行反应，另一方面可以进入氨储存装置18进行储存，氨储存装置18中氨有两方面用途，一方面氨可以进入煤斗19，在空气入口24进入的空气进行燃烧反应，产生的烟气经除尘器25和脱硫塔26从烟囱27排出，还可以在SNCR 20和SCR 21中进行还原反应。燃烧反应和还原反应产生的热力可以用于发电机22发电，输送至输出电网23。
在该过程中，风电机组1经变压器7处理，有助于稳定电压，使其适用于电解制氢系统3、空分系统4和氨合成系统5的使用要求。氢压机12和氮压机13用于压缩氢气和氮气，为后续反应做准备。
实施例2
如图2所示，与实施例1区别在于，系统设有智能调控系统28，智能调控系统28位于风电机组1、电网2和电解制氢系统3之间并同时与风电机组1、电网2和电解制氢系统3项相连，智能调控系统28接收电网调峰负荷指令，根据氨-燃料混烧发电系统和风电机组的调峰结余电量，在不久的将来碳交易细则实施后，也可结合碳排放配额，进行数据运算和智能调整，控制电解制氢量、合成氨量、锅炉氨煤掺混比及SCR、SNCR供氨量等，实现风力发电、氢氨储能、及热力发电的稳定运行和灵活经济调峰。
实施例3
如图3所示，与实施例2区别在于，系统设有蓄电池29，蓄电池29分别与智能调控系统28和电解制氢系统3连接，目的是将不稳定的弃风弃电储存起来，向电解制氢系统源源不断、稳定地提供电能，以保证电解制氢设备输入电流的稳定性，避免损伤设备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，包括：风电机组、电解制氢系统、氨合成系统和氨-燃料混烧发电系统；
所述风电机组发电输出端和电网连接后再与电解制氢系统连接，电解制氢系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，氨合成系统的氨气输出端连接氨-燃料混烧发电系统。
2.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述电解制氢装置还设有氧气输出端，连接氧气储存装置；
优选地，所述电解制氢系统的氢气输出端还与氢气储存装置连接。
3.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述电解制氢系统的进水口与雨水收集装置或江河湖水或氨-燃料混烧发电系统的冷却水或氨-燃料混烧发电系统的废水连接。
4.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述氨合成系统还包括氮气输入端。
5.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统还包括空分系统，所述空分系统的氮气输出端与氨合成系统的氮气输入端连接；
优选地，所述风电机组发电输出端还与空分系统、氨合成系统连接。
6.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述氨合成系统的氨气输出端与储氨罐的氨气输入端连接，储氨罐的氨气输出端或连接氨-燃料混烧发电系统，或连接氨输运管道/输运车。
7.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述风电机组与电解制氢系统、空分系统、合成氨系统之间设有蓄电池。
8.根据权利要求1所述的风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统，其特征在于，所述风电机组、电解制氢系统、空分系统、合成氨系统、氨-燃料混烧发电系统分别设有智能调控系统；
优选地，所述燃料为化石燃料或生物质燃料，优选为煤。
9.一种风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电方法，其特征在于，包括：利用风电机组和电网中的弃风弃电电解水制氢气，空气分离获得氮气，再利用弃风弃电将氢气、氮气合成氨，氨用于氨-燃料混烧发电；
优选地，包括：利用谷电时的弃风弃电电解水制氢气，空气分离获得氮气，氢气和氮气在一定反应条件下合成氨，空分制氮和氨合成过程均利用弃风弃电实现，氨可作为燃料用于氨-燃料混烧发电或作为化工原料/氢载体对外销售。
10.一种蓄能调峰发电厂，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述风-氢氨-热电蓄能调峰联合发电系统。
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