CN113972662B - 综合能源生产单元及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合能源生产单元及方法，包括发电子系统、电解制氢子系统、气体捕集子系统以及化工合成子系统；所述发电子系统、电解制氢子系统、气体捕集子系统、化工合成子系统的电气部分经综合能源生产单元内部汇流母线相连，所述汇流母线连接至电网；所述发电子系统的热力部分与电解制氢子系统、化工合成子系统相连，排气部分与气体捕集子系统相连，所述气体捕集子系统还设置有空气入口；所述电解制氢子系统的氢气出口、气体捕集子系统的捕集气出口均通过管道与化工合成子系统相连。本发明通过各子系统协同运行及单元与外部电网的灵活互动，在促进可再生能源消纳、化石能源发电碳减排、电力系统灵活性等方面，具有显著优势。

Description

综合能源生产单元及方法
技术领域
本发明涉及能源综合利用领域，具体涉及一种综合能源生产单元及方法。
背景技术
为保障能源供给安全、应对气候环境变化，亟需推动能源电力从高碳向低碳、从以化石能源为主向以清洁能源为主转变。电力行业是能源转型的重点领域。当前我国电源仍以燃煤火电为主，在役燃煤火电厂发电效率已基本达到瓶颈，单纯通过大规模应用碳捕集及封存技术实现碳减排的成本较高，简单关停火电厂也不利于一定时期内能源供应平稳过渡，迫切需要有效手段有序推进存量化石能源电源的升级改造，降低发电碳排放，充分发挥其基础保障和调节作用；另外，由于以风光发电为主的可再生能源，具有波动性和间歇性，机组出力不确定性强，抗扰动能力和动态调节能力弱，新能源高比例接入将对电力系统安全稳定运行带来很大挑战，系统灵活调节资源的需求显著提升。
为加快促进以新能源为主体的新型电力系统构建，提高可再生能源电量占比，同时推动化石能源电源的科学合理转型和有序退出，保障能源电力供给安全，助力电力行业碳减排目标实现，需要寻求新的解决思路和发展模式。
目前现有技术中暂无针对火电低碳转型及电力系统灵活性提升，考虑融合可再生能源发电、煤电二氧化碳捕集、电解水制氢、甲醇/甲烷/氨合成等多类型技术，构建综合能源生产单元的相关概念或方案。
发明内容
本发明提供一种综合能源生产单元及方法，将电解制氢、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等设备集成为一体，通过系统内部各子系统协同运行及系统与外部电网的灵活互动，在促进可再生能源消纳、化石能源发电碳减排、电力系统灵活性等方面，具有显著优势。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
综合能源生产单元，包括发电子系统、电解制氢子系统、气体捕集子系统以及化工合成子系统；
所述发电子系统、电解制氢子系统、气体捕集子系统、化工合成子系统的电气部分经综合能源生产单元内部汇流母线相连，所述汇流母线连接至电网；所述发电子系统的热力部分与电解制氢子系统、化工合成子系统相连，所述发电子系统的排气部分与气体捕集子系统相连，所述气体捕集子系统还设置有空气入口；所述电解制氢子系统的氢气出口、气体捕集子系统的捕集气出口均通过管道与化工合成子系统相连。
进一步地，所述发电子系统为燃煤火电机组、风力发电机组、光伏发电机组、水力发电机组和生物质发电机组中的一种或多种组合。
进一步地，所述电解制氢子系统包括用于生产氢气的电解水制氢装置，电解水制氢方式为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢中的一种或多种组合。
进一步地，所述电解制氢子系统还包括设置于电解水制氢装置和化工合成子系统之间的氢气缓存装置。
进一步地，所述气体捕集子系统包括给化工合成子系统提供所需原料气体的气体获取装置。
进一步地，所述气体捕集子系统还包括设置于气体获取装置和化工合成子系统之间的气体缓存装置。
进一步地，所述化工合成子系统包括甲醇合成装置、甲烷合成装置、氨气合成装置中的一种或多种。
进一步地，所述电解制氢子系统、气体捕集子系统、化工合成子系统由发电子系统供电，当发电子系统供电不足时从电网获取电力，反之向电网送电，或综合能源生产单元根据电网调度指令从电网获取电力或向电网送电。
进一步地，所述电解制氢子系统上还设置有富余氢气出口。
综合能源生产方法，发电子系统发电为电解制氢子系统、气体捕集子系统和化工合成子系统提供电能，当发电子系统发电功率低于电解制氢子系统、气体捕集子系统和化工合成子系统的用电负荷之和时，不足电力由电网提供，反之发电子系统过剩电力送入电网，电解制氢子系统消耗电能及由发电子系统提供的热能电解水生产氢气；气体捕集子系统消耗电能对发电子系统发电过程中的二氧化碳，或对空气中的二氧化碳或氮气进行分离和捕集；化工合成子系统消耗电能及由发电子系统提供的热能，利用电解制氢子系统生产的氢气和气体捕集子系统捕集的二氧化碳和/或氮气，合成生产甲烷、甲醇或氨。
与现有技术相比，本发明所提出的综合能源生产单元通过多类型能源的生产、存储和化工合成等过程耦合，具有以下优点：
(1)以电解制氢作为可控负荷，通过与火电、水电等可调机组联合运行，扩大功率调节范围，在综合能源生产单元内部各子系统协同优化的同时，实现与电网互动，成为具有高灵活性的虚拟能源生产系统，为电力系统提供灵活性支撑，尤其有助于应对高比例可再生能源场景下的长周期能源不平衡。以包含煤电、光伏、电解水制氢制甲醇的方案为例，则其出力上限为：煤电机组额定功率+光伏发电功率-电解水制氢制甲醇装置出力下限，出力下限为煤电机组最小出力限制-电解水制氢制甲醇装置出力上限，由此可见，本发明所提出的综合能源生产单元灵活性调节范围较传统煤电机组显著增加。
(2)通过二氧化碳直接与氢气合成，生产甲烷、甲醇等便于存储、运输的绿色燃料或重要化工产品，一方面可规避大规模二氧化碳捕集后压缩及封存的高额成本投入，另一方面形成合理可行的产品收益模式，有利于火电企业推广应用二氧化碳捕集与利用技术，为存量火电机组升级改造及其有序退出提供新的解决方案，在促进电力行业碳减排及转型发展的同时，二氧化碳、氮气等与氢气合成生成的绿色燃料或重要化工产品，也可为其他相关领域高耗能高污染燃料替代提供一定的来源补充。
(3)综合考虑可再生能源发电量最大、总经济效益最大为优化目标的运行策略，有利于以经济合理的方式促进可再生能源开发利用。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。
图1为本发明综合能源生产单元基本结构示意图；
图2为本发明实施例一综合能源生产单元示意图；
图3为本发明实施例二综合能源生产单元示意图；
图4为本发明实施例三综合能源生产单元示意图。
其中，1、发电子系统；2、电解制氢子系统；3、气体捕集子系统；4、化工合成子系统。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明所提出的一种综合能源生产单元包括发电子系统1、电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4。各子系统连接方式如图1所示。发电子系统1、电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4的电气部分经综合能源生产单元内部汇流母线相连，汇流母线与电网相连；发电子系统1热力部分与电解制氢子系统2、化工合成子系统4相连，排气部分与气体捕集子系统3相连；电解制氢子系统2、气体捕集子系统3通过管道分别与化工合成子系统4相连。
所述发电子系统1主要用于生产电能，包括但不限于燃煤火电厂、风力发电和/或光伏发电电源，为综合能源生产单元内的电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4提供电力，剩余电力送入电网；所述发电子系统1还可为电解制氢子系统2、化工合成子系统4提供热能；可选地，所述发电子系统1还可包括水力发电、生物质发电等其他电源，也可以不含燃煤火电厂，后文将给出典型实施例进行详细阐述。
所述电解制氢子系统2主要用于通过电解水制氢装置生产氢气，为化工合成子系统4提供原料，富余氢气可直接外送；所述电解制氢子系统2包括电解水制氢装置，电解水制氢方式不限于碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢等；所述电解制氢子系统2还包括氢气缓存装置，用于控制送入化工合成子系统4的氢气的压强和流速，确保化工产品合成过程平稳运行，以及在未进行化工合成时段临时存储部分氢气。
所述气体捕集子系统3主要用于捕集二氧化碳、氮等气体，为化工合成子系统4提供原料；所述气体捕集子系统3包括气体获取装置，二氧化碳获取方式不限于对火电厂燃料燃烧排放的二氧化碳进行捕集、空气直接碳捕集等，氮气可通过空气分离等方式获取；所述气体捕集子系统3还包括气体缓存装置，用于控制送入化工合成子系统4的二氧化碳或氮气等气体原料的压强和流速，确保化工合成过程稳定进行，以及在不进行化工合成时临时存储二氧化碳、氮气等气体原料。
所述化工合成子系统4主要用于利用气体捕集子系统3产生的气体和电解制氢子系统4产生的氢气进行化工合成，所合成燃料可为甲醇、甲烷、氨等。
所述电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4由发电子系统1供电，当发电子系统1供电不足时从电网获取电力，或综合能源生产单元根据电网调度指令从电网获取电力或向电网送电。
可选地，所述发电子系统1可不包括化石能源发电厂，则气体捕集子系统3可相应地选择其他碳捕集方式。
本发明所提出的综合能源生产单元基本工作原理为：当发电子系统1发电功率低于电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4的用电负荷之和时，不足电力由电网提供，反之发电子系统1过剩电力可送入电网，其中发电子系统1优先采用新能源发电，新能源无法满足负荷需求的时段，利用火电、水电等可调机组满足运行要求；电解制氢子系统2消耗电能及由发电子系统1提供的热能电解水生产氢气；气体捕集子系统3消耗电能，并对发电子系统1化石燃料发电过程中的二氧化碳，或对空气中的二氧化碳或氮气进行分离和捕集；化工合成子系统4利用电解制氢子系统2生产的氢气和气体捕集子系统3捕集的二氧化碳和/或氮，合成生产甲烷、甲醇、氨等化工产品。
本发明所提出的综合能源生产单元运行控制策略如下：在满足能量平衡、物料平衡和各生产过程安全稳定约束条件下，根据电网调度指令，以可再生能源发电量最大、生产单元总经济效益最大为优化目标，以低成本可再生能源发电为主，既有火电厂或其他电源发电、电网供电为辅，协调控制电力生产、电解制氢、气体捕集以及化工合成等过程，确保电力供需实时平衡、化工过程平稳运行。其中，生产单元总经济效益中主要考虑但不限于系统投资、运维、燃料、碳税等成本，以及售电、甲醇/甲烷/氨气/氢气等化工产品销售、为电力系统提供灵活调节服务所带来的收益。
综上，本发明利用可再生能源发电进行大规模电解制氢，结合火电厂二氧化碳捕集，生产除电能外多种便于运输、存储及利用的绿色燃料，促进风光等可再生能源开发利用，减少电力行业碳排放，为盘活存量火电机组及其有序退出提供了新的方案选择；另外通过设置电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4等可控负荷，与传统发电机组、波动性新能源发电机组联合运行，有效提高综合能源生产单元整体的等效电力输出功率调节范围，以其高灵活调节能力支撑高比例可再生能源电力系统稳定运行。
下面结合实施例对本发明进行进一步详细说明，应当理解的是，本发明并不局限于所提供的实施例。
实施例一
图2所示实施例一中，发电子系统1包括光伏发电、燃煤火电机组，电解制氢子系统2包括电解制氢装置、氢气缓存装置，气体捕集子系统3包括气体获取装置和气体缓存装置，本实施例中气体获取装置为燃烧发电碳捕集装置，气体缓存装置为二氧化碳缓存装置，化工合成子系统4包括甲醇合成装置、甲烷合成装置。所述氢气缓存装置、二氧化碳缓存装置，分别用于控制送入化工合成子系统4的氢气、二氧化碳的压强和流速，确保化工合成过程稳定进行，另外还可用于气体临时存储。所述燃煤火电机组可采用煤炭作为燃料，也可掺烧一定比例的生物质燃料，进一步减少来自于化石燃料的碳排放。
综合能源生产单元优先利用低成本光伏发电，火电厂发电和电网供电作为补充，充分利用光伏出力与电网峰谷负荷的昼夜互补关系，实现可再生能源的最大化利用。在电力系统用电高峰时段，根据调度指令，电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4可低负载运行，发电子系统1高出力或满出力运行，综合能源生产单元向电网送电；在电力系统用电低谷时段，根据调度指令，电解制氢子系统2、气体捕集子系统3、化工合成子系统4充分利用综合能源生产单元富余的光伏发电、存量燃煤火电或电网低谷电，高功率或满功率运行，进一步合成甲烷/甲醇等化工产品，同时为电力系统风光等新能源消纳提供空间。
实施例二
随着电力行业能源转型推进，所示发电子系统1可不包含化石能源发电，相应地气体捕集子系统3可采用空气直接碳捕集方式获取二氧化碳，如图3所示。
实施例三
图4所示实施例三中，发电子系统1、电解制氢子系统2构成与实施例一相同，气体捕集子系统3采用空气分离获取氮气的方法及设备，也可采用其他方法；所述气体捕集子系统3还包括氮气缓存装置，用于控制送入化工合成子系统4的氮气的压强和流速，确保化工合成过程稳定进行，另外还可用于气体临时存储。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.综合能源生产单元，其特征在于，包括发电子系统(1)、电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)以及化工合成子系统(4)；
所述发电子系统(1)为燃煤火电机组、风力发电机组、光伏发电机组、水力发电机组和生物质发电机组中的一种或多种组合，当采用燃煤火电机组时，发电过程产生的烟气通过气体捕集子系统(3)捕集分离，为化工合成子系统(4)提供化工合成所需的二氧化碳原料；
所述化工合成子系统(4)包括甲醇合成装置、甲烷合成装置、氨气合成装置中的一种或多种；
所述电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)、化工合成子系统(4)由发电子系统(1)供电，当发电子系统(1)供电不足时从电网获取电力，反之向电网送电，或综合能源生产单元根据电网调度指令从电网获取电力或向电网送电；所述电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)、化工合成子系统(4)和发电子系统(1)作为一个包含可调负荷的虚拟/实体发电单元，参与电力系统调峰、调频、调压；
所述发电子系统(1)、电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)、化工合成子系统(4)的电气部分经综合能源生产单元内部汇流母线连接至电网或各自单独连接电网，实时协调控制各设备功率输出，组成面向电网调度的虚拟发电单元；所述发电子系统(1)的热力部分与电解制氢子系统(2)、化工合成子系统(4)相连，所述发电子系统(1)的排气部分与气体捕集子系统(3)相连，所述气体捕集子系统(3)还设置有空气入口，用于煤电机组二氧化碳捕集不足时进行补充；所述电解制氢子系统(2)的氢气出口、气体捕集子系统(3)的捕集气出口均通过管道与化工合成子系统(4)相连；
所述气体捕集子系统(3)包括给化工合成子系统(4)提供所需原料气体的煤电机组二氧化碳捕集装置，或直接空气二氧化碳捕集装置，或氮气分离装置；
所述电解制氢子系统(2)上还设置有富余氢气出口。
2.根据权利要求1所述的综合能源生产单元，其特征在于，所述电解制氢子系统(2)包括用于生产氢气的电解水制氢装置，电解水制氢方式为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢中的一种或多种组合。
3.根据权利要求2所述的综合能源生产单元，其特征在于，所述电解制氢子系统(2)还包括设置于电解水制氢装置和化工合成子系统(4)之间的氢气缓存装置。
4.根据权利要求1所述的综合能源生产单元，其特征在于，所述气体捕集子系统(3)还包括设置于气体获取装置和化工合成子系统(4)之间的气体缓存装置。
5.综合能源生产方法，基于权利要求1-4任一项所述的综合能源生产单元，其特征在于，发电子系统(1)发电为电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)和化工合成子系统(4)提供电能，当发电子系统(1)发电功率低于电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)和化工合成子系统(4)的用电负荷之和时，不足电力由电网提供，反之发电子系统(1)过剩电力送入电网，电解制氢子系统(2)消耗电能及由发电子系统(1)提供的热能电解水生产氢气；气体捕集子系统(3)消耗电能对发电子系统(1)发电过程中的二氧化碳，或对空气中的二氧化碳或氮气进行分离和捕集；化工合成子系统(4)消耗电能及由发电子系统(1)提供的热能，利用电解制氢子系统(2)生产的氢气和气体捕集子系统(3)捕集的二氧化碳和/或氮气，合成生产甲烷、甲醇或氨；
根据调度指令：在电力系统用电高峰时段，综合能源生产单元呈现电源特性，则发电子系统(1)高出力或满出力运行，为低负载运行的电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)和化工合成子系统(4)提供电能，同时向电网送电；在电力系统用电低谷时段，综合能源生产单元呈现负荷特性，电解制氢子系统(2)、气体捕集子系统(3)和化工合成子系统(4)则充分利用富余的光伏发电、存量燃煤火电或电网低谷电，高功率或满功率运行，在合成甲烷/甲醇/氨等化工产品的同时，为新能源消纳提供空间，参与电力系统调峰、调频、调压。
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