CN114000979A - 一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法，属于能源利用技术领域，所述能源岛包括：烟气提水电水联产系统、耦合发电制储氢系统和碳收集制取甲醇系统。同时，所述电水氢甲醇多联产的方法具体包括：1)能源岛内碳中和方法；2)零取水方法；3)风光火耦合节能发电方法。本发明提供的能源岛通过回收烟气冷凝水集成绿电制氢，进一步回收二氧化碳同时绿电制甲醇，以岛内调峰平衡电量补偿绿色电能缺口，以电水多联产机组与风电机组、光伏发电耦合，实现岛外零取水，岛内碳中和。

Description

一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，更具体的说是涉及一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法。
背景技术
我国电力能源以火力发电为主，火电行业每年的二氧化碳排放量达45亿吨，全国直流冷却火(核)电厂每年的水资源消耗量达479亿立方米。在能耗方面，火力发电厂每年消耗电能约占发电量的百分比(即厂用电率)为6％。在电源点层面，以个体电源点为例，装机2台66万千瓦的火电厂每年发电取水量达200万立方米，每年消耗厂用电能的二氧化碳排放量相当于消耗12万吨标准煤产生的二氧化碳。为此，实现火电厂的零取水并进一步实现碳中和，是重大的理论和工程创新课题，需研发应用换代技术。
另外，在废气处理技术领域，对脱硫后的烟气进行净化冷凝处理，回收冷凝水和余热是废气处理前沿技术之一，目前处于研究试验阶段。现有技术中，湿法脱硫的水资源消耗已经成为日益突出的问题；受其工艺特点影响，高温烟气在脱硫处理过程中携带了大量饱和水蒸汽以及液滴，造成了大量水资源消耗。通常一台600MW等级的火力发电机组湿法脱硫装置每小时蒸发耗水量达80吨～120吨等级，必须大量取用外部水源进行补水，导致每年两台600MW等级的火力发电机组取水量达200万吨等级。在贫水地区，这种取水量过高与水资源匮乏的矛盾尤其突出。
根据我国“富煤少油少气”的资源特点，甲醇生产以煤化工为主，一般情况下生产一吨甲醇需消耗原煤1.6吨，消耗燃煤0.72吨，相当于排放二氧化碳6.2吨，同时生产一吨甲醇需消耗水量为9吨，耗电375千瓦时。
因此，如何开发一种新型能源工业链，进行火电厂净烟气的多用途回收利用，实现烟气提水和电水氢甲醇多联产，进一步实现生产零取水和碳中和，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法，在烟气提水电水联产的基础上实现电水氢甲醇多联产，同时实现二氧化碳规模化回收利用，生产液态阳光(绿电甲醇)，进一步实现岛内碳中和，岛外零取水。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电水氢甲醇多联产能源岛，包括：烟气提水电水联产系统、耦合发电制储氢系统、碳收集制取甲醇系统、电网、甲醇站和加氢站；
其中，
所述烟气提水电水联产系统包括电水联产装置、二氧化碳收集装置、蓄水池、储氧单元和厂用微电网、气体绝缘开关；
所述电水联产装置的电力出线与所述厂用微电网相连，同时通过所述变压器、气体绝缘开关与电网相连；
所述电水联产装置包括氧气进口和二氧化碳出口；所述氧气进口与所述储氧单元连通；所述二氧化碳出口通过二氧化碳收集装置与所述碳收集制取甲醇系统连通；
所述蓄水池的进水口与所述电水联产装置连通，同时与所述碳收集制取甲醇系统连通；所述蓄水池的出水口与所述耦合发电制储氢系统连通；
所述耦合发电制储氢系统包括绿电装置和制储氢装置；
所述绿电装置的电力出线通过厂用微电网与所述制储氢装置相连；
所述制储氢装置包括氢气出口和氧气出口；所述氢气出口通过供氢管路与所述碳收集制取甲醇系统相连，并同时与加氢站相连；所述氧气出口通过供氧管路与所述储氧单元相连；所述制储氢装置通过供水管路与所述蓄水池的出水口连通；
所述碳收集制取甲醇系统的电力入线与所述厂用微电网相连，同时所述碳收集制取甲醇系统包括甲醇出口；所述甲醇出口与所述甲醇站连通。
有益效果：本发明提供的能源岛集成烟气提水电水联产系统、耦合发电制储氢系统、碳收集制取甲醇系统。这三个系统形成电、水、氢、二氧化碳、甲醇耦合的能量流和物质流岛链，达到绿电厂用、用水自平衡(即发电收碳制氢制甲醇全链条用水自平衡)、岛内碳中和、岛外零取水、绿电制氢、绿电制甲醇。
优选的，所述厂用微电网、绿电装置、电水联产装置的电能路由通过环形组网连接，构成岛内电能池，并通过变压器实现电能分配。所述绿电装置的电力出线上包括变压器一；所述电水联产装置与所述厂用微电网之间包括变压器二；所述电水联产装置与电网之间包括所述气体绝缘开关、变压器三和电能上网关口表。
有益效果：通过上述技术方案，本发明实现了火力发电厂电源点能源结构的本地优化，还实现了能源岛内分布式绿电装置、厂用微电网、电水联产装置的电能耦合，厂用微电网成为联接绿电装置、电水联产装置的电能池；通过岛内的环网连接和变压器组合，以岛内调峰平衡电量与绿色电能协调耦合，实现电水氢甲醇多联产的稳定生产。
优选的，所述绿电装置包括风电和光伏发电。
有益效果：本发明有效利用风电和光伏发电互补的特点，平抑风电、光伏发电的不稳定性，提高绿电消纳能力。
优选的，所述二氧化碳收集装置与所述电水联产装置二氧化碳出口之间还包括净烟气管道。
有益效果：上述技术方案能够提高电厂二氧化碳回收系统布置的灵活性，净烟气管道有效保证了二氧化碳收集装置的功能性和回收效率。
一种电水氢甲醇多联产方法，利用上述一种电水氢甲醇多联产能源岛，包括如下步骤：
1)碳中和方法：回收所述电水联产装置产生的烟气冷凝水，并利用所述厂用微电网吸纳和平衡风电和光伏发电产生的绿色电能电解所述烟气冷凝水制取氢气；
进一步回收所述电水联产装置产生的二氧化碳，并与上述氢气合成制取甲醇；在此过程中，所述二氧化碳的回收量和氢气制取、甲醇制取和绿电厂用产生的二氧化碳减排量之和大于能源岛的综合能耗等价碳当量，从而实现岛内碳中和；
2)零取水方法：所述烟气提水电水联产系统产生合格的电解水，所述电解水通过蓄水池输送至所述制储氢装置以制取氢气；
所述碳收集制取甲醇系统向所述烟气提水电水联产系统输送回收水，形成水循环回用系统，实现岛内用水自平衡，外部零取水。
3)风光火耦合节能发电方法：在所述能源岛内部，所述厂用微电网接入风电装置和光伏发电装置，形成微网电能池并进行耦合调峰，最大程度消纳风电和光电；同时，以电水联产装置的调峰平衡电量补充厂用微电网的峰谷缺口，形成绿电制氢、绿电制甲醇、绿电厂用、耦合调峰的能源岛；
进一步的，以制储氢装置的副产品氧气接入电水联产装置，通过优化燃烧，降低电水联产消耗厂用电对应的化石能源比重，降低供电煤耗；
在所述能源岛外部，能源岛与电网之间形成点对网式供电结构，电网的调度指令以能源岛出口的电能关口表为反馈节点，进行整岛调度，从而实现岛内风光火耦合节能发电。
有益效果：当绿电过剩时，可以通过能源岛的厂用微电网消纳；当绿电不足时，可以通过厂用微电网供给电能，实现稳定生产；当电网调峰时，厂用微电网可进行岛内负荷调度，将调峰平衡电量供给制氢、制甲醇产能，从而满足电网调峰需求。
优选的，所述的能源岛的水源来自电水联产装置制取的冷凝水，并回收碳收集制取甲醇系统的回收水，该能源岛无外部取水管路系统，岛内产水和用水自平衡；
所述水循环回用流程为：
用水流程：电水联产装置→冷凝水→蓄水池→制储氢装置；
回水流程：碳收集制取甲醇系统→副产品水→蓄水池→电水联产装置。
步骤(2)中所述零取水方法如以下关系式所示：
其水平衡关系式为：
Hd＝Hz-Hh或Hz＝Hd+Hh；
上式中，Hz为制储氢装置的额定取水量
Hh为碳收集制取甲醇系统的额定回水量
Hd为电水联产装置的供水量
其蓄水池S的额定储水量为：
Qa＝1.5Qr+Qd+Qh
上式中，Qa为蓄水池S的额定储水量
Qr为热季期间电水联产装置的取水量
Qd为电水联产装置的启动取水量
Qh为制储氢装置的启动取水量
有益效果：本发明能够实现能源岛岛内用水自平衡、废水零排放，从而实现能源岛生产零取水。本发明提供的能源岛利用电水联产装置回收烟气冷凝水，制取制氢用水，并对碳收集制取甲醇系统的排水进行回收，避免了常规甲醇生产系统的废水排放，进一步降低了电水联产装置制取冷凝回收水的量级，达到岛用用水平衡，显著降低制作甲醇的取水量。
优选的，所述碳中和方法如下；
上网电能能量为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)，
绿电能量为:EL＝Kf(E1,E2,E3)-E3，
绿电等价碳减排量为：CdEL＝Cd[Kf(E1,E2,E3)-E3]，
岛内综合能耗等价碳当量为：Cz＝Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)，
二氧化碳回收量为Csj，
总的二氧化碳减排量为CdEL+Csj；
碳中和关系式为：CdEL+Csj≥Cz，
或，
CdEL+Csj-Cd(E1c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)≥0。
上述表达式中，
Ew为上网电量，
EL为绿电电量，
K为耦合系数，
f(E1,E2,E3)为风光火耦合发电函数，
Kf(E1,E2,E3)为能源岛发电量；
E1为光伏发电量，
E2为风电发电量，
E3为电水联产装置发电量，
E3c为电水联产装置的通用厂用电量，
EH2Oc为电水联产装置的烟气提水厂用电量，
EH2c为制储氢装置厂用电量，
Ec2c为碳收集制取甲醇系统厂用电量，
Cd为电能碳当量系数，
Csj为二氧化碳收集量，
CdEL为绿电产生的二氧化碳减排当量。
在能源岛内，当雨季、夜间等情况下光伏发电、风力发电出力不足或没有绿电时，从能源安全的角度出发，以岛内电水联产装置的调峰平衡电量补偿绿电制氢和绿电制甲醇的缺口。此时，氢和甲醇的生产用能为化石燃料属性。该条件下，岛内综合能耗等价碳当量为：Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)，
式中，EH2c′为制储氢装置消耗的化石燃料属性电量(仅绿电不足时使用)，
Ec2c′为碳收集制取甲醇系统消耗的化石燃料属性电量(仅绿电不足时使用)。
有益效果：本发明实现了能源岛内碳中和，即以能源岛内收集利用二氧化碳为主，以消纳绿色电能为辅，产生二氧化碳减排效益。实现二氧化碳的资源化利用，通过绿电将二氧化碳转化为甲醇，替代了常规煤化工制取甲醇工艺。本发明能够实现每制取1吨甲醇减少二氧化碳排放6.2吨，同时收集利用二氧化碳1.5吨，综合减排二氧化碳的效益达7.7吨，从而实现二氧化碳资源化开发利用的固碳经济产业链开发。
优选的，所述电水联产装置的湿饱和烟气温度为45℃～55℃，压力为0.089MPa～0.101MPa；
所述碳收集制取甲醇系统对二氧化碳进行合成甲醇反应前处理，使二氧化碳达到温度为255℃～305℃，压力为3MPa～5MPa等级；
所述烟气提水电水联产系统的烟气冷凝水温度为25℃～35℃；
所述制储氢装置的氢气温度为255℃～305℃。
有益效果：通过控制电水联产装置的湿饱和净烟气参数，提高了烟气冷凝回收水的产量和效率；通过控制二氧化碳的温度和压力参数，提高了合成甲醇的反应速率和转化率；通过控制烟气冷凝水的温度，保证了回收水的利用率。
优选的，所述能源岛内物料平衡关系为：CO2、H2O、H2和CH3OH的质量比为14.8～15.2:18.2～18.7:2.02～2.07:10.7～11.0或
Figure BDA0003329582540000061
所述能源岛内能量平衡关系为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)，能源岛内碳中和平衡关系为：
CdEL+Csj≥Cz，
或，CdEL+Csj-Cd(E3c+EH2Oc+EH2c’+Ec2c′)≥0。
有益效果：本发明通过建立物料平衡指标体系保证了甲醇合成的稳定性和生产率，通过建立能源岛内能量平衡关系保证了岛内调度的可靠性，使电水联产装置的电能产量能够及时与绿电产量耦合，并通过调整制氢、制甲醇的用能有效消纳余电。进一步的，可实现能源岛黑启动，当电网切除时，能源岛能够以孤岛运行方式发电生产，维持自身安全运行；当电网恢复时，能源岛能够及时切入，恢复向电网的供电，从而实现一种安全可靠的电网架构。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种电水氢甲醇多联产能源岛及方法，本发明通过规模化回收烟气冷凝水制取氢气，并进一步回收二氧化碳合成液态阳光，实现了岛内碳中和。同时，本发明在电水氢甲醇多联产过程中，实现了生产零取水。进一步的，本发明以岛内微电网的方式消纳风电、光伏发电，以岛内调峰平衡电量的方式补偿绿电缺口，有利于提高绿电能源的消纳能力。此外，本发明通过规模化回收二氧化碳合成甲醇，可替代传统化工合成甲醇工艺，形成新型固碳经济工业链，大幅降低化石能源消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中所示电水氢甲醇多联产能源岛系统图；
图2为本发明实施例1中所示电水氢甲醇多联产能源岛能量流和物质流岛链图；
图3为本发明实施例1中所示电水氢甲醇多联产能源岛水平衡图；
图4为本发明实施例1中所示能源岛碳减排(簇柱)折线图；
图5为本发明实施例1中所示能源岛电水联产的产水量与氢、甲醇物料平衡动态折线图；
图6为本发明实施例1中所示能源岛上网电能与氢、甲醇能流平衡(簇柱)折线图；
图7为本发明实施例1中所示能源岛的综合能耗等价碳当量折线图；
图8为本发明实施例1中所示能源岛内部水平衡动态折线图。
其中，E-H2O为电水联产装置，E-H2为制储氢装置，E为绿电装置(E1为光伏发电、E2为风电发电)，E-CH3OH为碳收集制取甲醇系统，GIS为气体绝缘开关，BY1为变压器一，BY2为变压器二，BY3为变压器三，CW为厂用微电网，S为蓄水池，CCS为二氧化碳收集装置，Oz为储氧单元，Cc为甲醇站，HJ为加氢站，GL1为供水管路系统，GL2为回水管路系统，H为供氢管路系统，OL为供氧管路系统，Y1为净烟气管道。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种电水氢甲醇多联产能源岛，如图1所示，包括：烟气提水电水联产系统(额定发电功率为660MW，额定产水能力为90吨/h)、耦合发电制储氢系统(光伏和风力发电装机额定功率为50MW，额定制氢能力为1000kg/h即11235.95Nm3/h)、碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)(额定制甲醇能力为5吨/h)、电网、甲醇站和加氢站；
其中，
烟气提水电水联产系统包括气体绝缘开关(GIS)、电水联产装置(E-H2O)、蓄水池(S)、储氧单元和厂用微电网(CW)；
电水联产装置(E-H2O)的电力出线与厂用微电网(CW)相连，且电水联产装置(E-H2O)与厂用微电网(CW)之间包括变压器二(BY2)。同时电水联产装置(E-H2O)的电力出线通过变压器三(BY3)、气体绝缘开关(GIS)与电网相连；电水联产装置(E-H2O)包括氧气进口和二氧化碳出口；氧气进口与储氧单元连通；二氧化碳出口通过二氧化碳收集装置与碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)连通，且二氧化碳收集装置与E-H2O二氧化碳出口之间还包括净烟气管道；
蓄水池(S)的进水口与电水联产装置(E-H2O)连通，同时与碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)连通；蓄水池(S)的出水口与耦合发电制储氢系统连通；
耦合发电制储氢系统包括绿电装置和制储氢装置(E-H2)；
绿电装置(E)的电力出线通过变压器一(BY1)与厂用微电网(CW)相连；厂用微电网(CW)、绿电装置(E)、电水联产装置(E-H2O)通过环形组网连接，实现岛内电能池，并通过变压器实现电势能分配。
制储氢装置(E-H2)的电力入线与厂用微电网(CW)连接，制储氢装置(E-H2)与蓄水池(S)的出水口连通；其中，绿电装置(E)包括光伏发电E1和风力发电E2；
制储氢装置(E-H2)包括氢气出口和氧气出口；氢气出口通过供氢管路与碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)相连，并同时与加氢站(HJ)相连；氧气出口通过供氧管路与储氧单元相连；制储氢装置(E-H2)通过供水管路与蓄水池(S)的出水口连通；
碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)的电力入线与厂用微电网(CW)连接，同时碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)包括甲醇出口，甲醇出口与甲醇站(Cc)连通。
一种电水氢甲醇多联产方法，利用上述一种电水氢甲醇多联产能源岛，具体包括如下步骤：
1)岛内碳中和方法：如图2所示，回收电水联产装置(E-H2O)的烟气冷凝水和二氧化碳，同时以能源岛的厂用微电网(CW)与风电装置和光伏发电装置组网，形成厂用微电网(CW)电能池，吸纳和平衡风电和光伏发电产生的绿色电能；利用烟气冷凝水制取氢气，进一步回收二氧化碳制取甲醇；其二氧化碳的回收量和绿电制氢、绿电制甲醇、绿电厂用产生的二氧化碳减排量之和大于能源岛的综合能耗等价碳当量(即岛内消耗厂用电能对应的二氧化碳排放当量)，从而实现岛内碳中和。
其碳中和方法如下。
其上网电能能量为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)
其绿电能量为：EL＝Kf(E1,E2,E3)-E3
其绿电等价碳减排量为：CdEL＝Cd[Kf(E1,E2,E3)-E3]
其岛内综合能耗等价碳当量为Cz：Cz＝Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)
其二氧化碳回收量为Csj
其总的二氧化碳减排量为CdEL+Csj
其碳中和关系式为：CdEL+Csj≥Cz，
或，(CdEL+Csj)-Cd(E1c+EH2Oc+EH2′c+Ec2c′)≥0
上述表达式中，
Ew为上网电量，
EL为绿电能量，
K为耦合系数，
f(E1,E2,E3)为风光火耦合发电函数，
E1为光伏发电量，
E2为风电发电量，
E3为电水联产装置(E-H2O)发电量，
E3c为电水联产装置(E-H2O)的通用厂用电量，
EH2Oc为电水联产装置(E-H2O)的烟气提水厂用电量，
EH2c为耦合发电制储氢系统(E-H2)厂用电量，
Ec2c为碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)厂用电量，
Cd为电能碳当量系数，按电力行业全国电网平均排放因子，
Cd＝0.6101tCO2/MWh，
Csj为二氧化碳收集量，
CdEL为绿电产生的二氧化碳减排当量。
在本实例中，在31个工况下均保证了绿电制储氢，未发生平衡调剂化石燃料属性电量制氢的情况，即EH2c′＝0；同样的，也未发生平衡调剂化石燃料电量生产甲醇的情况，即Ec2c′＝0。
2)零取水能源岛：如图3所示，包括岛内水平衡系统和水循环流程。能源岛的水源来自电水联产装置(E-H2O)制取的冷凝水HL，并回收碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)的回收水HS，该能源岛无外部取水管路系统，岛内产水和用水自平衡(见能源岛水平衡图)。在能源岛水平衡系统中，烟气提水电水联产系统(E-H2O)产生合格的成品水，其供水管路(GL1)通过蓄水池(S)与制储氢装置(E-H2)相连，向该系统提供制氢所用的电解水；且碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)的回水管路(GL2)通过蓄水池S与电水联产装置(E-H2O)相连，向该系统输送回收水，形成循环回用系统。
其水循环流程为(以图示为准)：
用水流程：电水联产装置(E-H2O)→冷凝水HL→蓄水池S→制储氢装置(E-H2)
回水流程：碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)→回收水Hs→蓄水池S→电水联产装置(E-H2O)
其水平衡关系为：
Hd＝Hz-Hh或Hz＝Hd+Hh；
上式中，Hz为制储氢装置(E-H2)的额定取水量
Hh为碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)的额定回水量
Hd为烟气提水电水联产系统的供水量
其蓄水池S的额定储水量为：
Qa＝1.5Qr+Qd+Qh
上式中，Qa为蓄水池S的额定储水量
Qr为热季期间烟气提水电水联产系统的取水量
Qd为烟气提水电水联产系统的启动取水量
Qh为耦合发电制储氢系统(E-H2)的启动取水量
3)风光火耦合节能发电方法：如图2所示，在岛内部，以能源岛内的厂用微电网(CW)组接绿电装置(E)，形成微网电能池，平衡峰谷电能，最大程度消纳风电和光伏发电，并与电水联产装置(E-H2O)的厂用电能耦合互补，形成绿电制氢、绿电制甲醇、绿电厂用、耦合调峰的能源岛；进一步以制储氢装置(E-H2)的副产品氧气接入电水联产装置(E-H2O)，通过优化燃烧，降低电水联产的厂用电消耗的化石能源比重，降低供电煤耗。在岛外部，能源岛与电网之间形成点对网式供电结构，即能源岛为一个独立电源点，电网的调度指令以能源岛出口的电能关口表为反馈节点，进行整岛调度，从而实现岛内风光火耦合节能发电。
其中，电水联产装置(E-H2O)的湿饱和烟气温度为45℃～55℃，压力为0.089MPa～0.101MPa；
碳收集制取甲醇系统首先对二氧化碳进行合成甲醇反应前处理，使二氧化碳达到温度为255℃～305℃，压力为3MPa～5MPa；
烟气提水电水联产系统(E-H2O)的烟气冷凝水温度为25℃～35℃；
制储氢装置(E-H2)的氢气温度为255℃～305℃。
能源岛内物料平衡关系为：CO2、H2O、H2和CH3OH的质量比为14.8～15.2:18.2～18.7:2.02～2.07:10.7～11.0或
Figure BDA0003329582540000121
能源岛内能量平衡关系为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)。
能源岛内碳中和平衡关系为：CdEL+Csj≥Cz，
或CdEL+Csj-Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)≥0
技术效果
在实施例1中，能源岛的电水联产负荷区间为331.25MW～603.37MW。当电水联产负荷331.25MW时，能源岛上网电能为311.02MW，电水联产厂用电负荷(E3c+EH2Oc)为20.2MW，产水出力为44.18吨/h，能源岛吸纳的绿色电能为20.92MW，利用电水联产的部分成品水进行绿电制氢的产量为359.64kg/h，二氧化碳的回收量为2.63吨/h，绿电制甲醇的产量为1.918吨/h。上述过程中，能源岛内的综合能耗等价碳当量即岛内消耗化石属性电能(即电水联产厂用电负荷E3c+EH2Oc)对应的总二氧化碳排放量为12.327吨/h，能源岛总的二氧化碳减排量(包括吸纳绿电为20.92MW，回收二氧化碳2.63吨/h)为15.403吨/h。综上，能源岛的二氧化碳减排量15.403吨/h大于岛内的综合能耗等价碳当量12.327吨/h，实现了岛内碳中和，且减排二氧化碳贡献为3.076吨/h。(详见附图4)
当能源岛电水联产负荷603.37MW时，上网电能为564.75MW，电水联产厂用电负荷(E3c+EH2Oc)为38.6MW，产水出力为81.54吨/h，能源岛吸纳的绿色电能为38.12MW，利用电水联产的成品水进行绿电制氢的产量为655.13kg/h，二氧化碳的回收量为4.803吨/h，绿电制甲醇的产量为3.494吨/h。上述过程中，能源岛内的综合能耗等价碳当量即岛内消耗化石属性电能(即电水联产厂用电负荷E3c+EH2Oc)对应的总二氧化碳排放量为23.559吨/h，能源岛的二氧化碳减排总量(包括吸纳绿电为38.12MW，回收二氧化碳4.803吨/h)为28.058吨/h。综上，能源岛的二氧化碳减排总量28.058吨/h大于岛内的综合能耗等价碳当量23.559吨/h，实现了岛内碳中和，且减排二氧化碳贡献为4.499吨/h。(详见附图4)
在实施例1中，能源岛通过岛内的电水联产供给绿电制氢用水Hz，同时回收碳收集制取甲醇系统(E-CH3OH)的回收水Hh，剩余的大部分水用于补充电水联产机组的自身消耗，从而实现岛内水平衡，岛外零取水。当电水联产负荷331.25MW时，产水出力为44.18吨/h，绿电制氢的用水量Hz为3.2t/h，甲醇系统(E-CH3OH)的回收水量Hh为1.1吨/h，电水联产机组自身用水量为41.7吨/h。电水联产机组对制氢和制甲醇系统的供水量Hd为2.48t/h；制氢系统的用水量为3.2t/h，制甲醇回收水量为1.1t/h，净用水量为2.1t/h。综上，岛内水平衡余量0.38t/h(2.48-2.1＝0.38)，余水缓存在蓄水池内，能源岛实现了内部用水自足，外部零取水。(岛内水平衡数据详见附图5-8)
当电水联产负荷603.37MW时，产水出力为81.54吨/h，绿电制氢的用水量Hz为5.9t/h，甲醇系统(E-CH3OH)的回收水量Hh为2.0吨/h，电水联产机组自身用水量为77吨/h。电水联产机组对制氢和制甲醇系统的供水量Hd为4.54t/h；制氢系统的用水量为5.9t/h，制甲醇回收水量为2.0t/h，净用水量为3.9t/h。综上，岛内水平衡余量0.64t/h(4.54-3.9＝0.64)，余水缓存在蓄水池内。能源岛实现了内部用水自足，外部零取水。(岛内水平衡数据详见附图5-8)
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电水氢甲醇多联产能源岛，其特征在于，包括：烟气提水电水联产系统、耦合发电制储氢系统、碳收集制取甲醇系统、电网、甲醇站和加氢站；
其中，
所述烟气提水电水联产系统包括气体绝缘开关、电水联产装置、二氧化碳收集装置、蓄水池、储氧单元和厂用微电网；
所述电水联产装置的电力出线与所述厂用微电网相连，同时通过所述气体绝缘开关与电网相连；
所述电水联产装置包括氧气进口和二氧化碳出口；所述氧气进口与所述储氧单元连通；所述二氧化碳出口通过二氧化碳收集装置与所述碳收集制取甲醇系统连通；
所述蓄水池的进水口与所述电水联产装置连通，同时与所述碳收集制取甲醇系统连通；所述蓄水池的出水口与所述耦合发电制储氢系统连通；
所述耦合发电制储氢系统包括绿电装置和制储氢装置；
所述绿电装置的电力出线通过厂用微电网与所述制储氢装置相连；
所述制储氢装置包括氢气出口和氧气出口；所述氢气出口通过供氢管路与所述碳收集制取甲醇系统相连，并同时与加氢站相连；所述氧气出口通过供氧管路与所述储氧单元相连；所述制储氢装置通过供水管路与所述蓄水池的出水口连通；
所述碳收集制取甲醇系统的电力入线与所述厂用微电网相连，同时所述碳收集制取甲醇系统包括甲醇出口；所述甲醇出口与所述甲醇站连通。
2.根据权利要求1所述的一种电水氢甲醇多联产能源岛，其特征在于，所述绿电装置的电力出线上包括变压器一；所述电水联产装置与所述厂用微电网之间包括变压器二；所述电水联产装置与电网之间包括所述气体绝缘开关、变压器三和电能上网关口表。
3.根据权利要求1所述的一种电水氢甲醇多联产能源岛，其特征在于，所述绿电装置包括风电和光伏发电。
4.根据权利要求1所述的一种电水氢甲醇多联产能源岛，其特征在于，所述二氧化碳收集装置与所述二氧化碳出口之间包括净烟气管道。
5.一种电水氢甲醇多联产方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一所述的一种电水氢甲醇多联产能源岛，具体包括如下步骤：
1)碳中和方法：回收所述电水联产装置产生的冷凝水，并利用所述厂用微电网吸纳和平衡风电和光伏发电产生的绿色电能电解所述冷凝水制取氢气；
进一步回收所述电水联产装置产生的二氧化碳，并与上述氢气合成制取甲醇；在此过程中，所述二氧化碳的回收量和氢气制取、甲醇制取和绿电厂用产生的二氧化碳减排量之和大于能源岛的综合能耗等价碳当量，从而实现岛内碳中和；
2)零取水方法：所述烟气提水电水联产系统产生合格的电解水，所述电解水通过蓄水池输送至所述制储氢装置以制取氢气；
所述碳收集制取甲醇系统向所述烟气提水电水联产系统输送回收水，形成水循环回用系统，实现岛内用水自平衡，外部零取水；
3)风光火耦合节能发电方法：在所述能源岛内部，所述厂用微电网接入风电装置和光伏发电装置，形成微网电能池并进行耦合调峰，最大程度消纳风电和光电；同时，以电水联产装置的调峰平衡电量补充厂用微电网的峰谷缺口，形成绿电制氢、绿电制甲醇、绿电厂用、耦合调峰的能源岛；
进一步的，以制储氢装置的副产品氧气接入电水联产装置，通过优化燃烧，降低电水联产消耗厂用电对应的化石能源比重，降低供电煤耗；
在所述能源岛外部，能源岛与电网之间形成点对网式供电结构，电网的调度指令以能源岛出口的电能关口表为反馈节点，进行整岛调度，从而实现岛内风光火耦合节能发电。
6.根据权利要求5所述的一种电水氢甲醇多联产方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳中和方法如以下关系式所示；
上网电能能量为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)，
绿电能量为：EL＝Kf(E1,E2,E3)-E3，
绿电等价碳减排量为：CdEL＝Cd[Kf(E1,E2,E3)-E3]，
岛内综合能耗等价碳当量为：Cz＝Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)，
二氧化碳回收量为Csj，
总的二氧化碳减排量为CdEL+Csj；
碳中和关系式为：CdEL+Csj≥Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)，
或，
CdEL+Csj-Cd(E3c+EH2Oc+EH2c′+Ec2c′)≥0。
7.根据权利要求5所述的一种电水氢甲醇多联产方法，其特征在于，步骤(2)中所述零取水方法如以下关系式所示：
其水平衡关系式为：
Hd＝Hz-Hh或Hz＝Hd+Hh；
其蓄水池S的额定储水量为：
Qa＝1.5Qr+Qd+Qh。
8.根据权利要求5所述的一种电水氢甲醇多联产方法，其特征在于，所述电水联产装置的湿饱和烟气温度为45℃～55℃，压力为0.089MPa～0.101MPa；
所述碳收集制取甲醇系统对二氧化碳进行合成甲醇反应前处理，使二氧化碳达到温度为255℃～305℃，压力为3MPa～5MPa等级；
所述烟气提水电水联产系统的冷凝水温度为25℃～35℃；
所述制储氢装置的氢气温度为255℃～305℃。
9.根据权利要求5所述的一种电水氢甲醇多联产方法，其特征在于，
所述能源岛内物料平衡关系为：CO2、H2O、H2和CH3OH的质量比为14.8～15.2:18.2～18.7:2.02～2.07:10.7～11.0或
Figure FDA0003329582530000031
所述能源岛内能量平衡关系式为：Ew＝Kf(E1,E2,E3)-(E3c+EH2Oc+EH2c+Ec2c)。
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