CN114977309A - 一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，火电厂燃料系统的出口依次经制粉系统与锅炉上的燃烧器相连通，锅炉的蒸汽出口与蒸汽轮机的入口相连通，蒸汽轮机的乏汽出口与工业用汽设备、吸收式制冷设备及换热器的放热侧相连通；蒸汽轮机的输出端与发电机的驱动轴相连接，发电机的输出端与公用电网及厂用电网相连接，厂用电网与电解制氢设备、空分设备、公用气体制备设备、压缩式制冷设备及压缩式热泵相连接，分布式光伏的输出端与电解制氢设备的电源接口相连接，电解制氢设备的氢气出口及空分设备的氮气出口与氨反应器的入口相连通，氨反应器的出口与锅炉上的氨燃烧器相连通，该系统能够实现综合能源服务与氢能的结合。
Description
技术领域
本发明涉及一种火电厂综合能源服务系统，具体涉及一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统。
背景技术
目前综合能源服务出发点主要在网侧、用户侧，其主要技术路线为通过风光储、光储充以及各种热泵、蓄冷装置等构成的供能系统。国内发电企业已开展业务多为基于天然气分布式能源站的综合能源服务，但对于基于火电厂源侧的综合能源服务的研究尚未报道。
综合能源服务是降低碳排放，实现绿色低碳转型的途径之一。氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源的消纳；在不同行业和地区间进行能量再分配；充当能源缓冲载体提高能源系统韧性；降低交通运输过程中的碳排放；降低工业用能领域的碳排放；代替焦炭用于冶金工业降低碳排放，降低建筑采暖的碳排放。我国氢能源发展目前主要集中在氢燃料电池汽车及配套加氢站建设方向。然而，作为一种二次能源，氢能的潜力却远不止于氢燃料电池汽车，利用氢能在电力、工业、热力等领域构建未来低碳综合能源体系已被证明拥有巨大潜力。
将氢气作为一种原料广泛地应用于工业原料、直燃供能、家用燃料电池和燃料电池汽车等领域是氢能的主要使用与发展方向，相关技术近年来已取得了长足进步。然而，新兴能源发展的核心就是实现低廉、高效的原料来源和储运，氢能发展也面临同样的问题。因此，制氢与储氢技术是氢气得到高效利用的关键，是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈，也成为目前氢能产业化发展的重点和难点之一。氨气(NH3)是氢能的一种良好载体，相比于氢气(H2)，氨的主要优势是高含氢量和高体积能量密度，液氨的单位体积含氢量和体积能量密度甚至高于液氢。同时由于其生产工艺成熟，极易液化便于存储和运输，以及安全性高等优势，被认为是更具潜力的清洁燃料，可有效充当氢和能量的载体。
根据欧盟的氢能利用方案，在制氢方面，主要通过PtG技术来最大限度地解决欧洲可再生能源利用和运输问题。PtG技术即利用富余的可再生能源电解水，将电能转化为氢气，以化学能的形式实现可再生能源的利用与长期储存。电解得到的氢气可直接多样化应用于交通运输、工业利用或燃气发电等领域，也可将氢气混入天然气管网后进行储运，此外，还可将氢和二氧化碳相结合，转化为甲烷后再输入天然气管网。
与欧洲、日本等技术领先国家的氢能发展路线相比，我国氢能的着眼点仍多局限于氢燃料电池汽车，PtG等其他氢能领域，因此，氢能发展目光应该更长远，提前布局更广阔的相关领域。
基于目前我国火电机组容量占比高，火电机组更多的参与到调峰、现货市场交易，未来火电机组的年利用小时数将大幅下滑，依靠单纯的供电服务将难以适应我国能源转型和节能减排的现实需求。应考虑如何有效的利用好存量火电资产，综合能源服务和氢能利用都是国家鼓励的可降低碳排放的绿炭技术。若能利用已有火电机组，将综合能源服务和氢能结合利用起来，既能解决火电厂的生存问题，又可以加快实现我国能源转型和碳减排目标。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，该系统能够实现综合能源服务与氢能的结合。
为达到上述目的，本发明所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统包括火电厂燃料系统、制粉系统、燃烧器、氨燃烧器、锅炉、蒸汽轮机、发电机、厂用电网、公用电网、分布式光伏、电解制氢设备、空分设备、氨反应器、公用气体制备设备、工业用汽设备、压缩式制冷设备、吸收式制冷设备、压缩式热泵及换热器；
火电厂燃料系统的出口依次经制粉系统与锅炉上的燃烧器相连通，锅炉的蒸汽出口与蒸汽轮机的入口相连通，蒸汽轮机的乏汽出口与工业用汽设备、吸收式制冷设备及换热器的放热侧相连通；
蒸汽轮机的输出端与发电机的驱动轴相连接，发电机的输出端与公用电网及厂用电网相连接，厂用电网与电解制氢设备、空分设备、公用气体制备设备、压缩式制冷设备及压缩式热泵相连接，分布式光伏的输出端与电解制氢设备的电源接口相连接，电解制氢设备的氢气出口及空分设备的氮气出口与氨反应器的入口相连通，氨反应器的出口与外送管道及锅炉上的氨燃烧器相连通；
还包括储冷设备，压缩式制冷设备的出口及吸收式制冷设备的出口与储冷设备相连通。
还包括储热设备，压缩式热泵的出口及换热器的吸热侧出口与储热设备相连通。
还包括储罐，氨反应器的出口与储罐的入口相连通，储罐的出口与外送管道及锅炉上的氨燃烧器相连通。
还包括供冷设备，压缩式制冷设备的出口及吸收式制冷设备的出口与供冷设备相连通。
还包括供暖设备，压缩式热泵的出口及换热器的吸热侧出口与供暖设备相连通。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统在具体操作时，利用分布式光伏及火电机组深度调峰多余的电制氢，合成的氨进行存储，在机组高负荷时送入锅炉内燃烧，既实现储能，提高机组灵活性，赚取电价差，又可以通过掺氨燃烧降低碳排放，另外，本发明通过氢气与氮气反应合成为氨气，氨气的存储及运输安全性高，爆燃风险小，且氮气制备来自机组配套空分装置，成本低。同时本发明除了供电外，还可以供热、供冷、供汽、供公用气体及储能，制氨系统的用电、用气均可来自于综合能源服务系统，成本更低，以实现综合能源服务与氢能的结合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为火电厂燃料系统、2为制粉系统、3为燃烧器、4为氨燃烧器、5为锅炉、6为蒸汽轮机、7为发电机、8为厂用电网、9为公用电网、10为分布式光伏、11为电解制氢设备、12为空分设备、13为氨反应器、14为储罐、15为公用气体制备设备、16为工业用汽设备、17 为压缩式制冷设备、18为吸收式制冷设备、19为压缩式热泵、20为换热器、21为储冷设备、22为储热设备、23为供冷设备、24为供暖设备。
具体实施方式
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，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统包括火电厂燃料系统1、制粉系统2、燃烧器3、氨燃烧器4、锅炉5、蒸汽轮机6、发电机7、厂用电网8、公用电网9、分布式光伏10、电解制氢设备11、空分设备12、氨反应器13、储罐14、公用气体制备设备15、工业用汽设备16、压缩式制冷设备17、吸收式制冷设备18、压缩式热泵19、换热器20、储冷设备21、储热设备22、供冷设备23及供暖设备24；
火电厂燃料系统1的出口依次经制粉系统2与锅炉5上的燃烧器3 相连通，锅炉5的蒸汽出口与蒸汽轮机6的入口相连通，蒸汽轮机6的乏汽出口与工业用汽设备16、吸收式制冷设备18及换热器20的放热侧相连通；
蒸汽轮机6的输出端与发电机7的驱动轴相连接，发电机7的输出端与公用电网9及厂用电网8相连接，厂用电网8与电解制氢设备11、空分设备12、公用气体制备设备15、压缩式制冷设备17及压缩式热泵 19相连接，分布式光伏10的输出端与电解制氢设备11的电源接口相连接，电解制氢设备11的氢气出口及空分设备12的氮气出口与氨反应器 13的入口相连通，氨反应器13的出口与储罐14的入口相连通，储罐14 的出口与外送管道及锅炉5上的氨燃烧器4相连通；
压缩式制冷设备17的出口及吸收式制冷设备18的出口与储冷设备 21及供冷设备23相连通，压缩式热泵19的出口及换热器20的吸热侧出口与储热设备22及供暖设备24相连通。
本发明的输入介质为氨气及煤，输出介质为电、蒸汽、冷介质、热介质、氢气及氮气。
本发明的具体工作过程为：
煤通过火电厂燃料系统1、制粉系统2及一次风输送至燃烧器3，然后进入锅炉5的炉膛中燃烧。
分布式光伏10发出的绿电以及来自厂用电网8深度调峰多余的电供给电解制氢设备11制取氢气，同时，空分设备12制出的氮气引出一路，与电解制氢设备11制出的氢气同时进入氨反应器13中，在氨反应器13 内生成氨气，生成的氨气进入储罐14，储罐14内的氨气既可以外送，也可以送入锅炉5内燃烧，在锅炉5上增加氨燃烧器4，储罐14内的氨气与二次风混合后经氨燃烧器4进入到锅炉5中燃烧。
利用原火电厂的厂房屋顶或者空地布置一套分布式光伏10，将分布式光伏10所发的电用于制氨，制取的氨气储存于储罐14内，作为能量存储。氨气燃烧速度快，不需要经过制粉系统2的碾磨就可以直接进入炉内燃烧，以提高机组对深度调峰的负荷响应速率，有利于提高现货市场交易中的中标率。
燃煤和氨气分别通过燃烧器3及氨燃烧器4进入锅炉5内燃烧，使输入端燃料的化学能转化为热能，加热循环工质产生高品位蒸汽，所述高品位蒸汽进入蒸汽轮机6做功，带动发电机7发电产生电能，做功后的乏气，品位逐渐降低到特定品位后，从蒸汽轮机6中直接抽取，通过管网，供给园区内的工业用汽设备16、吸收式制冷设备18及换热器20 使用。
发电机7产生的电能，一部分进入公用电网9，另一部分进入厂用电网8，电能通过厂用电网8，供给园区内的空分设备12、电解制氢设备11及公用气体制备设备15，其中，空分设备12生产的氮气一部分作为厂用气，另一部分进入氨反应器13制氨，电解制氢设备11的电来自于厂用电网8深度调峰多余的电以及分布式光伏10产生的电，电解制氢设备11制出的氢气一部分作为厂用，一部分进入氨反应器13制氨，以得到氮气、氧气、氢气及氨气等各种气体产物；还可以供给园区内的压缩式制冷设备17及压缩式热泵19使用。
压缩式制冷设备17与吸收式制冷设备18可共同产出冷介质，所述冷介质通过管网，供给园区内的供冷设备23使用。管网中设置储冷设备 21作为缓冲，通过实时调节管网中的冷介质流分配，保证园区供冷量及需冷量的平衡。
压缩式热泵19与换热器20可共同产出热介质。热介质通过管网，供给园区内的供暖设备24使用。管网中设置储热设备22作为缓冲，通过实时调节管网中的热介质流分配，保证园区供暖量及需暖量的平衡。
需要说明的是，本发明在火电厂普遍亏损、深度调峰、碳排放压力大的大背景下，结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，在火电厂空地上建设分布式光伏10，除了供电外，同时还可以供热、汽、冷、储能、氢能、掺氨燃烧等服务，供应多种产品，以提高火电厂的整体盈利水平，综合能源服务及氢能利用、掺氨燃烧可降低其碳排放水平、分布式光伏 10发电及深度调峰火电多余的电可用于储能、电解水制氢等，提高机组深度调峰能力、电价差盈利能力、氢能供应能力。
另外，本发明在原火电厂燃煤机组的基础上，从碳减排、提高火电厂盈利水平及综合能源服务水平的角度出发，利用分布式光伏10发出的电或者火电机组深度调峰时多余的电，电解水来制氢，考虑到储氢风险高，氢气与氮气反应生产氨气，采用氨气来实现氢能利用，炉内增加氨燃烧器4，氨气进入炉内燃烧，多余的氨气存储起来可以外送，氨气的储存和输运技术成熟，爆炸风险比氢气小的多。利用火电厂原燃煤机组，可以从汽轮机抽汽，以实现供汽、供热，利用蒸汽作为吸收式热泵的热源来实现供冷，利用厂用电成本低的优势，可以为公用气体生产系统，如空分等供电用，以制备电厂或工业园区所用的公用气体，同时生产出来的氮气可用于与氢气反应生产氨气，分布式光伏10的发电和深度调峰多余的电可用于电解水制氢，再与氢气反应成氨气，以实现氨储能。
Claims (6)
1.一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，包括火电厂燃料系统(1)、制粉系统(2)、燃烧器(3)、氨燃烧器(4)、锅炉(5)、蒸汽轮机(6)、发电机(7)、厂用电网(8)、公用电网(9)、分布式光伏(10)、电解制氢设备(11)、空分设备(12)、氨反应器(13)、公用气体制备设备(15)、工业用汽设备(16)、压缩式制冷设备(17)、吸收式制冷设备(18)、压缩式热泵(19)及换热器(20)；
火电厂燃料系统(1)的出口依次经制粉系统(2)与锅炉(5)上的燃烧器(3)相连通，锅炉(5)的蒸汽出口与蒸汽轮机(6)的入口相连通，蒸汽轮机(6)的乏汽出口与工业用汽设备(16)、吸收式制冷设备(18)及换热器(20)的放热侧相连通；
蒸汽轮机(6)的输出端与发电机(7)的驱动轴相连接，发电机(7)的输出端与公用电网(9)及厂用电网(8)相连接，厂用电网(8)与电解制氢设备(11)、空分设备(12)、公用气体制备设备(15)、压缩式制冷设备(17)及压缩式热泵(19)相连接，分布式光伏(10)的输出端与电解制氢设备(11)的电源接口相连接，电解制氢设备(11)的氢气出口及空分设备(12)的氮气出口与氨反应器(13)的入口相连通，氨反应器(13)的出口与外送管道及锅炉(5)上的氨燃烧器(4)相连通。
2.根据权利要求1所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，还包括储冷设备(21)，压缩式制冷设备(17)的出口及吸收式制冷设备(18)的出口与储冷设备(21)相连通。
3.根据权利要求1所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，还包括储热设备(22)，压缩式热泵(19)的出口及换热器(20)的吸热侧出口与储热设备(22)相连通。
4.根据权利要求1所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，还包括储罐(14)，氨反应器(13)的出口与储罐(14)的入口相连通，储罐(14)的出口与外送管道及锅炉(5)上的氨燃烧器(4)相连通。
5.根据权利要求1所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，还包括供冷设备(23)，压缩式制冷设备(17)的出口及吸收式制冷设备(18)的出口与供冷设备(23)相连通。
6.根据权利要求1所述的结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，其特征在于，还包括供暖设备(24)，压缩式热泵(19)的出口及换热器(20)的吸热侧出口与供暖设备(24)相连通。
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