CN115307196A - 一种港口热电联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种港口热电联供系统，以碳捕捉技术收集工业生产释放的二氧化碳，采用风电能和光伏电能实施绿电制氢后和收集的二氧化碳制备甲醇，能减少排放到空气中的二氧化碳浓度，有效减排二氧化碳而改善环境，形成的低碳可存储的液态甲醇能安全和便利的进行存储与运输；在通过风电能、光伏电能和氢能实现稳定的给港口机械设备、港口办公建筑供电同时，还能利用制甲醇设备、甲醇制氢设备以及氢燃料电池工作时产生的热能给港口办公建筑供热；甲醇制氢设备在制氢期间生成的二氧化碳能够再利用于制甲醇；本发明提出的热电联供系统有效减排二氧化碳，实现新能源在港口的综合利用，助力智慧绿色港口建设，为实现“碳达峰”、“碳中和”目标贡献力量。

Description

一种港口热电联供系统
技术领域
本发明属于自动化码头技术领域，具体地说，是涉及一种港口氢能热电联供系统。
背景技术
随着智慧绿色港口建设的迅速发展，以氢能作为港口动力的技术研究在不断深入，需要研究通过风电、光伏等绿色能源与氢燃料电池提供的电力给港口机械设备以及办公楼等供能，但目前受限于风电、光伏的不稳定供电以及氢能储运环节的经济性与安全性等问题，这些新能源还不能得到大面积推广应用。
同时，近年来大气中二氧化碳含量不断上升，由温室效应导致全球气候变化。据统计分析，使用化石能源后排放的二氧化碳是造成全球变暖的主要因素。目前化石能源在国民经济中具有重要的地位，大型发电厂、钢铁厂、化工厂等企业使用化石能源时会产生大量二氧化碳。
发明内容
本发明提出一种港口热电联供系统从而建立一套新能源供应体系，采用风能、光伏能和氢能三种方式实现多元化电能互补，保证任何时间都能无缝持续供应稳定的电能，合成甲醇为液态燃料，能安全和便利的进行氢能存储和运输，解决氢能储运环节的经济性与安全性问题；能综合利用制甲醇设备和甲醇制氢设备以及氢燃料电池工作时产生的热能给港口办公建筑供热；制甲醇过程中，采用了碳捕捉技术对工业生产中释放的二氧化碳进行吸收和使用，同时，对发电过程中产生的二氧化碳进行再利用。
本发明采用以下技术方案予以实现：
提出一种港口热电联供系统，包括：
二氧化碳收集系统，基于碳捕捉技术收集工业生产中释放的二氧化碳；
风力发电设备，输出风电能；
太阳能发电设备，输出光伏电能；
电解水制氢设备，利用风电能和光伏电能进行电解水制氢气；
制甲醇设备，连接二氧化碳收集系统和电解水制氢设备，通过合成氢气、二氧化碳制取甲醇；
甲醇存储设备，存储制甲醇设备制取的甲醇；
甲醇制氢设备，连接甲醇存储设备，利用甲醇制取氢气；制氢过程中产生的二氧化碳供给制甲醇设备；
氢燃料电池，由甲醇制氢设备提供氢气，输出第一电能；
储热装置，收集制甲醇设备在制备甲醇过程中产生的热能，收集甲醇制氢设备在制氢过程中产生的热能，以及，收集氢燃料电池产生的热能；
供电智控系统，控制风电能、光伏电能向港口机械设备、港口办公建筑、电解水制氢设备和制甲醇设备供电；控制电解水制氢设备与制甲醇设备联合制备甲醇并存储；控制氢燃料电池为港口机械设备和港口办公建筑供电；
供热智控系统，在港口办公建筑需要供热时，向供电智控系统发起供热请求，若储热装置的热量未达到储热最高值，供电智控系统控制电解水制氢设备和制甲醇设备同时启动、或甲醇制氢设备和氢燃料电池同时启动，由启动的设备产生热能存储至储热装置，基于储热装置的储热为港口办公建筑供热；在储热装置的热量达到储热最高值时，向供电智控系统发出信息，所述供电智控系统控制电解水制氢设备和制甲醇设备通过风冷方式向空气散热、或甲醇制氢设备和氢燃料电池通过风冷方式向空气散热。
在本发明一些实施例中，所述系统还包括：风力监测器，用于监测港口风力强度，并向所述供电智控系统上报风力信息；光照监测器，用于监测港口光照强度，并向所述供电智控系统上报光照信息；所述供电智控系统，在风力低于风力发电阈值或光照低于光照阈值时，判断太阳能发电设备或风力发电设备并网发电量能否达到额定发电量，若能，则并网发电设备供电线路，若否，则控制甲醇制氢设备启动，产生氢气供给氢燃料电池，由氢燃料电池发电供港口机械设备和港口办公建筑使用。
在本发明一些实施例中，所述供电智控系统，还用于：根据风力信息和光照信息预估发电量；根据港口机械设备与港口办公建筑的用电量和港口装卸计划预估用电量；当发电量大于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，同时，控制电解水制氢设备及制甲醇设备启动制备氢气和甲醇；当发电量等于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑；当发电量小于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，并启动甲醇制氢设备制氢，氢气进入氢燃料电池发电，氢燃料电池产生的第一电能与风电能和光伏电能并网供给港口机械设备和港口办公建筑。
在本发明一些实施例中，所述系统还包括：甲醇储量监测设备，用于监测甲醇存储设备的甲醇储量，并向所述供电智控系统上报储量信息；所述供电智控系统，根据储量信息计算甲醇消耗量与发电量的比例，根据用电量估算甲醇剩余储量。
在本发明一些实施例中，所述储热装置包括其配套设备，包括换热器、散热器、和循环泵；其中，换热器安装于制甲醇设备、甲醇制氢设备和氢燃料电池的散热位置上，通过独立的循环管路与配套的散热器连接，散热器安装于储热装置中；循环管路中加注冷却液，基于循环泵的驱动，冷却液将热量输送至储热装置；所述储热装置采用熔盐储热技术，在需要供热时通过熔盐泵输送高温熔盐进入到换热系统中，与供热的循环水换热，换热后的循环水为港口办公建筑供热。
在本发明一些实施例中，所述二氧化碳收集系统收集的二氧化碳和所述甲醇制氢设备在制氢过程中产生的二氧化碳存储在储罐中。
在本发明一些实施例中，所述供电智控系统，在风电能和光伏电能大于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制风电能和光伏电能为港口机械设备和港口办公建筑供电，以及，为电解水制氢设备和制甲醇设备供电，控制电解水制氢设备和制甲醇设备制备氢气和甲醇；在风电能和光伏电能小于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制甲醇制氢设备制氢，氢气进入氢燃料电池发电，氢燃料电池输出第一电能为港口机械设备和港口办公建筑供电。
在本发明一些实施例中，所述系统还包括服务器管理系统，配置前置服务器、WEB服务器和历史服务器；其中，前置服务器，用于获取供电智控系统的数据对其进行预处理，将预处理后的数据转发给历史服务器，与历史服务器之间的数据同步；历史服务器，用于为供电智控系统和供热智控系统提供数据存储；接收前置服务器转发的数据进行存储；WEB服务器，用于各前置服务器之间的数据交换，以实现可以通过局域网使用港口热电联供系统的功能；获取供电智控系统和供热智控系统的数据，计算各数据的排行、年度月度同比、环比，同步显示至供电智控系统和供热智控系统。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的港口热电联供系统，以碳捕捉技术收集工业生产中释放的二氧化碳，采用风电能和光伏电能实施绿电制氢后和收集的二氧化碳制备甲醇，能减少排放到空气中的二氧化碳浓度，有效减排二氧化碳而改善环境，形成的低碳可存储的液态甲醇能安全和便利的进行存储与运输，可解决氢能储运环节的经济性与安全性等问题；在通过风电能、光伏电能和氢能实现稳定的给港口机械设备、港口办公建筑供电同时，还能利用制甲醇设备、甲醇制氢设备以及氢燃料电池工作时产生的热能给港口办公建筑供热；甲醇制氢设备在制氢期间生成的二氧化碳能够再利用于制甲醇；本发明提出的热电联供系统对于深层次挖掘清洁能源多元化，减少“弃风弃光”率，有效减排二氧化碳等方面都非常有益，可实现新能源在港口的综合利用，解决港口当前在新能源推广中存在的问题，助力智慧绿色港口建设。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1 为本发明提出的港口热电联供系统的系统架构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提出的港口热电联供系统，包括：
二氧化碳收集系统1，基于碳捕捉技术收集工业生产中释放的二氧化碳。
风力发电设备2，输出风电能。
太阳能发电设备3，输出光伏电能。
通过风力和太阳能的方式进行发电，两种发电方式产生的电能分别通过升压、降压等设备将不同电压等级的电转换成相同电压，再逆变成港口机械设备、办公楼和电解水制氢所需要的电压大小。
电解水制氢设备4，利用风电能和光伏电能进行电解水制氢气。
制甲醇设备5，连接二氧化碳收集系统1和电解水制氢设备4，通过合成氢气、二氧化碳制取甲醇。
甲醇存储设备6，存储制甲醇设备制取的甲醇。制取的甲醇为低碳可存储的液态甲醇。
甲醇制氢设备7，连接甲醇存储设备6，利用甲醇制取氢气；制氢过程中产生的二氧化碳供给制甲醇设备5。
氢燃料电池8，由甲醇制氢设备提供氢气，输出第一电能。
储热装置9，收集制甲醇设备5在制备甲醇过程中产生的热能，收集甲醇制氢设备7在制氢过程中产生的热能，以及，收集氢燃料电池8产生的热能。
供电智控系统10，控制风电能、光伏电能向港口机械设备、港口办公建筑、电解水制氢设备4和制甲醇设备5供电；控制制甲醇设备5制备甲醇并存储；控制氢燃料电池8为港口机械设备和港口办公建筑供电。
供热智控系统11，在港口办公建筑需要供热时，向供电智控系统10发起供热请求，若储热装置9的热量未达到储热最高值，供电智控系统10控制电解水制氢设备4和制甲醇设备5同时启动、或甲醇制氢设备7和氢燃料电池8同时启动，由启动的设备产生热能存储至储热装置9，基于储热装置9的储热为港口办公建筑供热；在储热装置9的热量达到储热最高值时，向供电智控系统10发出信息，供电智控系统10控制电解水制氢设备4和制甲醇设备5通过风冷方式向空气散热、或甲醇制氢设备和氢燃料电池通过风冷方式向空气散热。
碳捕捉技术主要包括三种方式：
（1）燃烧后捕捉，多用于发电厂，在电厂燃烧段之后放置吸收分离装置，使用溶剂对CO2进行吸收，最后吹脱出CO2气体并压缩。
（2）燃烧前捕捉，将煤炭和生物质燃料气化，在进入燃烧段进行反应，同时通入一定的水蒸气，最终产物包含CO2，由于混合气体气压很高，因此CO2分离很容易，经过吸收/吸附/膜分离等技术进行压缩。
（3）氧气燃烧，将空气中的氮气与氧气分离，使用纯氧对燃料进行燃烧，从而提高燃烧效率，提高CO2的纯度。
本发明基于碳捕捉技术，将周边燃煤发电厂、钢铁厂、化工厂等企业作业期间产生的二氧化碳进行收集，可直接输送至制甲醇设备5，或存储于储罐15中，经储罐供给制甲醇设备5。
风电能、光伏电能通过供电智控系统10的控制，在供给满足港口机械设备和港口办公建筑供电时，多余电力供给电解水制氢设备4，通入充满电解液的电解槽，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，氢气通过管道供给制甲醇设备5。
制甲醇设备5通过羰基合成法，合成氢气和二氧化碳制取甲醇，所得甲醇经过管道输送至甲醇存储设备6，热能通过换热储存至储热装置9。
甲醇存储设备6具备外接输入和输出功能，接收制甲醇设备5产生的甲醇，当甲醇储量有冗余时，通过车辆、管道等方式对外输出，当甲醇储量不足时，通过车辆、管道等方式向内补充。
在本发明一些实施例中，如图1所示，在港口热电联供系统中设置甲醇储量监测设备14，用于监测甲醇存储设备6的甲醇储量，并向供电智控系统10上报储量信息，供电智控系统10可根据储量信息计算甲醇消耗量与发电量的比例，根据用电量估算甲醇剩余储量，当甲醇储量有冗余时，通过车辆、管道等方式对外输出，当甲醇储量不足时，通过车辆、管道等方式向内补充。
甲醇制氢设备7由甲醇存储设备6供给甲醇，利用甲醇蒸汽重组技术，发生甲醇裂解反应制取氢气，氢气输出管路连接至氢燃料电池8的进气口，产生热能通过换热存储至储热装置9，反应生成的CO2直接供给制甲醇设备5，或存储于储罐15中。
氢燃料电池8，生成的第一电能供港口机械设备和港口办公建筑供电，产生的热能通过换热存储至储热装置9。
在本发明一些实施例中，该热电联供系统如图1所示，还包括：
风力监测器12，用于监测港口风力强度，并向供电智控系统10上报风力信息。
光照监测器13，用于监测港口光照强度，并向供电智控系统上报光照信息。
供电智控系统10基于风力信息和光照信息进行判断，在风力低于风力发电阈值或光照低于光照阈值时，判断太阳能发电设备2或风力发电设备1并网发电量能否达到额定发电量，若能，则并网发电设备供电线路，若否，则控制甲醇制氢设备7启动，产生氢气供给氢燃料电池8，由氢燃料电池8发电供港口机械设备和港口办公建筑使用。
在本发明一些实施例中，供电智控系统10一方面根据风力信息和光照信息预估发电量；另一方面，则根据港口机械设备与港口办公建筑的用电量和港口装卸计划预估用电量；当发电量大于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，同时，控制电解水制氢设备4及制甲醇设备5启动制备氢气和甲醇；当发电量等于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑；当发电量小于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，并启动甲醇制氢设备7制氢，氢气进入氢燃料电池8发电，氢燃料电池8产生的第一电能与风电能和光伏电能并网供给港口机械设备和港口办公建筑。
在本发明一些实施例中，供电智控系统10在风电能和光伏电能大于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制风电能和光伏电能为港口机械设备和港口办公建筑供电，以及，为电解水制氢设备和制甲醇设备供电，控制电解水制氢设备和制甲醇设备制备氢气和甲醇；在风电能和光伏电能小于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制甲醇制氢设备制氢，氢气进入氢燃料电池发电，氢燃料电池输出第一电能为港口机械设备和港口办公建筑供电。
在本发明一些实施例中，储热装置9包括有其配套设备，这些配套装置至少包括换热器、散热器和循环泵。其中，换热器安装于制甲醇设备5、甲醇制氢设备7和氢燃料电池8的散热位置上，各换热器通过独立的循环管路与配套的散热器连接，散热器则安装于储热装置9中；循环管路中加注冷却液，基于循环泵的驱动，冷却液将热量输送至储热装置，同储热装置9换热；储热装置9采用熔盐储热技术，冷却液的热量置换给熔盐，由熔盐储热，在需要供热时，通过熔盐泵将高温熔盐输入到换热系统中，与供热的循环水换热，换热后的循环水为港口办公建筑供热。这里的换热系统例如与循环水管路连接的水箱等。
在港口办公建筑需要供热时，供热智控系统11接收供热传感器16（安装于港口办公建筑中）采集的信息，根据采集的信息解析供热状态、供热需求等，根据供热状态和/或供热需求启动或者停止电解水制氢设备4、制甲醇设备5、甲醇制氢设备7和/或氢燃料电池8，以及，根据供热状态和/或供热需求控制电解水制氢设备4、制甲醇设备5、甲醇制氢设备7和氢燃料电池8的散热方式，在储热装置9的储热达到最高值时，控制上述设备以风冷向空气散热，在储热装置9的热量未达到储热最高值时，则控制上述设备以液冷方式将热量以换热器交换给冷却液。
在本发明一些实施例中，供电智控系统10主要包括两大模块：数据处理部分和智能化决策控制部分。数据处理部分包含数据中心采集、接入、数据整合管理功能、数据存储功能、数据清洗及质量管理功能、历史数据管理功能，并具备功能可视化等，例如：供电智控系统、供热智控系统、氢燃料电池、电解水制氢设备、制甲醇设备、甲醇储量监控设备、甲醇制氢设备、光照监测器、风力监测器、通信状态、负荷特性、视频监控、环境监控、配置页面等设备实现功能可视化。智能化决策控制部分包含供电分析与自动调节、剩余电能分析、热能供暖分析与自动调节、剩余热能分析、发电线路通断自控、电解水制氢设备启停自控、甲醇制氢设备启停自控、光照强度分析、风力强度分析、能源转供辅助决策、综合故障分析、风险预判等功能。上述功能的实现本领域技术人员可以基于领域内常识实现。
在本发明一些实施例中，该热电联供系统还包括服务器管理系统，该服务器管理系统配置有前置服务器、WEB服务器和历史服务器；其中：
（1）前置服务器，用于为供电智控子系统和供热智控子系统的控制算法提供硬件支撑与安全防护，获取供电智控子系统的发电量、供热量、用电量、潮流值、甲醇储量、光照强度、风力强度等数据，实现多规约的RTU收发、转换功能，将收到的各种数据预处理，并转发给历史服务器，与历史服务器之间的数据自动同步，统计各子系统运行情况；
（2）历史服务器，用于为供电智控子系统和供热智控子系统提供数据存储。接收前置服务器转发的数据存于服务器的硬盘中，客户要求访问读取数据时，就会直接从历史服务器的硬盘中读取，尤其是对多点访问、数据大量传输时，优势更为明显；
（3）WEB服务器，用于各前置服务器之间的数据交换，使各子系统管理员可通过专用局域网使用本系统的所有功能，获取其他各子系统的供电智控子系统发电量、供热量、用电量、潮流值、甲醇储量、光照强度、风力强度等数据并计算相应排行、年度月度同比、环比等内容，同步显示至各子系统。
需要说明的是，本发明限定的是一种应用于港口的热电联供系统架构，上述本发明提到的风力发电设备、太阳能发电设备、电解水制氢设备、制甲醇设备、甲醇存储设备、甲醇制氢设备、氢燃料电池等均可采用技术领域内现有设备、模块集成实现，非本发明限定部分。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种港口热电联供系统，其特征在于，包括：
二氧化碳收集系统，基于碳捕捉技术收集工业生产中释放的二氧化碳；
风力发电设备，输出风电能；
太阳能发电设备，输出光伏电能；
电解水制氢设备，利用风电能和光伏电能进行电解水制氢气；
制甲醇设备，连接二氧化碳收集系统和电解水制氢设备，通过合成氢气、二氧化碳制取甲醇；
甲醇存储设备，存储制甲醇设备制取的甲醇；
甲醇制氢设备，连接甲醇存储设备，利用甲醇制取氢气；制氢过程中产生的二氧化碳供给制甲醇设备；
氢燃料电池，由甲醇制氢设备提供氢气，输出第一电能；
储热装置，收集制甲醇设备在制备甲醇过程中产生的热能，收集甲醇制氢设备在制氢过程中产生的热能，以及，收集氢燃料电池产生的热能；
供电智控系统，控制风电能、光伏电能向港口机械设备、港口办公建筑、电解水制氢设备和制甲醇设备供电；控制电解水制氢设备与制甲醇设备联合制备甲醇并存储；控制氢燃料电池为港口机械设备和港口办公建筑供电；
供热智控系统，在港口办公建筑需要供热时，向供电智控系统发起供热请求，若储热装置的热量未达到储热最高值，供电智控系统控制电解水制氢设备和制甲醇设备同时启动、或甲醇制氢设备和氢燃料电池同时启动，由启动的设备产生热能存储至储热装置，基于储热装置的储热为港口办公建筑供热；在储热装置的热量达到储热最高值时，向供电智控系统发出信息，所述供电智控系统控制电解水制氢设备和制甲醇设备通过风冷方式向空气散热、或甲醇制氢设备和氢燃料电池通过风冷方式向空气散热。
2.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括：
风力监测器，用于监测港口风力强度，并向所述供电智控系统上报风力信息；
光照监测器，用于监测港口光照强度，并向所述供电智控系统上报光照信息；
所述供电智控系统，在风力低于风力发电阈值或光照低于光照阈值时，判断太阳能发电设备或风力发电设备并网发电量能否达到额定发电量，若能，则并网发电设备供电线路，若否，则控制甲醇制氢设备启动，产生氢气供给氢燃料电池，由氢燃料电池发电供港口机械设备和港口办公建筑使用。
3.根据权利要求2所述的港口热电联供系统，其特征在，所述供电智控系统，还用于：
根据风力信息和光照信息预估发电量；
根据港口机械设备与港口办公建筑的用电量和港口装卸计划预估用电量；
当发电量大于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，同时，控制电解水制氢设备及制甲醇设备启动制备氢气和甲醇；
当发电量等于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑；
当发电量小于用电量时，分配电量至港口机械设备和港口办公建筑，并启动甲醇制氢设备制氢，氢气进入氢燃料电池发电，氢燃料电池产生的第一电能与风电能和光伏电能并网供给港口机械设备和港口办公建筑。
4.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括：
甲醇储量监测设备，用于监测甲醇存储设备的甲醇储量，并向所述供电智控系统上报储量信息；
所述供电智控系统，根据储量信息计算甲醇消耗量与发电量的比例，根据用电量估算甲醇剩余储量。
5.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述储热装置包括其配套设备，包括换热器、散热器、和循环泵；其中，
换热器安装于制甲醇设备、甲醇制氢设备和氢燃料电池的散热位置上，通过独立的循环管路与配套的散热器连接，散热器安装于储热装置中；循环管路中加注冷却液，基于循环泵的驱动，冷却液将热量输送至储热装置；
所述储热装置采用熔盐储热技术，在需要供热时通过熔盐泵输送高温熔盐进入到换热系统中，与供热的循环水换热，换热后的循环水为港口办公建筑供热。
6.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述二氧化碳收集系统收集的二氧化碳和所述甲醇制氢设备在制氢过程中产生的二氧化碳存储在储罐中。
7.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述供电智控系统，在风电能和光伏电能大于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制风电能和光伏电能为港口机械设备和港口办公建筑供电，以及，为电解水制氢设备和制甲醇设备供电，控制电解水制氢设备和制甲醇设备制备氢气和甲醇；在风电能和光伏电能小于港口机械设备和港口办公建筑用电量时，控制甲醇制氢设备制氢，氢气进入氢燃料电池发电，氢燃料电池输出第一电能为港口机械设备和港口办公建筑供电。
8.根据权利要求1所述的港口热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括服务器管理系统，配置前置服务器、WEB服务器和历史服务器；其中，
前置服务器，用于获取供电智控系统的数据对其进行预处理，将预处理后的数据转发给历史服务器，与历史服务器之间的数据同步；
历史服务器，用于为供电智控系统和供热智控系统提供数据存储；接收前置服务器转发的数据进行存储；
WEB服务器，用于各前置服务器之间的数据交换，以实现可以通过局域网使用港口热电联供系统的功能；获取供电智控系统和供热智控系统的数据，计算各数据的排行、年度月度同比、环比，同步显示至供电智控系统和供热智控系统。
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