CN116031930A - 基于超临界co2储能热电交换的低碳综合能源供应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，包括火力发电机组(1)、新能源发电机组(2)、超临界CO2储能系统(3)、CO2捕集系统(4)、氢气系统(5)、甲烷甲醇制备系统(6)及供热系统(7)；本发明充分整合区域内煤炭、风、光、氢、热等多种资源，能够实现各子系统之间的动态优化运行与协同管理，在满足系统内多元化用能需求的同时，保证包含新能源的电力系统的稳定性，提升能源利用效率和新能源消纳率，促进能源可持续一体化发展，并同时实现火电机组燃煤烟气CO2的低成本低能耗捕集及综合利用。
Description
技术领域
本发明涉及火电、新能源发电和储能技术领域，尤其涉及一种基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统。
背景技术
电力系统是发电机组与电网构成的整体，电力系统在节能减排上的控制是双碳目标实现的基础。从电源侧出发，目前火电占比仍可观，对燃煤烟气CO2开展捕集、利用与封存是不可或缺的手段，同时，大范围、大容量、多类型的可再生能源发电还需逐步得到接受，以实现电源侧的清洁能源供应。从电网侧出发，目前新能源总装机和发电量飞速增加，导致以风电、光伏等新能源为主体的新型电力系统存在随机性波动性大、可靠性不确定等问题。
为充分保证电网安全，新能源消纳和全面提高系统调峰势在必行，火电机组将会尽最大能力去支撑电网，开展灵活性改造，承担深度调峰调频功能。但由于频繁参与负荷调节，大容量火电机组经常处于低负荷运行状态，导致其面临锅炉燃烧稳定性降低、蒸汽参数波动、汽轮机组寿命损耗、机组安全性和经济性降低等问题。因此，亟需一种能够打破原有电力系统发输配用必须实时平衡的瓶颈，缓解深度调峰对火电机组的不利影响，提高新能源消纳率的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，充分整合区域内煤炭、风、光、氢、热等多种资源，实现各子系统之间的动态优化运行与协同管理，在满足系统内多元化用能需求的同时，保证包含新能源的电力系统的稳定性，提升能源利用效率和新能源消纳率，促进能源可持续一体化发展，并同时实现火电机组燃煤烟气CO2的低成本低能耗捕集及综合利用。
本发明提供了一种基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，包括火力发电机组、新能源发电机组、超临界CO2储能系统、CO2捕集系统、氢气系统、甲烷甲醇制备系统及供热系统；
所述火力发电机组脱硫装置后安装有所述CO2捕集系统；所述火力发电机组和所述新能源发电机组电源侧配备有所述超临界CO2储能系统，用于通过电热交换储存或释放电能热能，以避免所述火力发电机组频繁调峰，提高所述火力发电机组寿命，促进所述新能源发电机组友好并网；
所述火力发电机组、新能源发电机组、超临界CO2储能系统供电端或供热端与所述CO2捕集系统用电端或蒸汽输入管道相连，用于根据用电负荷，通过控制系统的调节为所述CO2捕集系统供电或供热，实现所述CO2捕集系统的动态运行；
所述火力发电机组、新能源发电机组、超临界CO2储能系统与所述氢气系统连接，用于为所述氢气系统电解水制氢提供必备的电能或蒸汽热；
所述超临界CO2储能系统设置蒸汽管道输出端与所述供热系统相连，用于向系统外提供热能；
所述CO2捕集系统、氢气系统与所述甲烷甲醇制备系统连接，用于为所述甲烷甲醇制备系统提供制备化工品的原材料。
进一步地，所述新能源发电机组包括风电机组、光伏机组、核电机组，机组内包含常规发电装置。
进一步地，所述超临界CO2储能系统包括压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统。
进一步地，所述CO2捕集系统为火电机组燃煤烟气CO2捕集系统，由燃煤烟气预处理单元、CO2捕集单元和CO2压缩单元三部分组成。
进一步地，所述氢气系统由低碳绿色氢气制备、储存和输送分配三个单元组成。
进一步地，所述氢气系统采用碱性、质子交换膜、高温固体氧化物中的一种或多种方法实现电解水制氢。
借由上述方案，通过基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，具有如下技术效果：
1)能够实现电网调峰调频，有效提高新能源消纳率。
2)能够减少火电机组负荷频繁调节，延长火电机组、设备和管道寿命。
3)可通过超临界CO2储能向系统外提供廉价蒸汽和热量。
4)依据用电负荷，可对CO2捕集系统实现动态运行控制，高效低成本完成碳捕集及综合利用，系统低碳，化工品输出获得经济效益。
5)能够有效降低系统电耗、能耗和成本。利用超临界CO2热电储能，实现电力系统稳定的电力供应，并为CO2捕集与利用、电解水制氢提供必需的能量供应。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统的结构框图；
图2是本发明的工作流程图。
图中标号：
1-风力发电机组；2-新能源发电机组；3-超临界CO2储能系统；4-CO2捕集系统；5-氢气系统；6-甲烷甲醇制备系统：7-供热系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1、图2所示，本实施例提供了一种基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，包括火力发电机组1、新能源发电机组2、超临界CO2储能系统3、CO2捕集系统4、氢气系统5、甲烷甲醇制备系统6及供热系统7；火力发电机组1脱硫装置后安装有CO2捕集系统4；为适配新能源发电机组2对电网提出的深度调峰调频需求，对火力发电机组1进行灵活性改造，在火力发电机组1和新能源发电机组2电源侧配备超临界CO2储能系统3，用于通过电热交换储存或释放电能热能，以避免火力发电机组1频繁调峰，提高火力发电机组1寿命，促进新能源发电机组2友好并网；火力发电机组1、新能源发电机组2、超临界CO2储能系统3供电端或供热端与CO2捕集系统4用电端或蒸汽输入管道相连，用于根据用电负荷，通过控制系统的调节为CO2捕集系统4供电或供热，实现CO2捕集系统4的动态运行，对CO2捕集系统4进行系统优化以提高火力发电机组1运行灵活性；火力发电机组1、新能源发电机组2、超临界CO2储能系统3与氢气系统5连接，用于为氢气系统5电解水制氢提供必备的电能或蒸汽热，绿色制氢的同时提高新能源消纳率；超临界CO2储能系统3设置蒸汽管道输出端与供热系统7相连，用于向系统外提供廉价热能；CO2捕集系统4、氢气系统5与甲烷甲醇制备系统6连接，用于为甲烷甲醇制备系统6提供制备甲烷、甲醇等化工品的原材料，可向系统外供应或出售。
在本实施例中，新能源发电机组2包括风电机组、光伏机组、核电机组等，机组内包含常规发电装置。
在本实施例中，超临界CO2储能系统3包括压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统等。超临界CO2储能系统3是能源转化、储存的关键连接点，可实现电力系统与其他能源系统的链接，是多网融合的纽带，在系统各环节发挥重要作用。在用电需求较低时，电网中的剩余电能驱动电动机，带动压缩机，超临界CO2从低温热源吸热，并向高温热源放热，从而将电能以热能的形式存储在储热介质中。在用电高峰时，超临界CO2经泵或压缩机压缩后，从高温热源吸热，在膨胀机中膨胀做功，驱动发电机发电产生电能，膨胀后的超临界CO2被低温热源冷却。
超临界CO2储能系统3与火力发电机组1耦合进行储电储热或能量供应，可明显降低火电机组负荷调峰频率，减少机组参数的反复调节和蒸汽参数波动，延长锅炉、汽轮机等设备和主管道的寿命。超临界CO2储能系统3与新能源发电机组2耦合可实现风电、光伏等新能源发电的友好并网。超临界CO2储能系统3与CO2捕集系统4耦合可充分利用燃煤电厂捕集得到的CO2作为储能循环工质，也可根据需求为CO2捕集系统4提供电能热能，降低CO2捕集能耗和成本。超临界CO2储能系统3与氢气系统5耦合为高温固体氧化物(SOEC)电解水制氢装置提供必需的电能热能，降低电解水制氢系统能耗。
在本实施例中，CO2捕集系统4为火电机组燃煤烟气CO2捕集系统，由燃煤烟气预处理单元、CO2捕集单元和CO2压缩单元三部分组成。CO2捕集采用燃烧后碳捕集技术，即化学吸收法、膜分离法或物理吸附法，技术选型和工艺系统流程优化由燃煤烟气组分、CO2捕集率、经济性等设计参数决定。
火力发电机组1二氧化碳捕集往往存在能耗较高的问题，本实施例根据负荷调节实现CO2捕集系统4动态运行。CO2捕集系统4优先选用化学吸收法进行燃煤烟气CO2捕集，以复配醇胺溶液作为吸收剂，并根据降耗需求和电厂改造空间的限制，选择性地集成级间冷却、蒸汽机械再压缩、富液分级流、多级压力再生等一种或多种进行工艺流程优化。在用电低谷时启动CO2捕集系统4，火力发电机组1、新能源发电机组2剩余发电量为CO2捕集系统4供电，火力发电机组1、超临界CO2储能系统3余量高温蒸汽为CO2捕集系统4提供所需能量，以尽可能降低CO2捕集能耗和成本。而在用电高峰期，暂停CO2捕集系统4，火力发电机组1、新能源发电机组2发电量可全部上网，火力发电机组1无需频繁调节负荷，有利于提高火力发电机组1的机组灵活性，CO2捕集系统4捕集得到的CO2也可供应超临界CO2储能系统3储存在系统以用作超临界CO2储能的循环工质。通过火力发电机组1、新能源发电机组2、超临界CO2储能系统3与CO2捕集系统4的耦合，可最大程度地实现燃煤电厂碳捕集系统动态调节，优化减碳路径。
在本实施例中，氢气系统5由低碳绿色氢气制备、储存和输送分配三个单元组成。采用碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)、高温固体氧化物(SOEC)中的一种或多种方法实现电解水制氢。储氢优先选用高压气态储氢，适当选用有机物液态储氢或固态储氢。氢气运输根据距离和输送能力选择气氢、液氢、固氢运输，采用管道运输或灌装运输。
氢气系统5在制备氢气时，若采用碱性(ALK)装置或质子交换膜(PEM)装置电解水制氢，由火力发电机组1、新能源发电机组2向制备装置供电，若采用高温固体氧化物(SOEC)装置电解水制氢，由超临界CO2储能系统3向制氢装置提供热量和电能，减少能量消耗。此外，在储氢环节，根据耗电需求可选用火力发电机组1、新能源发电机组2、超临界CO2储能系统3向氢气系统5供电。通过氢气系统5与火力发电机组1、新能源发电机组2耦合，可达到延长火电机组寿命、明显提高能源消纳率的作用。
甲烷甲醇制备系统6利用CO2捕集系统4捕集得到的CO2与氢气系统5制备的氢气在化工装置中进行反应，制备低成本甲烷、甲醇等化学品，并通过系统向甲烷甲醇制备系统6提供必需的用电和热量，制成的产品向系统外供应以获得经济效益，实现了二氧化碳捕集与综合利用。
在本系统无需电能热能时，超临界CO2储能系统3的高温蒸汽通过管道实现向外界供热的功能，即供热系统7。
该系统适用于同时存在火电机组和新能源机组的区域，为解决新能源消纳、调峰调频的需求，选择合适地理位置配备储热储能系统和氢气制备储运系统，以提升新能源消纳率、降低火电机组调峰压力、延长机组寿命、提高火电机组灵活性等；考虑到在短时间内火电机组仍占比较高，为解决燃煤烟气脱碳目标，在火电机组加装二氧化碳捕集系统，根据负荷调节系统启停，实现捕集系统动态运行，绿色制氢为CO2化工利用提供原材料以制备甲烷甲醇。本发明在低碳低成本低能耗地实现系统内能源供应的同时，还具备向外界输送高温蒸汽供热的功能。
该基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，具有如下技术效果：
1)能够实现电网调峰调频，有效提高新能源消纳率。
2)能够减少火电机组负荷频繁调节，延长火电机组、设备和管道寿命。
3)可通过超临界CO2储能向系统外提供廉价蒸汽和热量。
4)依据用电负荷，可对CO2捕集系统实现动态运行控制，高效低成本完成碳捕集及综合利用，系统低碳，化工品输出获得经济效益。
5)能够有效降低系统电耗、能耗和成本。利用超临界CO2热电储能，实现电力系统稳定的电力供应，并为CO2捕集与利用、电解水制氢提供必需的能量供应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，包括火力发电机组(1)、新能源发电机组(2)、超临界CO2储能系统(3)、CO2捕集系统(4)、氢气系统(5)、甲烷甲醇制备系统(6)及供热系统(7)；
所述火力发电机组(1)脱硫装置后安装有所述CO2捕集系统(4)；所述火力发电机组(1)和所述新能源发电机组(2)电源侧配备有所述超临界CO2储能系统(3)，用于通过电热交换储存或释放电能热能，以避免所述火力发电机组(1)频繁调峰，提高所述火力发电机组(1)寿命，促进所述新能源发电机组(2)友好并网；
所述火力发电机组(1)、新能源发电机组(2)、超临界CO2储能系统(3)供电端或供热端与所述CO2捕集系统(4)用电端或蒸汽输入管道相连，用于根据用电负荷，通过控制系统的调节为所述CO2捕集系统(4)供电或供热，实现所述CO2捕集系统(4)的动态运行；
所述火力发电机组(1)、新能源发电机组(2)、超临界CO2储能系统(3)与所述氢气系统(5)连接，用于为所述氢气系统(5)电解水制氢提供必备的电能或蒸汽热；
所述超临界CO2储能系统(3)设置蒸汽管道输出端与所述供热系统(7)相连，用于向系统外提供热能；
所述CO2捕集系统(4)、氢气系统(5)与所述甲烷甲醇制备系统(6)连接，用于为所述甲烷甲醇制备系统(6)提供制备化工品的原材料。
2.根据权利要求1所述的基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，所述新能源发电机组(2)包括风电机组、光伏机组、核电机组，机组内包含常规发电装置。
3.根据权利要求1所述的基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，所述超临界CO2储能系统(3)包括压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统。
4.根据权利要求1所述的基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，所述CO2捕集系统(4)为火电机组燃煤烟气CO2捕集系统，由燃煤烟气预处理单元、CO2捕集单元和CO2压缩单元三部分组成。
5.根据权利要求1所述的基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，所述氢气系统(5)由低碳绿色氢气制备、储存和输送分配三个单元组成。
6.根据权利要求5所述的基于超临界CO2储能热电交换的低碳综合能源供应系统，其特征在于，所述氢气系统(5)采用碱性、质子交换膜、高温固体氧化物中的一种或多种方法实现电解水制氢。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |