CN116613809A - 一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统及方法，该系统包括煤电机组、可再生能源发电机组、电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐、空分装置、氨合成单元、液氨储罐和尿素合成单元；电解制氢装置产生的氢气与空分装置产生的氮气在氨合成单元合成液氨；液氨和CO2捕集单元捕集的CO2在尿素合成单元合成尿素。本发明通过引入煤电机组和电解制氢装置对可再生能源富余电能进行消纳，通过引入尿素合成单元对煤电机组捕集的CO2进行资源化利用，并根据可再生能源出力情况对电能生产进行稳定控制，根据市场供需情况对化学品联产进行灵活控制，可解决可再生能源出力波动造成的电力系统安全稳定问题和煤电机组减碳成本高的问题。

Description

一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统及方法
技术领域
本发明涉及电力资源联产利用的技术领域，具体涉及一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统及方法。
背景技术
在可再生能源侧，将富余电能电解水制氢可以减少出力波动，并减少传统化石燃料制氢方式造成的碳排放。然而，为充分消纳可再生能源而配置的制氢系统存在利用时长少、负载较小时制氢效率降低等问题，并且氢气的储存和运输问题尚未得到解决。在电网侧，由于可再生能源(如风能、太阳能、水电)的间歇性、波动性等特点，对电网安全稳定运行造成威胁，主要通过煤电机组、气电机组进行调峰调频实现可再生能源的消纳，其中煤电机组启停机及低负荷运行成本高，负荷调节慢，调峰压力比气电机组更大。
目前火电机组的碳减排有燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧等方式。燃烧前捕集和富氧燃烧对机组要求高，燃烧后捕集适用于常规机组改造，但是碳捕集能耗居高不下。另外，碳捕集之后，碳封存对地质条件要求苛刻，碳利用受限于CO2储运成本高、纯CO2下游市场有限。
如专利公开号为CN114574885A的一种基于液态阳光的煤电机组减碳系统及方法，记载了将煤电机组中捕集的CO2和新能源发电电解制得的氢合成甲醇的系统和方法，重点在于甲醇的合成，未能考虑系统的耦合。
如专利公开号为CN114977309A的一种结合氢能应用的火电厂综合能源服务系统，通过分布式光伏电解水制得氢气与空分设备制得的氮气反应合成为氨气，氨气用于送入电厂锅炉燃烧，未能考虑经济性。
因此，亟需一种能够引入氨合成单元和尿素合成单元来实现资源的联产利用的技术方案。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统及方法，本发明结合现有可再生能源发电以及煤电机组发电的工作过程及各组件设置，通过引入电解制氢装置和CO2捕集单元平衡可再生能源出力的波动，引入氨合成单元和尿素合成单元来实现资源的联产利用，对不同的发电情景和生产形式设置相应的控制逻辑，能有效解决可再生能源并网消纳的问题，并且实现CO2的资源化利用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括：煤电机组、可再生能源发电机组、电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐、空分装置、氨合成单元、液氨储罐和尿素合成单元；
所述电解制氢装置设有电力输入端和物流出口，所述电解制氢装置的电力输入端分别连接所述煤电机组、可再生能源发电机组，所述电解制氢装置的物流出口分别连接所述氧气储罐和所述氢气储罐，所述氢气储罐的出口连接所述氨合成单元，所述空分装置的进口连接空气，所述空分装置用于将空气分离为氧气和氮气，所述空分装置的氧气输出端连接所述氧气储罐，所述空分装置的氮气输出端连接所述氨合成单元，所述氨合成单元的出口连接所述液氨储罐的入口，所述液氨储罐的出口连接所述尿素合成单元，所述煤电机组还与尿素合成单元连接，用于向尿素合成单元提供CO2，所述煤电机组包括CO2捕集单元，CO2捕集单元使用化学液吸收CO2，通过煤电机组抽出的部分蒸汽加热化学液使CO2析出，所述尿素合成单元用于将液氨和CO2反应生成尿素。
作为优选的技术方案，所述氨合成单元还设有：汽动合成气压缩机、氨合成塔、热交换器、氨分离器和汽动循环压缩机；
所述汽动合成气压缩机的输出端与氨合成塔连接，所述氨合成塔与热交换器连接，所述热交换器与氨分离器的输入端连接，所述氨分离器用于分离出液氨和循环气，所述氨分离器的液氨输出端与液氨储罐连接，所述氨分离器的循环气与汽动循环压缩机连接，所述汽动循环压缩机与汽动合成气压缩机的输入端连接。
作为优选的技术方案，所述尿素合成单元包括：CO2压缩机、汽提塔、高压甲胺冷凝器、尿素合成塔、蒸发造粒系统；
所述CO2压缩机与汽提塔连接，所述汽提塔与高压甲胺冷凝器连接，所述高压甲胺冷凝器与尿素合成塔连接，所述尿素合成塔与蒸发造粒系统连接；
CO2经CO2压缩机压缩后进入汽提塔，与尿素合成塔排出的未反应完全的尿素合成反应液相遇，汽提出的氨和CO2进入高压甲胺冷凝器生成甲胺液，甲胺液在尿素合成塔脱水生成尿素，尿素进入蒸发造粒系统生成尿素颗粒。
作为优选的技术方案，所述煤电机组还包括除盐水系统、燃烧器、汽轮机、烟气旁路、CO2储罐、化学液储罐、发电机氢气系统、脱硝系统；
所述除盐水系统与燃烧器连接，所述燃烧器与汽轮机连接，所述汽轮机与发电机氢气系统连接，所述燃烧器还与脱硝系统连接，所述脱硝系统与烟气旁路连接，所述烟气旁路与CO2捕集单元连接，所述CO2捕集单元与CO2储罐连接，所述CO2捕集单元还与化学液储罐连接；
所述除盐水系统用于提供除盐水进入煤电机组，建立水循环，所述燃烧器用于燃煤后形成烟气，燃烧的热量将水加热为蒸汽，蒸汽进入汽轮机推动转子转动，转子带动发电机发电，发电机的转子、定子铁芯由发电机氢气系统冷却，烟气经脱硝系统脱硝后进入烟气旁路，部分烟气进入CO2捕集单元，部分烟气排入大气，CO2捕集单元使用化学液吸收CO2，通过煤电机组抽出的部分蒸汽加热化学液使CO2析出，再生化学液，对CO2进行压缩和储存，送入CO2储罐，化学液储罐用于储存暂时不进入再生阶段的化学液。
作为优选的技术方案，所述除盐水系统还连接电解制氢装置，所述除盐水系统将除盐水供给电解制氢装置。
作为优选的技术方案，所述氨合成单元设有汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机，所述汽动合成气压缩机用于将氢气和氮气压缩，所述汽动循环压缩机用于将循环气压缩，并输送至汽动合成气压缩机，所述汽轮机设有抽汽端，所述汽轮机的抽汽端分别与氨合成单元的汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机；
和/或；
所述尿素合成单元设有CO2压缩机，所述CO2压缩机用于压缩煤电机组输出的CO2，所述汽轮机设有抽汽端，所述汽轮机的抽汽端与CO2压缩机连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动CO2压缩机；
和/或；
所述尿素合成单元设有汽提塔和蒸发造粒系统，所述汽提塔用于汽提出氨，所述蒸发造粒系统用于生成尿素颗粒，所述汽轮机的抽汽端分别与汽提塔和蒸发造粒系统连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动汽提塔和蒸发造粒系统。
作为优选的技术方案，所述氢气储罐的出口还与发电机氢气系统连接，用于煤电机组发电机补氢和开停机氢气置换。
作为优选的技术方案，所述液氨储罐的出口还分别连接煤电机组的燃烧器、脱硝系统以及对外输送管道，所述氧气储罐的出口连接对外输送管道。
本发明还提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的电能生产控制方法，设有上述考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括下述步骤：
预设第一功率阈值和第二功率阈值，在某一时间节点，当可再生能源发电机组的发电功率小于第一功率阈值时，煤电机组增加出力；
当可再生能源发电机组的发电功率大于第一功率阈值小于第二功率阈值时，可再生能源发电机组超出第一功率的功率输出至电解制氢装置；
当可再生能源发电机组的发电功率大于第二功率阈值时，煤电机组减少出力；
煤电机组的出力调节能力在煤电机组原有的负荷调节能力基础上增加CO2捕集能耗，煤电机组的出力变化优先由CO2捕集单元提供，当煤电机组出力需要增加时，减少烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，吸收CO2后的化学液储存在化学液储罐，从而减少化学液再生能耗，增加煤电机组出力；当煤电机组出力需要减少时，增加烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，调用化学液储罐需要再生的化学液，从而增加化学液再生能耗，减少煤电机组出力。
本发明还提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的化学品生产控制方法，设有上述考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括下述步骤：
在长时间尺度，根据CO2、尿素、液氨生产周期预测情况，结合生产周期分配CO2捕集量，制定产品的生产计划；
在短时间尺度，以收益最大为原则根据市场变化进行生产调整；
根据生产周期特点，履约期内捕集的CO2量按满足尿素生产要求、满足CO2市场、完成碳配额减排要求、碳交易获利的优先级顺序进行分配。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的系统内部耦合可以节约能源消耗和投资成本，电解水制氢可以得到高纯度的氢气，相比化石燃料合成氨工艺减少造气、脱硫、脱碳、精炼等流程；煤电机组汽轮机的抽汽可用于氨合成单元的汽动合成气压缩机和汽动循环压缩机；煤电机组汽轮机的抽汽还可用于尿素合成单元的CO2压缩机、汽提塔和蒸发造粒系统；煤电机组的除盐水系统可用于制取电解水制氢站除盐水；电解水制氢副产和空气分离副产的氧气用于化工项目可以减少空分系统的能源消耗，电解水制得的氢气可用于煤电机组发电机氢气系统；氨合成单元制取的液氨可用于煤电机组脱硝系统、燃烧系统。
(2)本发明煤电机组大幅降低CO2排放并降低减排成本，可以提供调峰辅助服务，在低碳电力系统转型中获得生存空间。
(3)本发明通过联产实现了CO2资源化利用，解决煤电机组捕集的CO2量大、储运成本高、下游市场有限的问题，减少传统尿素合成工艺中造成的碳排放；本发明考虑了市场供需，利用碳商品、液氨和尿素的联产灵活转换生产方式，可为联产系统带来较高收益。
(4)本发明采用了发电系统与化工生产联产的方式，提出一种多能联产系统和方法，解决了可再生能源消纳、煤电机组碳捕集过程成本高、CO2捕集后下游市场有限、传统尿素合成工艺碳排放量大等问题，灵活消纳可再生能源上网剩余电能，减少弃水弃风弃光问题，节约可再生能源发电机组储能装置投资，且使电解制氢装置保持在较高运行效率区间。
附图说明
图1为本发明考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的结构示意图；
图2为本发明考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的内部耦合示意图；
图3为本发明考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的电能生产控制方法示意图；
图4为本发明考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的化学品生产控制方法示意图。
其中，1-煤电机组，2-可再生能源发电机组，3-电解制氢装置，4-氢气储罐，5-氧气储罐，6-空分装置，7-氨合成单元，8-液氨储罐，9-尿素合成单元；
11-除盐水系统，12-燃烧器，13-汽轮机，14-烟气旁路，15-CO2捕集单元，16-CO2储罐，17-化学液储罐，18-发电机氢气系统，19-脱硝系统；
71-汽动合成气压缩机，72-氨合成塔，73-热交换器，74-氨分离器，75-汽动循环压缩机；
91-CO2压缩机，92-汽提塔，93-高压甲胺冷凝器，94-尿素合成塔，95-蒸发造粒系统；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括：煤电机组1、可再生能源发电机组2、电解制氢装置3、氢气储罐4、氧气储罐5、空分装置6、氨合成单元7、液氨储罐8和尿素合成单元9；
在本实施例中，考虑特性匹配，以实现功能互补，煤电机组1燃烧后捕集，通过乙醇胺(MEA)进行吸收和再生。可再生能源发电机组2为风力发电系统、光伏发电系统、光热发电系统、水力发电系统的发电机组的一项或任意数量组合；
由于利用可再生能源产生的电能制氢是产生低碳产品的重要途径，因此本实施例考虑可再生能源发电机组的特点选择与电解制氢装置的较佳组合。电解制氢装置为碱性电解制氢装置、质子交换膜电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置的一项或任意数量组合。当可再生能源为风能时，电解制氢装置优先选择负载范围宽的质子交换膜技术；当可再生能源为光热发电时，优先考虑可以热集成利用的高温固体氧化物技术；当可再生能源为光伏发电或水力发电时，优先考虑商业应用成熟的碱性电解水技术。
在本实施例中，电解制氢装置还可以是不同类型的组合搭配，成本低但负载响应慢的碱性电解制氢装置与成本高但负载响应迅速的质子交换膜电解制氢装置组合；可快速启动的质子交换膜电解制氢装置与效率较高但工作温度高不能轻易启停的高温固体氧化物电解制氢装置组合；技术成熟但效率较低的碱性电解制氢装置与技术相对不稳定但效率较高的高温固体氧化物电解制氢装置组合。
煤电机组1包括除盐水系统11、燃烧器12、汽轮机13、烟气旁路14、CO2捕集单元15、CO2储罐16、化学液储罐17、发电机氢气系统18、脱硝系统19；除盐水系统11供应的除盐水进入煤电机组，建立水循环。燃煤通过燃烧器12进入燃煤机组，燃烧后形成烟气，燃烧的热量将水加热为蒸汽。蒸汽进入汽轮机13推动转子转动，转子带动发电机发电。发电机的转子、定子铁芯由发电机氢气系统18冷却。烟气经脱硝系统19脱硝后进入烟气旁路14，部分烟气进入CO2捕集单元15，部分烟气直接排入大气。CO2捕集单元使用化学液吸收CO2，并通过煤电机组抽出的部分蒸汽加热化学液使CO2析出，再生化学液，并对CO2进行压缩和储存，随后送入CO2储罐16。化学液储罐17用以储存暂时不进入再生阶段的化学液。CO2捕集过程中，化学液再生能耗占比最大，CO2吸收能耗和基本运行能耗较小，可以忽略。因此，改变CO2捕集能耗以改变化学液再生能耗为主。在本实施例中，CO2捕集单元15可以采用烟气旁路进行CO2吸收量的调整，通过调整烟气旁路的阀门开度控制进入CO2捕集单元的CO2量，从而改变化学液再生能耗；也可以用化学液储罐转移化学液再生能耗的方式，通过将待析出的化学液储存在化学液储罐，实现化学液再生能耗的时移，还可以采用烟气旁路和化学液储罐综合方式进行灵活调整；基于碳排放量和煤电机组负荷调整的需要，CO2捕集单元的烟气旁路使CO2捕集量变化范围为0～100％，化学液储罐使捕集能耗变化范围为机组出力的5～30％。
在本实施例中，电解制氢装置3的电力输入端分别连接可再生能源发电机组2和煤电机组1，电解制氢装置3的物流出口分别连接氧气储罐5和氢气储罐4，氢气储罐4的出口连接氨合成单元7；空分装置6的进口连接空气，空分装置6的氧气输出端连接氧气储罐5，空分装置6的氮气输出端连接氨合成单元7；氨合成单元7的出口连接液氨储罐8的入口，液氨储罐8的出口连接尿素合成单元9；煤电机组1还与尿素合成单元连接，用于向尿素合成单元提供CO2，具体地，CO2捕集单元15的出口连接CO2储罐16，CO2储罐16出口连接尿素合成单元9，尿素合成单元9用于将液氨和CO2反应生成尿素。
具体连接方式和物质流动如下：
煤电机组1和可再生能源发电机组2同时向电网输送电能；
可再生能源发电机组2的电力输入电解制氢装置3，电解制氢装置3将除盐水制得的氧气和氢气分别输送至氢气储罐4和氧气储罐5，氢气储罐4的氢气输送至氨合成单元7；空分装置6将空气分离为氧气和氮气，氧气输送至氧气储罐5，氮气输送至氨合成单元7，氨合成单元7利用氢气和氮气合成液氨；液氨通入尿素合成单元9；煤电机组的烟气经烟气旁路14输送至CO2捕集单元15，CO2被CO2捕集单元15捕集后进入CO2储罐16，CO2储罐16的CO2输送至尿素合成单元9，在尿素合成单元9中液氨和CO2反应生成尿素；
氨合成单元7包括汽动合成气压缩机71、氨合成塔72、热交换器73、氨分离器74、汽动循环压缩机75；
氢气和氮气经汽动合成气压缩机71压缩，进入氨合成塔72合成氨，由于氨合成的转化率较低，反应后的气体经过热交换器73回收热量后进入氨分离器74分离出液氨和循环气，液氨进入液氨储罐8，循环气经汽动循环压缩机75压缩后，经汽动合成气压缩机71进入氨合成塔72继续反应。
尿素合成单元9包括CO2压缩机91、汽提塔92、高压甲胺冷凝器93、尿素合成塔94、蒸发造粒系统95；
CO2经CO2压缩机91压缩后进入汽提塔92，与尿素合成塔94排出的未反应完全的尿素合成反应液相遇，汽提出的氨和CO2进入高压甲胺冷凝器93生成甲胺液，甲胺液在尿素合成塔94脱水生成尿素，尿素进入蒸发造粒系统95生成尿素颗粒。
如图2所示，本实施例的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的内部可以实现物质利用和能量耦合，内部耦合如下：
煤电机组的除盐水系统11还连接电解制氢装置3，除盐水供给电解制氢装置3，减少电解制氢装置除盐水系统的费用；汽轮机13的抽汽端还连接氨合成单元的汽动合成气压缩机71和汽动循环压缩机75，使用蒸汽驱动压缩机比使用电机节约能耗且运行平稳可靠；汽轮机13的抽汽端还连接尿素合成单元的CO2压缩机91，使用蒸汽驱动压缩机比使用电机节约能耗且运行平稳可靠，还连接汽提塔92和蒸发造粒系统95，减少尿素合成单元生产蒸汽的锅炉投资费用或外购蒸汽费用；
氢气储罐4的出口还连接煤电机组1的发电机氢气系统12，用于煤电机组1发电机日常补氢和开停机氢气置换，减少煤电机组1自备电解制氢装置费用或外购氢气费用；
液氨储罐8的出口还分别连接煤电机组1的燃烧器12、脱硝系统19和对外输送管道。液氨输送至煤电机组燃烧器12与煤粉混烧，作为零碳能源减少煤电机组的碳排放；液氨输送至煤电机组脱硝系统19，减少煤电机组购置液氨费用；剩余液氨对外输送销售，可以获取经济收益；
氧气储罐5的出口连接对外输送管道，高纯度氧气外售给化工用户，可以获取经济收益，电解水制氢装置制取的氧气和空分装置制取的氧气可以减少化工用户空分系统的能源消耗。
实施例2
本实施例提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的电能生产控制方法，由可再生能源发电机组和煤电机组发出的电能输送至电网和电解制氢装置；通过计划出力曲线控制输送至电网的电能，实现电能的稳定生产；如图3所示，通过第一功率曲线和第二功率曲线调控可再生能源发电机组和煤电机组的出力水平，实现可再生能源的消纳；在某一时间节点，当可再生能源发电机组的发电功率小于第一功率时，煤电机组增加出力，使可再生能源发电机组和煤电机组的联合出力符合计划出力曲线；当可再生能源发电机组的发电功率大于第一功率小于第二功率时，可再生能源发电机组超出第一功率的功率输出至电解制氢装置；当可再生能源发电机组的发电功率大于第二功率时，煤电机组减少出力，使可再生能源发电机组和煤电机组的联合出力符合计划出力曲线。
计划出力曲线是计划周期内计划上出力随时间而变化的分布曲线，考虑可再生能源出力特性和电网需求功率时间特性，根据可再生能源出力特性和电网需求功率的历史数据制定；计划出力曲线应在保障电能供应的前提下尽可能消纳可再生能源以及减少电解制氢装置的启动次数；第一功率曲线是计划周期内第一功率随时间而变化的分布曲线，第一功率曲线是计划出力曲线中可再生能源出力的部分，根据可再生能源发电机组出力的预测值和系统需要的可再生能源利用程度制定。第一功率小于可再生能源发电机组出力的预测值；为增加可再生能源的上网消纳，第一功率不应设定过低；计划出力与第一功率之差是煤电机组出力，应大于煤电机组的最小出力，小于煤电机组的最大出力；由于可再生能源的实际出力会偏离预测值，第一功率的设定还要考虑煤电机组的出力调节能力。
比如，当可再生能源发电机组为风力发电系统时，风电出力波动大且变化频繁，还具有反调峰特性。因此，选择历史同期风能出力的平均值的40％为第一功率的平均值。将计划出力平均值和第一功率平均值的比值乘以计划出力曲线的逐时功率，初步得到第一功率曲线。若某时段计划出力与第一功率的差值超出煤电机组的出力调节能力，或风机预测出力小于第一功率，则调整第一功率曲线，平移第一功率的部分出力。
比如，当可再生能源发电机组为光伏发电系统时，日间光伏发电系统出力较为稳定，用电负荷大体上处于高峰，夜间光伏发电系统不出力，除傍晚的高峰期外用电负荷基本也处于低谷。因此，选择历史同期光伏出力的平均值的60％为计划功率的平均值，其余步骤与前述相同。
第二功率曲线是计划周期内第二功率随时间而变化的分布曲线。第二功率是可再生能源出力概率大于90％的出力上限，通过统计历史出力数据得到。历史出力数据应有近期不少于三年的逐时数据，数据不足时可参照同类型机组。由于可再生能源出力的波动会造成供给电解制氢装置的电能不稳定，设定第二功率可以减少可再生能源出力的波动，减少电解制氢装置的调整。
其中，煤电机组的出力调节能力在煤电机组原有的负荷调节能力基础上增加CO2捕集能耗。煤电机组的出力变化优先由CO2捕集单元提供。当煤电机组出力需要增加时，减少烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，吸收CO2后的化学液储存在化学液储罐，从而减少化学液再生能耗，增加煤电机组出力。当煤电机组出力需要减少时，增加烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，调用化学液储罐需要再生的化学液，从而增加化学液再生能耗，减少煤电机组出力。
电解制氢装置的类型和容量选取是消纳可再生能源的关键。电解制氢装置的类型应考虑与可再生能源的出力特性匹配。比如，当可再生能源为风能时，电解制氢装置优先选择负载范围0-160％的质子交换膜技术；当可再生能源为光热发电时，优先考虑可以热集成利用的高温固体氧化物电解制氢技术；当可再生能源为光伏发电或水力发电时，优先考虑商业应用成熟的碱性电解水技术。电解制氢装置还可以是不同类型的组合搭配。成本低但负载响应慢的碱性电解制氢装置与成本高但负载响应迅速的质子交换膜电解制氢装置组合；可快速启动的质子交换膜电解制氢装置与效率较高但工作温度高不能轻易启停的高温固体氧化物电解制氢装置组合；技术成熟但效率较低的碱性电解制氢装置与技术相对不稳定但效率较高的高温固体氧化物电解制氢装置组合。通常可再生能源峰值出力出现的概率、持续时长都很短，如果按全年峰值出力进行电解制氢装置的类型和容量的选取，会造成设备使用率低、设备长期运行在较低效率区间等问题。电解制氢装置的容量应能消纳可再生能源在第一功率和第二功率区间的能量。电解制氢装置容量的选取还应考虑使电解制氢装置工作在较高的工作负载，因此电解制氢装置的容量不宜过大。
实施例3
如图4所示，本实施例提供一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的化学品生产控制方法，具体如下：
在长时间尺度，根据CO2、尿素、液氨生产周期预测情况，结合生产周期特点灵活分配CO2捕集量，制定产品的生产计划。在短时间尺度，以收益最大为原则根据市场变化进行生产调整；
碳交易市场履约期通常为1年，在履约期内，煤电机组需要完成碳配额以外的碳减排量，如不能完成减排量则需要在碳市场上购买相应的碳配额，如果超额完成减排量则可以在碳市场上出售相应的碳配额。煤电机组消耗电能对CO2进行捕集，捕集的CO2可用于合成尿素或单独售卖。CO2作为终端商品的下游市场有工业级和食品级应用，供应食品级的饮料行业时，旺季需求在夏季。尿素的主要市场需求是农业需求，旺季为3～10月。
根据生产周期特点，履约期内捕集的CO2量按满足尿素生产要求、满足CO2市场、完成碳配额减排要求、碳交易获利的优先级顺序进行分配。尿素生产高峰主要安排在春季和秋季。当尿素进入生产高峰，增大CO2捕集量，将液氨和CO2合成为尿素；当尿素进入生产淡季，减少CO2捕集量。在夏季，CO2捕集量主要作为商品售卖。当市场面临短期调整，CO2捕集量根据尿素和液氨的价差进行调整。当液氨的市场价格(含液氨制成尿素的生产成本)高于尿素，液氨用于贮存或出售。当市场进入阶段性产能过剩，液氨产量超出液氨贮存能力，则将液氨送入煤电机组进行煤粉掺烧，减少煤电机组燃料成本，降低碳排放。
以4000MW风电场和600MW煤电机组的组合为例：风电出力的60％用于电解水制氢，预计可制取约11.5万吨氢气、44.1万吨液氨，并能使风电得到充分消纳。煤电机组年平均利用小时数为4379小时(2022年火电厂发电设备利用小时数)，CO2年排放量约214万吨。假设碳减排比例为40％时能满足碳配额以外的要求，并在碳交易市场上有较佳的碳交易收益。纯CO2商品市场能消化30万吨/年，配置年产76万吨尿素的尿素生产装置可资源化利用剩余的CO255.8万吨。随着碳减排要求越来越严格，多能联产方法将在煤电机组的生存和整个社会的碳减排过程中发挥越来越重要的作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，包括：煤电机组、可再生能源发电机组、电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐、空分装置、氨合成单元、液氨储罐和尿素合成单元；
所述电解制氢装置设有电力输入端和物流出口，所述电解制氢装置的电力输入端分别连接所述煤电机组、可再生能源发电机组，所述电解制氢装置的物流出口分别连接所述氧气储罐和所述氢气储罐，所述氢气储罐的出口连接所述氨合成单元，所述空分装置的进口连接空气，所述空分装置用于将空气分离为氧气和氮气，所述空分装置的氧气输出端连接所述氧气储罐，所述空分装置的氮气输出端连接所述氨合成单元，所述氨合成单元的出口连接所述液氨储罐的入口，所述液氨储罐的出口连接所述尿素合成单元，所述煤电机组还与尿素合成单元连接，用于向尿素合成单元提供CO2，所述煤电机组包括CO2捕集单元，CO2捕集单元使用化学液吸收CO2，通过煤电机组抽出的部分蒸汽加热化学液使CO2析出，所述尿素合成单元用于将液氨和CO2反应生成尿素。
2.根据权利要求1所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述氨合成单元还设有：汽动合成气压缩机、氨合成塔、热交换器、氨分离器和汽动循环压缩机；
所述汽动合成气压缩机的输出端与氨合成塔连接，所述氨合成塔与热交换器连接，所述热交换器与氨分离器的输入端连接，所述氨分离器用于分离出液氨和循环气，所述氨分离器的液氨输出端与液氨储罐连接，所述氨分离器的循环气与汽动循环压缩机连接，所述汽动循环压缩机与汽动合成气压缩机的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述尿素合成单元包括：CO2压缩机、汽提塔、高压甲胺冷凝器、尿素合成塔、蒸发造粒系统；
所述CO2压缩机与汽提塔连接，所述汽提塔与高压甲胺冷凝器连接，所述高压甲胺冷凝器与尿素合成塔连接，所述尿素合成塔与蒸发造粒系统连接；
CO2经CO2压缩机压缩后进入汽提塔，与尿素合成塔排出的未反应完全的尿素合成反应液相遇，汽提出的氨和CO2进入高压甲胺冷凝器生成甲胺液，甲胺液在尿素合成塔脱水生成尿素，尿素进入蒸发造粒系统生成尿素颗粒。
4.根据权利要求1所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述煤电机组还包括除盐水系统、燃烧器、汽轮机、烟气旁路、CO2储罐、化学液储罐、发电机氢气系统、脱硝系统；
所述除盐水系统与燃烧器连接，所述燃烧器与汽轮机连接，所述汽轮机与发电机氢气系统连接，所述燃烧器还与脱硝系统连接，所述脱硝系统与烟气旁路连接，所述烟气旁路与CO2捕集单元连接，所述CO2捕集单元与CO2储罐连接，所述CO2捕集单元还与化学液储罐连接；
所述除盐水系统用于提供除盐水进入煤电机组，建立水循环，所述燃烧器用于燃煤后形成烟气，燃烧的热量将水加热为蒸汽，蒸汽进入汽轮机推动转子转动，转子带动发电机发电，发电机的转子、定子铁芯由发电机氢气系统冷却，烟气经脱硝系统脱硝后进入烟气旁路，部分烟气进入CO2捕集单元，部分烟气排入大气，CO2捕集单元使用化学液吸收CO2，通过煤电机组抽出的部分蒸汽加热化学液使CO2析出，再生化学液，对CO2进行压缩和储存，送入CO2储罐，化学液储罐用于储存暂时不进入再生阶段的化学液。
5.根据权利要求4所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述除盐水系统还连接电解制氢装置，所述除盐水系统将除盐水供给电解制氢装置。
6.根据权利要求4所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述氨合成单元设有汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机，所述汽动合成气压缩机用于将氢气和氮气压缩，所述汽动循环压缩机用于将循环气压缩，并输送至汽动合成气压缩机，所述汽轮机设有抽汽端，所述汽轮机的抽汽端分别与氨合成单元的汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动汽动合成气压缩机、汽动循环压缩机；
和/或；
所述尿素合成单元设有CO2压缩机，所述CO2压缩机用于压缩煤电机组输出的CO2，所述汽轮机设有抽汽端，所述汽轮机的抽汽端与CO2压缩机连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动CO2压缩机；
和/或；
所述尿素合成单元设有汽提塔和蒸发造粒系统，所述汽提塔用于汽提出氨，所述蒸发造粒系统用于生成尿素颗粒，所述汽轮机的抽汽端分别与汽提塔和蒸发造粒系统连接，所述汽轮机使用蒸汽驱动汽提塔和蒸发造粒系统。
7.根据权利要求4所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述氢气储罐的出口还与发电机氢气系统连接，用于煤电机组发电机补氢和开停机氢气置换。
8.根据权利要求4所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，其特征在于，所述液氨储罐的出口还分别连接煤电机组的燃烧器、脱硝系统以及对外输送管道，所述氧气储罐的出口连接对外输送管道。
9.一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的电能生产控制方法，其特征在于，设有上述权利要求1-8任一项所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括下述步骤：
预设第一功率阈值和第二功率阈值，在某一时间节点，当可再生能源发电机组的发电功率小于第一功率阈值时，煤电机组增加出力；
当可再生能源发电机组的发电功率大于第一功率阈值小于第二功率阈值时，可再生能源发电机组超出第一功率的功率输出至电解制氢装置；
当可再生能源发电机组的发电功率大于第二功率阈值时，煤电机组减少出力；
煤电机组的出力调节能力在煤电机组原有的负荷调节能力基础上增加CO2捕集能耗，煤电机组的出力变化优先由CO2捕集单元提供，当煤电机组出力需要增加时，减少烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，吸收CO2后的化学液储存在化学液储罐，从而减少化学液再生能耗，增加煤电机组出力；当煤电机组出力需要减少时，增加烟气旁路通往CO2捕集单元的烟气量，调用化学液储罐需要再生的化学液，从而增加化学液再生能耗，减少煤电机组出力。
10.一种考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统的化学品生产控制方法，其特征在于，设有上述权利要求1-8任一项所述的考虑煤电机组碳捕集的多能联产系统，包括下述步骤：
在长时间尺度，根据CO2、尿素、液氨生产周期预测情况，结合生产周期分配CO2捕集量，制定产品的生产计划；
在短时间尺度，以收益最大为原则根据市场变化进行生产调整；
根据生产周期特点，履约期内捕集的CO2量按满足尿素生产要求、满足CO2市场、完成碳配额减排要求、碳交易获利的优先级顺序进行分配。
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