CN210889123U - 一种以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，包括风电机组、光电机组、水电机组、煤电机组、核电机组、制氢站、燃机电厂和加氢站，风电机组、光电机组和水电机组均与制氢站相连接，煤电机组和核电机组也与制氢站相连接，制氢站通过管道与燃机电厂连接，制氢站与加氢站相连接。本实用新型利用“三弃”的电量和低谷电量来制取氢气，有效提高资源利用率，避免煤机、核电机组深度调峰，削峰填谷，提高机组发电效率，达到节能减排的目的。利用制取的氢气用于燃气轮机发电，解决了氢气规模化利用问题，使氢能源生产和使用形成循环，具有可持续性。

Description

一种以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统

技术领域

本实用新型涉及一种以氢能利用为核心的电力生态系统，属于能源及电力技术领域。

背景技术

我国是能源消费大国，且面临巨大的减排压力，仅从CO₂排放量看，我国已成为世界第一排放大国，从趋势来看，未来一段时间排放量还将保持较快速度增长。电力领域在全球碳排放量中占比为40%，其燃烧供能的过程中不可避免的会产生碳氧化物、硫化物、氮氧化物等危害环境的污染气体，其中尤以碳氧化物的排放最为严重，由此造成的大气污染、温室效应等环境破坏已经对人类生活造成严重影响。另外，我国石油、天然气的消耗量和对外依存度均呈现逐年增长趋势，能源安全备受关注，寻找替代能源和节能成为我国当前的重要任务。

目前，我国的电力生态系统仍然存在相互挤压、跑马圈地、恶性竞争等不健康现象，多种能源发电形式互联互通的格局并未形成。尤其是近几年来，我国经济下行压力依然很大，全社会用电量增幅有限，全国范围内电力过剩格局未得到根本缓解，供求失衡之下，发电端去产能压力越来越大，大量的火电企业经营处于亏损或微利状态。随着新能源技术的不断进步和装机造价的快速下降，新能源发电的平价时代提前到来，将无情地挤压火电企业未来的生存空间。另外，在火电机组利用小时数逐年下降的同时，新能源发电由于发电稳定性较差，仍存在并网消纳能力不足，弃风弃光现象严重的问题，且峰谷电差对电网造成负荷冲击较大，电网企业接入新能源电力的积极性不高，经常处于阶段性“产能过剩”的状况。因此，在电力体制改革深入推进、能源发展方式加快转变的当下，大力构建电力行业的和谐生态、推进中国电力工业协调发展迫在眉睫。

氢能源是一种优秀的清洁可再生能源，具有零排放、单位质量热值高、制取方便等优点，能够与电能实现高效的相互转换，被视作是最具前景的能源之一，有望成为能源使用的终极形式。我国氢能利用起步较晚，氢能的利用途径主要有工业、发电和燃料电池等。制氢途径主要有热化学重整、电解水和光解水三类，当前主要以石化燃料化学重整为主，但是该方法不可持续也不环保；光解水是理论上最理想的技术，但其效率低，仍处于研究阶段，电解水高效低碳可持续，并且技术业已成熟，高电价引起的高成本是目前的主要障碍。在氢燃料电池的应用上，较高的成本是制约其规模化发展的主要原因。

因此，现阶段要实现氢能的规模化应用，解决制氢成本高、应用难等问题的最有效途径是和电力系统实现互联互通，氢能作为中间载体，采用富氢燃烧的燃气轮机发电，构建电力系统的和谐生态。富氢燃烧的燃气轮机是先进氢能发电技术的研究方向之一，上世纪80-90年代开始，多个国家和国际机构已制定了氢燃气轮机和氢能相关研究计划。目前，富氢燃烧的燃气轮机技术已逐渐趋于成熟，比如西门子相关燃机的掺氢比例可达50%，且100%氢气燃烧的单筒燃烧器已完成试验；三菱日立电力系统公司在氢燃料混合比例为20%的情况下，现有的燃气轮机可以使用，且在J系列重型燃气轮机上实现30%氢气和天然气混合气体的稳定燃烧，可降低10%二氧化碳排放。

实用新型内容

本实用新型的目的在于优化现有电力生态系统的运行模式，而提供一种设计合理的氢能规模化应用的途径，通过富氢燃烧的燃气轮机为载体，将氢能利用和电力系统实现互联互通，从而构建和谐的电力生态系统。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，其特征是，包括风电机组、光电机组、水电机组、煤电机组、核电机组、制氢站和燃机电厂，所述风电机组、光电机组和水电机组均与制氢站相连接，所述煤电机组和核电机组也与制氢站相连接，所述制氢站通过管道与燃机电厂连接。

进一步的，还包括加氢站，所述制氢站与加氢站相连接。

进一步的，以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统中，氢气生产的能量来源为风电、太阳能、水电机组等新能源及传统煤电和核电机组，氢气生产的工艺为电解水制氢，氢气规模化利用的手段是燃气轮机发电。系统采用弃风、弃光、弃水“三弃”的电及煤电机组、核电机组等生产的电网低谷电来电解水制氢，制氢站制取的氢气通过管道直接掺入天然气管网中，主要用于富氢燃烧的燃气轮机发电。

进一步的，系统以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体，利用电力制氢，氢气再用来发电，氢能源生产和使用形成循环，从而构建良好的电力生态系统，实现可持续发展。

进一步的，弃风、弃光、弃水“三弃”的电量电解水制氢直接用于燃气轮机发电，不需储存。

进一步的，低谷电量所制出的氢气以高压气态储氢的方式存储于高压容器中，在电网用电高峰时，用于燃气轮机发电。

进一步的，制氢站和氢气存储容器可以和燃气轮机发电厂一起规划建设，所制氢气直接掺入天然气管网，可以有效减少氢气的传输成本。

进一步的，所述制氢站所制的氢气主要用于燃气轮机发电，多余的氢气可运送至化工企业或供给当地加氢站供氢燃料电池车辆使用。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本实用新型利用“三弃”的电量和低谷电量来制取氢气，有效提高资源利用率，避免煤机、核电机组深度调峰，削峰填谷，提高机组发电效率，达到节能减排的目的。

本实用新型利用“三弃”的电量和低谷电量来制取氢气，可有效解决电解水制氢成本高的问题。

本实用新型利用制取的氢气用于燃气轮机发电，解决了氢气规模化利用问题，使氢能源生产和使用形成循环，该方式具有可持续性。

附图说明

图1是本实用新型实施例的以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统流程图。

图2是本实用新型实施例的燃用天然气的燃气轮机发电示意图。

图3是本实用新型实施例的燃用氢气和天然气混合气体的燃气轮机发电示意图。

图中：风电机组1、光电机组2、水电机组3、煤电机组4、核电机组5、制氢站6、燃机电厂7、加氢站8。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中的以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，包括风电机组1、光电机组2、水电机组3、煤电机组4、核电机组5、制氢站6、燃机电厂7和加氢站8，风电机组1、光电机组2和水电机组3均与制氢站6相连接，煤电机组4和核电机组5也与制氢站6相连接，制氢站6通过管道与燃机电厂7连接，制氢站6与加氢站8相连接。

参见图1，本实施例采用弃风、弃光、弃水“三弃”的电及煤电机组4、核电机组5、等生产的电网低谷电来电解水制氢，制氢站6制取的氢气可临时储存于高压储气装置中，并通过管道直接掺入天然气管网当中作为富氢燃烧燃气轮机发电的燃料，多余的氢气可运送至化工企业或供给当地加氢站供氢燃料电池车辆使用。

本系统以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体，氢能源生产和使用形成循环，从而构建良好的电力生态系统。

本实施例选用国内某种常规天然气组分，以某厂商可燃烧氢气的燃气轮机为例，来说明富氢燃烧与纯燃用天然气的燃气轮机在经济性和节能减排上的可行性及优势。

燃用天然气的燃气轮机发电和燃用氢气与天然气混合气体的燃气轮机发电性能参数见图2和图3，混合气体中氢气的体积分数为20%，环境条件取相同的参数，为温度15℃，大气压1.013bar，相对湿度60%。

燃用天然气的燃气轮机发电和燃用氢气与天然气混合气体的燃气轮机发电性能 参数如下表1所述。

	天然气	掺烧20%H<sub>2</sub>的天然气混合燃料
			低位热值（25℃）kJ/kg	46715	48766
低位热值（25℃）kJ/Nm<sup>3</sup>	33468	28753
			摩尔质量	17.52	14.42
比体积m³/kg	1.40	1.70
			密度kg/m³	0.72	0.59
燃料质量流量t/h	6.53	6.26
			燃料体积流量m³/h	9120.23	10617.16
其中氢气体积流量m<sup>3</sup>/h	/	2123.43
			其中天然气体积流量m<sup>3</sup>/h	/	8493.73
机组发电功率kW	30569	30659
			联合循环配置功率kW	45000	45000
发电效率%	36.06	36.16
			CO<sub>2</sub>排放量t/h	17.42	16.23

由于氢气的化学当量燃烧温度高于天然气，且具有很高的单位质量的低位热值，可获得较高的燃烧效率，在天然气中掺入20%体积分数的氢气，使得燃料单位质量的燃料低位热值增加，在相同的条件下，可以以低燃料质量流量获得较高的功率输出，但氢气具有较高的比体积，因此单位体积的低位热值小于天然气，会导致燃料的体积流量增大。

从性能上看，使用富氢燃料后，燃气轮机发电的燃气消耗量从6.53t/h降低到6.26t/h，降低4.2%，机组功率适当增加，发电效率提升0.1%，CO₂排放量从17.42 t/h降低到16.23t/h，降低6.83%，具有较好的节能减排效益。

从经济性上看，目前电解水制氢，1立方米氢气需要4-5度电，用“三弃”的电量制氢，这部分价格仅为0.1~0.2元/度。近几年，随着国家能源结构的调整，可再生能源发电的装机总量和发电量都在快速增长，总体电价下降是必然趋势，因此未来电解水制氢将成为主流。另外我国是贫油少气的国家，我国对进口天然气的依存度也越来越高，国内天然气开采成本高，目前浙江、上海、江苏等地的发电用天然气含税价格在2.5元/立方左右，在冬季“气荒阶段”达到2.5~3.0元/立方，甚至更高。

在氢燃料电池利用上，由于加氢站建设投资巨大，制氢成本和运输加注成本几乎是1：1，成为氢能在燃料电池领域利用的最大障碍。对于氢能发电而言，制氢站和燃机电厂一体规划，几乎无运输和加注成本，直接掺入天然气管网当中，用“三弃”电量电解水制氢，制氢的电力成本为0.4~1元/立方，固定资产投资及其他成本约为电力成本的20%，总的制氢成本约0.48~1.2元/立方。由表1可知，天然气发电，对于联合循环机组，功率为45000kW，其每发一度电需要0.2027立方，天然气价格为2.5元/立方，则每发一度电的燃料成本为0.507元；采用混合燃料（20%氢气）时，每发一度电需要0.236立方，根据比例计算可得每发一度电的燃料成本为0.495~0.528元，平均为0.512元。可以看出，采用混合燃料，其燃机单位发电需要的燃料成本基本和天然气相当，且可获得更好的节能减排效果。

若采用低谷电量制氢，在低谷时段制取氢气，并临时存储于高压储气装置中，到高峰时段再将氢气掺入天然气管道用于燃机发电。低谷电价按照0.3元/度计算，则制氢成本约1.2~1.5元/立方，总成本约1.44~1.8元/立方，采用混合燃料（20%氢气）时，每发一度电需要0.236立方，根据比例计算可得每发一度电的燃料成本为0.540~0.557元，平均为0.548元，比天然气发电要高约0.04元/度。利用低谷电制氢发电，虽然目前在成本上没有优势，但由于燃机具有启停快的特点，是调峰的主力机型，政府针对利用氢能发电的燃机电厂，若在高峰段发电给予补贴，给予调峰电价，弥补因单位度电燃料成本上升带来的损失，则利用低谷电来制氢发电将获得一定的收益，可获得可持续的发展。另外，随着电价的进一步下降，也为该方式提供了更多的可能性。

因此，本实施例中所构建的以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，将氢能利用和电力发电进行互联互通，随着技术的进一步成熟和相关配套政策的实施，具有相当高的可行性，并可带来较好的节能减排效益。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化，均包括在本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，其特征是，包括风电机组（1）、光电机组（2）、水电机组（3）、煤电机组（4）、核电机组（5）、制氢站（6）和燃机电厂（7），所述风电机组（1）、光电机组（2）和水电机组（3）均与制氢站（6）相连接，所述煤电机组（4）和核电机组（5）也与制氢站（6）相连接，所述制氢站（6）通过管道与燃机电厂（7）连接。

2.根据权利要求1所述的以富氢燃烧的燃气轮机发电为载体的电力生态系统，其特征是，还包括加氢站（8），所述制氢站（6）与加氢站（8）相连接。

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