CN212867719U - 核能耦合制氢制甲烷装置及具备调峰能力的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种核能耦合制氢制甲烷装置，用于与核电厂控制电力调控及输出的调峰控制中心电性连接，包括转换器、电解水装置、储氢罐、储氧罐、二氧化碳供给装置、甲烷制备装置及储甲烷罐，调峰控制中心与转换器连接，转换器电性连接电解水装置，储氢罐与电解水装置连通，储氧罐与电解水装置连通，二氧化碳供给装置及储氢罐分别与甲烷制备装置连通，甲烷制备装置与储甲烷罐连通。实现核电高效转换利用，提高核电设备运行稳定性。另，还提供一种具备调峰能力的发电装置，包括燃气发电装置及上述核能耦合制氢制甲烷装置，储甲烷罐、储氢罐及储氧罐分别与燃气发电装置连通，燃气发电装置与市电电性连接。实现灵活调峰，满足电网调峰需求。

Description

核能耦合制氢制甲烷装置及具备调峰能力的发电装置

技术领域

本实用新型涉及核能发电及电能转化利用领域，具体涉及一种核能耦合制氢制甲烷装置及一种具备调峰能力的发电装置。

背景技术

核电是一种清洁能源，发展核电有利于减少化石燃料使用，对于降低碳排放、保护环境具有重要作用。从核电技术、经济、环保和产业特点出发，核电机组一般不参与频繁负荷调整，主要原因在于，频繁参与负荷调节将增加机组控制难度，加大人因失误风险，并影响设备的可靠性，导致非计划停机停堆故障概率。

但是，近年来随着电网运行峰谷差的逐渐增大，以及核电装机容量的不断攀升，核电机组面临的调峰压力也越来越多。尤其是在经济增速放缓、电力需求量减少的背景下，少数核电机组已经出现冬季长时间停运的状况，某种程度上出现了“弃核”现象，对核电厂造成了较大的经济损失，同时也浪费了核电作为清洁能源所能发挥的低碳节能作用。

为了解决核电消纳及调峰运行的问题，一种可行的途径是将调峰结余的电量转化为其他产品。这样可以起到三重有利效果，首先核电机组自身能保证满负荷运行，能有效避免频繁调峰带来的经济损失和安全隐患，对系统和设备有利；其次，能满足调峰需求，在并网前对多余电力进行消纳或储存，在电力需求高峰时又能补充发电，能起到削峰填谷的作用，较好匹配电网运行需求；第三，对改善发电厂的经营效益有利，将多余电力转换为其他产品，通过出售相应产品能获得部分经济收入，有利于改善电厂经营效益。

因此，亟需一种能有效将核电进行消纳的产品，并且通过该产品可方便快捷的为人类提供能源。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于，提供一种核能耦合制氢制甲烷装置，将清洁能源核能的发电转换成，既可存储，又可直接快捷利用的甲烷，从而将核能的发电进行消纳，进而实现核电的存储和直接利用的高效转换利用，保证核电设备自身满负荷运行，从而提高核电设备运行的稳定性。

本实用新型的另一目的在于，提供一种具备调峰能力的发电装置，将清洁能源核能的发电转换成可存储的甲烷、氢气及氧气，在需要调节电网的电力时，通过将存储的甲烷和氢气与氧气的燃烧进行发电来实时的补充电网的电力，实现实时且灵活的调峰能力，以优化和满足电网的调峰需求。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种核能耦合制氢制甲烷装置，用于与核电厂控制电力调控及输出的调峰控制中心电性连接，核能耦合制氢制甲烷装置包括转换器、用于电解水的电解水装置、储氢罐、储氧罐、二氧化碳供给装置、甲烷制备装置及储甲烷罐，调峰控制中心的输出端与转换器的输入端电性连接，转换器的输出端电性连接电解水装置的两极，储氢罐与电解水装置连通用于存储电解水装置电解产生的氢气，储氧罐与电解水装置连通用于存储电解水装置电解产生的氧气，二氧化碳供给装置及储氢罐分别与甲烷制备装置的输入端连通，甲烷制备装置的输出端与储甲烷罐连通，储甲烷罐用于存储甲烷制备装置中的二氧化碳和氢气反应生成的甲烷。

与现有技术相比，由于本实用新型的核能耦合制氢制甲烷装置将清洁能源的核能所发之电提供给电解水装置制成氢气和氧气，并进一步通过甲烷制备装置制成既可存储又可直接快捷利用的甲烷，需要存储时将甲烷存储即可，需要直接快捷利用时，将该甲烷作为清洁燃料可直接提供给居民用户进行使用或者工业使用，从而实现了核能发电的有效消纳，该转换途径简便，减少了转换过程中的能量损耗，实现了核能发电的高效转换利用，不仅提高了核能发电的消纳能力，而且还保证了核电设备自身满负荷运行，从而提高核电设备运行的稳定性。

本实用新型还提供了一种具备调峰能力的发电装置，包括燃烧甲烷和/或氢气发电的燃气发电装置及上述核能耦合制氢制甲烷装置，储甲烷罐、储氢罐及储氧罐分别与燃气发电装置连通，燃气发电装置的供电输出端用于与外界市电供电网络电性连接。

与现有技术相比，本实用新型的具备调峰能力的发电装置，其中，核能耦合制氢制甲烷装置将核能的发电通过电解水装置制成氢气和氧气，将氧气存储与储氧罐中，同时并将氢气进一步通过甲烷制备装置制成甲烷，制成的甲烷可直接被日常生活和工业使用，从而实现了核能发电的有效消纳，该转换途径简便，减少了转换过程中的能量损耗，实现了核能发电的高效转换利用，不仅提高了核能发电的消纳能力，而且还保证了核电设备自身满负荷运行，从而提高核电设备运行的稳定性；同时，储甲烷罐与储氢罐向燃气发电装置供给甲烷和氢气，储氧罐向燃气发电装置供给氧气，其燃气发电装置通过利用电解水装置产生的氢气和甲烷制备装置产生的甲烷为燃料，利用电解水装置产生的氧气作为助燃剂，进行氢气和氧气以及甲烷和氧气的燃烧做功发电，在负荷高峰时及时补充电网电力，满足电网的调峰需求。引入氢气和氧气进入燃气发电装置，降低部分氢气转换为甲烷带来的转换能量损耗，比单独燃烧甲烷发电更节能，引入氧气作为助燃剂也提升了燃烧效果，大大提高了燃料的利用效率，本实用新型具备调峰能力的发电装置灵活地实现了电力并网、甲烷供应、紧急发电调峰等操作，从而具备良好的调峰能力、节能效果及广阔的应用前景。

较佳地，本实用新型的储甲烷罐与储氢罐呈轮流且循环的与燃气发电装置连通。采用甲烷和氢气的轮流且循环的燃烧方式，甲烷和氧气燃烧产生的二氧化碳会被实时的排除，从而不会影响之后氢气和氧气的充分燃烧，更进一步地使得甲烷及氢气燃烧更充分。

较佳地，本实用新型的储甲烷罐与储氢罐呈混合且循环的与燃气发电装置连通。

较佳地，本实用新型的储氢罐、储氧罐、储甲烷罐与燃气发电装置的输入端之间分别独立的设有用于调节流量的阀门，借由对阀门的调节实现对进入燃气发电装置的氢气、氧气和甲烷的流量的独立调节。通过阀门调节各气体的流量，进而调节各气体在燃气发电装置中分别所占的比例，从而提高甲烷和氢气的燃烧效率，进一步实现节能增效。

较佳地，本实用新型的燃气发电装置包括透平发电机，透平发电机的装机容量与外界市电供电网络的调峰需求相匹配。

较佳地，本实用新型的储甲烷罐经甲烷输送管道与外界工业及居民用户连通。甲烷用途广泛，不仅运输方便，且对再生能源发电的消纳能力大，经管道运输直接供给工业及大众使用，大大提高了再生能源的利用效率。

较佳地，本实用新型的甲烷输送管道上设有用于连通和关闭甲烷输送管道的单向阀。

较佳地，本实用新型的储氧罐与外界工业及居民用户经氧气输送管道连通。

较佳地，本实用新型的氧气输送管道上设有用于连通和关闭氧气输送管道的单向阀。

较佳地，本实用新型具备调峰能力的发电装置，还包括升压站，调峰控制中心的输出端与升压站的输入端电性连接，升压站的输出端与市电供电网络电性连接。升压站用于将核能的发电进行电压、电流变换等操作，使其输出的电能满足外界市电供电网络输入要求。

附图说明

图1为本实用新型的具备调峰能力的发电装置的示意图。

图2为图1中本实用新型的核能耦合制氢制甲烷装置的示意图。

图3为核电厂运行的时间-功率变化示意图。

具体实施方式

为了详细说明本实用新型的技术内容、构造特征，以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。

结合图1及图2所示，本实用新型的具备调峰能力的发电装置100，包括燃烧甲烷和/或氢气发电的燃气发电装置12及核能耦合制氢制甲烷装置101，其中，核能耦合制氢制甲烷装置101用于与核电厂1控制电力调控及输出的调峰控制中心2电性连接，核电厂1的供电输出端与调峰控制中心2的输入端电性连接，借由调峰控制中心2控制核电厂1的电力输出，核能耦合制氢制甲烷装置101包括转换器3、用于电解水的电解水装置4、储氢罐5、储氧罐9、二氧化碳供给装置13、甲烷制备装置6及储甲烷罐7，调峰控制中心2的输出端与转换器3的输入端电性连接，转换器3的输出端电性连接电解水装置4的两极，储氢罐5与电解水装置4连通用于存储电解水装置4电解产生的氢气，储氧罐9与电解水装置4连通用于存储电解水装置4电解产生的氧气，二氧化碳供给装置13及储氢罐5分别与甲烷制备装置6的输入端连通，甲烷制备装置6的输出端与储甲烷罐7连通，储甲烷罐7用于存储甲烷制备装置6中的二氧化碳和氢气反应生成的甲烷；具体地，调峰控制中心2的输出端与升压站17的输入端电性连接，升压站17的输出端与外界市电供电网络18电性连接，核电厂1所发之电在升压站17的作用下以交流电的形式接入外界市电供电网络18，这种核电厂1配合升压站17供电的方式为本领域技术人员所悉知的，在此不再详细描述。

应用时，在调峰控制中心2的作用下核电厂1所发之电大部分电量通过升压站17以交流电的形式接入外界市电供电网络18，少部分结余电量进入电解水装置4进行转换利用，调峰控制中心2的输出端与转换器3的输入端连接，转换器3的输出端以直流电的方式提供给电解水装置4的两极，从而使得电解水装置4电解水产生氢气和氧气，电解产生的氧气存储于储氧罐9，电解水产生的氢气存储于储氢罐5中，甲烷制备装置6在储氢罐5提供的氢气及二氧化碳供给装置13提供的二氧化碳的作用下，在高温高压的环境下制得，既可存储又可直接快捷利用的甲烷，需要存储时将甲烷存储在储甲烷罐7中即可，需要直接快捷利用时，将该甲烷作为清洁燃料可直接提供给居民用户进行使用或者工业使用，从而实现了核能发电的有效消纳，该转换途径简便，减少了转换过程中的能量损耗，实现了核能发电的高效转换利用，不仅提高了核能发电的消纳能力，而且还保证了核电设备自身满负荷运行，从而提高核电设备运行的稳定性。

结合图1所示，本实用新型的具备调峰能力的发电装置100在上述制得的甲烷的基础上，储甲烷罐7、储氢罐5及储氧罐9分别与燃气发电装置12连通，燃气发电装置12的供电输出端用于与外界市电供电网络18电性连接，具体地，燃气发电装置12的供电输出端与变压器16的输入端电性连接，变压器16的输出端与外界市电供电网络18电性连接，变压器16用于将燃气发电装置12的发电以交流电的形式接入外界市电供电网络18，使其输出的电能满足外界市电供电网络18的输入要求；具体地，燃气发电装置12包括透平发电机，透平发电机的装机容量与外界市电供电网络18的调峰需求相匹配。具体地，本实用新型的储甲烷罐7与储氢罐5呈轮流且循环的与燃气发电装置12连通。采用甲烷和氢气的轮流且循环的燃烧方式，甲烷和氧气燃烧产生的二氧化碳会被实时的排除，从而不会影响之后氢气和氧气的充分燃烧，更进一步地使得甲烷及氢气燃烧更充分；可以理解的是，储甲烷罐7与储氢罐5还可呈混合且循环的与燃气发电装置12连通，储甲烷罐7及储氢罐5与燃气发电装置12连通方式并不以此为限。

具体地，本实用新型的储氢罐5、储氧罐9、储甲烷罐7与燃气发电装置12的输入端之间分别独立的设有用于调节流量的阀门19、阀门11及阀门8，借由对各阀门的调节实现对进入燃气发电装置12的氢气、氧气和甲烷的流量的独立调节。通过阀门调节各气体的流量，进而调节各气体在燃气发电装置12中分别所占的比例，从而提高甲烷和氢气的燃烧效率，进一步实现节能增效。

具体地，本实用新型的储甲烷罐7经甲烷输送管道与外界工业及居民用户15连通，更具体地，甲烷输送管道上设有用于连通和关闭甲烷输送管道的单向阀14。甲烷用途广泛，不仅运输方便，且对再生能源发电的消纳能力大，经管道运输直接供给工业及大众使用，大大提高了再生能源的利用效率。具体地，本实用新型的储氧罐9与外界工业及居民用户15经氧气输送管道连通，更具体地，氧气输送管道上设有用于连通和关闭氧气输送管道的单向阀10。

本实用新型具备调峰能力的发电装置100的运行模式包括以下2种：

(1)核电厂1发电全部并网模式，外界市电供电网络18实时功率需求大于核电厂1的发电功率时，调峰控制中心2将全部核电厂1发电通过升压站17升压后并入电网，转换器3与变压器16及其之间的设备不运行；

(2)核电厂1发电部分并网模式，外界市电供电网络18实时功率需求小于核电厂1的发电功率时，调峰控制中心2将部分核电厂1的发电通过升压站17升压后并入电网，开启转换器3，结余部分电量通过转换器3以直流电的形式供给电解水装置4，进行电解水反应制备氢气和氧气，制备得到的氢气进入甲烷制备装置6进一步与二氧化碳反应制备甲烷，实现核电的转换利用。燃气发电装置12的发电实时响应外界市电供电网络18的调峰要求，当外界市电供电网络18要求核电厂1进行瞬时负荷跟踪或外界市电供电网络18负荷较大时，燃气发电装置12运行，开启阀门11、阀门19及阀门8，电解水装置4产生的氧气、氢气与甲烷制备装置6产生的甲烷，进入燃气发电装置12进行燃烧，推动透平发电机发电，开启变压器16为外界市电供电网络18提供补充电量，开启单向阀14，将多余的甲烷供给外界工业及居民用户15；当外界市电供电网络18不要求核电厂1进行瞬时负荷跟踪或外界市电供电网络18负荷较小时，燃气发电装置12停运，关闭阀门11、阀门19及阀门8，开启单向阀14，将制备的全部甲烷供给外界工业及居民用户15。

结合图3所示，调峰控制中心2根据调峰策略进行电量调度，调峰速率及调峰深度取决于电网调峰曲线和电解水装置4的变工况运行能力，调峰周期为24h，核电厂1按“12-3-6-3”模式进行调峰运行，即12h满负荷运行(100％FP)，3h降至低功率(80％FP)，6h保持低功率运行，然后再3h升至满功率。具体执行时，核电厂1始终保持满功率运行，如图3中a直线所示，通过调峰控制中心2调节上网电量，使得核电厂1对外界市电供电网络18的发电功率满足图3中b折线所示功率，结余电量为a直线与b折线之差，即20％FP。电解水装置4的容量为20％FP，运行模式也为“12-3-6-3”，即3h启动至满功率，在满功率状态保持6h，然后3h降至停机，停机12h。由于具备较长的启停时间(各为3h)，因此对电解水装置4及甲烷制备装置6的冲击较小，有效提升电解水装置4及甲烷制备装置6的运行稳定性和使用寿命。燃气发电装置12的装机容量小于20％FP，核电厂1在上述图3中“12-3-6-3”的b折线所示功率的基础上通过燃气发电装置12的实时响应发电进行小幅度的微调，从而实现对核电厂1发电的快速功率调节功能。

结合图1至图3，本实用新型的具备调峰能力的发电装置100，其中，核能耦合制氢制甲烷装置101将核能的发电通过电解水装置4制成氢气和氧气，将氧气存储于储氧罐9中，同时并将氢气进一步通过甲烷制备装置6制成甲烷，制成的甲烷可直接被日常生活和工业使用，从而实现了核能发电的有效消纳，该转换途径简便，减少了转换过程中的能量损耗，实现了核能发电的高效转换利用，不仅提高了核能发电的消纳能力，而且还保证了核电设备自身满负荷运行，从而提高核电设备运行的稳定性；同时，储甲烷罐7与储氢罐5向燃气发电装置12供给甲烷和氢气，储氧罐9向燃气发电装置12供给氧气，其燃气发电装置12通过利用电解水装置4产生的氢气和甲烷制备装置6产生的甲烷为燃料，利用电解水装置4产生的氧气作为助燃剂，进行氢气和氧气以及甲烷和氧气的燃烧做功发电，在负荷高峰时及时补充电网电力，满足电网的调峰需求。引入氢气和氧气进入燃气发电装置12，降低部分氢气转换为甲烷带来的转换能量损耗，比单独燃烧甲烷发电更节能，引入氧气作为助燃剂也提升了燃烧效果，大大提高了燃料的利用效率，本实用新型具备调峰能力的发电装置100灵活地实现了电力并网、甲烷供应、紧急发电调峰等操作，从而具备良好的调峰能力、节能效果及广阔的应用前景。

以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实例而已，不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，均属于本实用新型所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种核能耦合制氢制甲烷装置，用于与核电厂控制电力调控及输出的调峰控制中心电性连接，其特征在于，所述核能耦合制氢制甲烷装置包括转换器、用于电解水的电解水装置、储氢罐、储氧罐、二氧化碳供给装置、甲烷制备装置及储甲烷罐，所述调峰控制中心的输出端与所述转换器的输入端电性连接，所述转换器的输出端电性连接所述电解水装置的两极，所述储氢罐与所述电解水装置连通用于存储电解水装置电解产生的氢气，所述储氧罐与所述电解水装置连通用于存储电解水装置电解产生的氧气，所述二氧化碳供给装置及储氢罐分别与所述甲烷制备装置的输入端连通，所述甲烷制备装置的输出端与所述储甲烷罐连通，所述储甲烷罐用于存储所述甲烷制备装置中的二氧化碳和氢气反应生成的甲烷。

2.一种具备调峰能力的发电装置，其特征在于，包括燃烧甲烷和/或氢气发电的燃气发电装置及权利要求1所述的核能耦合制氢制甲烷装置，所述储甲烷罐、所述储氢罐及所述储氧罐分别与所述燃气发电装置连通，所述燃气发电装置的供电输出端用于与外界市电供电网络电性连接。

3.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述储甲烷罐与所述储氢罐呈轮流且循环的与所述燃气发电装置连通。

4.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述储甲烷罐与所述储氢罐呈混合且循环的与所述燃气发电装置连通。

5.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述储氢罐、所述储氧罐、所述储甲烷罐与所述燃气发电装置的输入端之间分别独立的设有用于调节流量的阀门，借由对所述阀门的调节实现对进入所述燃气发电装置的氢气、氧气和甲烷的流量的独立调节。

6.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述燃气发电装置包括透平发电机，所述透平发电机的装机容量与所述外界市电供电网络的调峰需求相匹配。

7.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述储甲烷罐经甲烷输送管道与外界工业及居民用户连通。

8.如权利要求7所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述甲烷输送管道上设有用于连通和关闭所述甲烷输送管道的单向阀。

9.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述储氧罐与外界工业及居民用户经氧气输送管道连通。

10.如权利要求9所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，所述氧气输送管道上设有用于连通和关闭所述氧气输送管道的单向阀。

11.如权利要求2所述的具备调峰能力的发电装置，其特征在于，还包括升压站，所述调峰控制中心的输出端与所述升压站的输入端电性连接，所述升压站的输出端与所述市电供电网络电性连接。

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