CN214088684U - 一种核电余电制甲烷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种核电余电制甲烷装置，包括：用以将核岛的热能转换为电能的核电二回路发电系统和用以将核电的余电接入电解水制氢设备中，并与二氧化碳制备成甲烷的甲烷化系统，甲烷化系统包括：与核电二回路发电系统相连的用以分配部分电力至甲烷化系统的控制器；依次相连的电解制氢设备、用以将H2与CO2进行混合的混合器、用以对混合器进行升压的压缩机、用以通过升压后混合器中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备、换热器以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器，电解制氢设备、混合器及压缩机分别与控制器相连。实施本实用新型的核电余电制甲烷装置，能够解决核电消纳及调峰运行的问题，将多余电力转换为其他产品。

Description

一种核电余电制甲烷装置

技术领域

本实用新型涉及核电领域，尤其涉及一种核电余电制甲烷装置。

背景技术

现有技术中，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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种核电余电制甲烷装置，能够解决核电消纳及调峰运行的问题，将多余电力转换为其他产品。

为了解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种核电余电制甲烷装置，包括：用以将核岛的热能转换为电能的核电二回路发电系统和用以将核电的余电接入电解水制氢设备中，并与二氧化碳制备成甲烷的甲烷化系统，甲烷化系统包括：与核电二回路发电系统相连的用以分配部分电力至甲烷化系统的控制器；依次相连的电解制氢设备、用以将H2与CO2进行混合的混合器、用以对混合器进行升压的压缩机、用以通过升压后混合器中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备、换热器以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器，电解制氢设备、混合器及压缩机分别与控制器相连。

其中，换热器接入核电二回路发电系统中，通过回收分离器的水及外部供水经一水处理装置提供给电解制氢设备，以持续电解制氢过程。

其中，核电二回路发电系统至少包括：给水泵和高压加热器，其中：给水泵和高压加热器设置用以控制给水返回主给水管时的温度，调节给水流量的第一阀门，给水泵和换热器之间设置第二阀门，高压加热器和换热器之间设置第三阀门。

其中，核电二回路发电系统还包括：蒸汽发生器、汽轮机以及除氧器，蒸汽发生器、汽轮机、除氧器、给水泵以及高压加热器形成一回路。

其中，汽轮机和除氧器之间接连有依次相连的凝汽器、凝给水泵以及低压加热器。

其中，汽轮机和控制器之间设有发电机。

其中，控制器通过电加热方式对混合器进行加热，通过加热使混合器的出口气体温度为250～350℃。

其中，控制器通过电机对压缩机进行控制，将混合气加压至反应器的工作条件，出口压力为1～5MPa。

本实用新型所提供的核电余电制甲烷装置，具有如下有益效果：核电余电制甲烷装置，包括：用以将核岛的热能转换为电能的核电二回路发电系统和用以将核电的余电接入电解水制氢设备中，并与二氧化碳制备成甲烷的甲烷化系统，甲烷化系统包括：与核电二回路发电系统相连的用以分配部分电力至甲烷化系统的控制器；依次相连的电解制氢设备、用以将H2与CO2进行混合的混合器、用以对混合器进行升压的压缩机、用以通过升压后混合器中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备、换热器以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器，电解制氢设备、混合器及压缩机分别与控制器相连。使核电机组满功率运行，避免了降负荷运行带来的安全隐患，有利于提升机组的安全性；将核电余电转换为具备高附加价值的甲烷，增加了能量利用效率和核电厂的经济性；利用甲烷化反应的余热，增加了联用系统的节能效果，有利于提升系统的能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例核电余电制甲烷装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合参见图1，为本实用新型核电余电制甲烷装置的实施例一。由于甲烷是一种通用的民用和工业燃料，具备较好的经济价值，通过本实施例中的核电余电制甲烷装置生成的甲烷，可以通过已有的天然气管道进行输运，直接供给居民和工业用户，具有运输方面、消纳量大的优点。通过售卖甲烷也能够增加核电厂的经济收入。

本实施例中的核电余电制甲烷装置，是将核电余电与甲烷合成利用相耦合的系统，为核电余电消纳提供了一种新途径，同时在系统中增加了给水加热、电力联用、水的循环利用等高效能量与介质的联用途径，有利于提升整体系统的能量利用效率，简化系统，减少对外界的消耗，具备节能降耗的优点。

本实用新型的实施例提供了一种核电余电制甲烷装置，包括：用以将核岛的热能转换为电能的核电二回路发电系统A和用以将核电的余电接入电解水制氢设备中，并与二氧化碳制备成甲烷的甲烷化系统B，甲烷化系统B包括：与核电二回路发电系统A相连的用以分配部分电力至甲烷化系统的控制器10；依次相连的电解制氢设备11、用以将H2与CO2进行混合的混合器12、用以对混合器12进行升压的压缩机13、用以通过升压后混合器12中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备14、换热器15以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器16，电解制氢设备11、混合器12及压缩机13分别与控制器10相连。

核电二回路发电系统A包括：蒸汽发生器1、汽轮机2、除氧器6、给水泵 7以及高压加热器8，蒸汽发生器1、汽轮机2、除氧器6、给水泵7以及高压加热器8形成一回路。汽轮机2和控制器10之间设有发电机9。

甲烷化系统B包括：依次相连的电解制氢设备11、用以将H2与CO2进行混合的混合器12、用以对混合器12进行升压的压缩机13、用以通过升压后混合器12中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备14、换热器15以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器16。其中，换热器15接入核电二回路发电系统 A中，通过回收分离器的水及外部供水经一水处理装置17、水泵18提供给电解制氢设备11，以持续电解制氢过程。

进一步的，汽轮机2和除氧器6之间接连有依次相连的凝汽器3、凝给水泵 4以及低压加热器5。

优选的，给水泵7和高压加热器8之间设置用以控制给水返回主给水管时的温度，调节给水流量的第一阀门V1，给水泵7和换热器15之间设置第二阀门V2，高压加热器8和换热器15之间设置第三阀门V3。第一阀门V1的作用是:为给水返回主给水管时的温度，应调节给水流量，使经电解制氢装置加热后的给水温度为220℃左右。

可以理解的是，电解制氢装置所需的水由水处理装置17经水泵18加压后提供，水处理装置的水源包括分离器16形成的水与外部提供的水，通过回收分离器的水，能增强系统内部工质的循环利用效果，减少对外界水的消耗。

优选的，打开第二阀门V2和第三阀门V3,对第一阀门V1进行控制，以调节进入换热器15的给水流量，回收制备甲烷过程中的热量对给水进行加热。

优选的，回收制备甲烷过程中的热量对给水进行加热的温度为210～230℃。

优选的，控制器10通过电加热方式对混合器12进行加热，通过加热使混合器12的出口气体温度为250～350℃。

优选的，控制器10通过电机对压缩机13进行控制，将混合气加压至反应器的工作条件，出口压力一般为1～5MPa。

具体实施时，蒸汽发生器1一般产生的为饱和蒸汽，出口温度约为280℃。蒸汽经管道进入汽轮机2进行膨胀做功，汽轮机2一般分为高压缸、中压缸和低压缸，或者不含中压缸，仅具备高压缸和低压缸。通过在高压缸和低压缸抽取部分蒸汽分别进入高压加热器和低压加热器，对给水进行加热，增加循环热效率。抽汽级数及高压加热器、低压加热器的设置数目一般为1～4级，具体根据实际需求确定。

由于核电发电系统电力过剩，因此最有效的利用途径就是在并网前就地消纳，甲烷化工艺中电解制氢、混合气加热、混合气压缩都需要利用电力，是天然的消纳途径，因此在本系统中设计了电力联用方案(图中虚线所示)，这种方案能最大程度实现余电就地消纳，提升电力利用效果.在冬季电力供给过剩时，核电机组一般采用停机或降功率运行的方式进行季节性调峰。本实施例中假设核电机组在11月至4月的上网功率降至70％FP，则将其余30％FP的电量用于制取甲烷。另外在3月至10月期间满功率上网，甲烷化系统B停运。

当需要甲烷化系统B运行时，控制器10对电量进行分配，分别用于电解制氢设备11、混合器12、压缩机13的运作。CO2的来源可以是火电厂和化工厂捕集的CO2，也可以是采用成熟工艺方法制取的CO2，CO2与氢气的混合比例一般为1:3.5～5.5。经混合器12加热后，混合器的温度约为250～350℃，然后进压缩机13压缩至1～5MPa，进入甲烷化设备14进行反应。反应后的产物先进入换热器15加热部分给水，然后进入分离器16分离成甲烷和水，甲烷向外输出，水回收再利用。

制氢与甲烷化工艺工程中，耗水量巨大，因为水相当于提供了甲烷(CH4) 中的H元素，但是甲烷化反应方程式中有水生成，如下：

因此，通过对甲烷产物中的水进行回收利用，理想情况下可以节省一半的用水量，效果极其明显，故而在方案中设置了水回收利用回路；根据上述方程可知，甲烷化反应是一个强放热反应，产物出口温度在250～350℃左右，具备大量的余热利用空间，并且通过换热器进行热回收，一方面可以加热给水，减少二回路蒸汽抽汽量，有利于提升发电效率，另一方面可以保证甲烷化反应的正常运行，持续导出热量，并减少分离装置的冷却压力，对二回路和甲烷工艺具有有益效果，节能增效的效果明显。

进一步说，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。

实施本实用新型的核电余电制甲烷装置，具有如下有益效果：

第一、使核电机组满功率运行，避免了降负荷运行带来的安全隐患，有利于提升机组的安全性。

第二，将核电余电转换为具备高附加价值的甲烷，增加了能量利用效率和核电厂的经济性。

第三、利用甲烷化反应的余热，增加了联用系统的节能效果，有利于提升系统的能量转换效率。

Claims (8)

1.一种核电余电制甲烷装置，其特征在于，包括：用以将核岛的热能转换为电能的核电二回路发电系统和用以将核电的余电接入电解水制氢设备中，并与二氧化碳制备成甲烷的甲烷化系统，所述甲烷化系统包括：

与所述核电二回路发电系统相连的用以分配部分电力至甲烷化系统的控制器；

依次相连的电解制氢设备、用以将H2与CO2进行混合的混合器、用以对所述混合器进行升压的压缩机、用以通过升压后混合器中的混合气体进行甲烷制备的甲烷化设备、换热器以及用以对制备甲烷的产物进行分离的分离器，所述电解制氢设备、所述混合器及所述压缩机分别与所述控制器相连。

2.如权利要求1所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述换热器接入所述核电二回路发电系统中，通过回收所述分离器的水及外部供水经一水处理装置提供给所述电解制氢设备，以持续电解制氢过程。

3.如权利要求1所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述核电二回路发电系统至少包括：给水泵和高压加热器，其中：

所述给水泵和所述高压加热器设置用以控制给水返回主给水管时的温度，调节给水流量的第一阀门，所述给水泵和所述换热器之间设置第二阀门，所述高压加热器和所述换热器之间设置第三阀门。

4.如权利要求3所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述核电二回路发电系统还包括：蒸汽发生器、汽轮机以及除氧器，所述蒸汽发生器、所述汽轮机、所述除氧器、所述给水泵以及所述高压加热器形成闭式循环回路。

5.如权利要求4所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述汽轮机和所述除氧器之间接连有依次相连的凝汽器、凝给水泵以及低压加热器。

6.如权利要求5所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述汽轮机和所述控制器之间设有发电机。

7.如权利要求1所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述控制器通过电加热方式对所述混合器进行加热，通过加热使混合器的出口气体温度为250～350℃。

8.如权利要求1所述的核电余电制甲烷装置，其特征在于，所述控制器通过电机对所述压缩机进行控制，将混合气加压至反应器的工作条件，出口压力为1～5MPa。

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