CN216361280U - 一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统，包括制氢单元、天然气供给装置、混合单元、储存送配单元，制氢单元包括用于制造氢气的电解水装置、用于给电解水装置提供能源的供电装置，混合单元包括混合罐，电解水装置与混合罐相连通，天然气供给装置与混合罐相连通，储存送配单元包括高压压气装置、盐穴、配气管网，混合装置与高压压气装置相连通，高压压气装置与盐穴相连通，盐穴与配气管网相连通。本实用新型通过电解水转化为氢气，以一定比例与天然气混合后注入盐穴储存，不明显影响天然气热值，降低了碳排放，起到减碳效果。使用时通过天然气管网配送，实现了快速输配，极大降低氢气储气罐与新建输气管网的投资。

Description

一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统

技术领域

本实用新型涉及盐穴储能及利用技术领域，具体涉及一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统。

背景技术

天然气是一种富含碳氢化合物的可燃气体，主要成分是甲烷，其典型值体积占比为78%左右，受地质形成条件影响，可能还含有乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃，大约占10%，以及其他硫化氢、水汽等杂质气体，典型热值在35~42MJ/m³。它是一种清洁、优质的能源，对改善能源利用结构，缓解石油供应波动具有重要意义。我国的西气东输工程作用就在于将天然气资源从丰富的地区输送至经济发达的消费地区。天然气可居民用、商业用、工业用、发电用等，其利用要考虑存储能力，不但要能满足长期季节生产需求变化，也要满足当日用气需求波动。因此，天然气的输气管道与地下储气库设施就成为了重要考虑方面。

盐穴可用于存储天然气、压缩空气以及采矿废物。我国的盐穴资源丰富，已探明矿区约150处，井矿盐年产量近5000万吨，累计形成地下盐穴容积大于2.5亿立方米。现有记录的盐穴约1500个，单个盐穴容积各异，单个盐穴容积可达数十万至百万立方米储气能力，且主要集中分布在我国中东部省份，与我国主要的天然气消费区高度重叠，仅江苏淮安、河南平顶山等地就有老盐穴百余个，大部分处于废弃闲置状态。开采后盐穴由于造腔较为简易、封闭性较好、储存压力变化适应能力佳，且盐层地质稳定，具有自我修复功能，使用寿命长，是优良的储气库。大小不同的盐穴储气库群，就可以实现数十亿立方米天然气的储存。工作气量可达到总库容的65%-80%，每天容许的采气能力约占工作气量的8%，每年可有多个注采周期。我国西气东输二线工程配套了3座地下储气库，湖北云应盐穴储气库就是其中一座。

目前国内盐穴储气腔体建造多采用水溶法，一般先于输气管道三年以上建设。西气东输工程二线建设的三个地下天然气气储库中有两个就是利用地下盐穴储气，为两湖地区和长三角地区的天然气供应和调峰运行，提供了保障。中石油、中石化存储天然气的储气压力可达16.8MPa左右。有的欧美国家开展了纯氢气（>95%）的地下储存，我国在这方面工程实例应用较少。中国发明专利CN108529124A公开了一种利用地下盐岩溶腔大规模储藏氢气的方法，步骤包括对选择的地下盐岩溶腔进行地质探查，选择至少能在高压条件下不出现氢脆损坏的溶腔管柱设备，对盐岩溶腔进行现场气密性检测，对盐岩溶腔进行注气排卤，在卤水排出完成后，提起排卤套管，在井口安装腔体压力、温度和流量监测设备，完成存储工作。此方法的应用场景之一就是在用电低谷时，电解水制氢。而在用电高峰时，盐穴中的压缩氢气被释放出来进行发电，其中小部分电力通过压缩氢气推动涡轮机进行发电，大部分电力由氢气在质子交换膜燃料室中进行燃烧发电，产生的电力可上网缓解用电需求。

随着全球气候治理形势的变化，为保护地球生态，我国在2020年第75届联合国大会上宣布提高国家自主贡献力度，采取更有力的政策与措施，二氧化碳排放将力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。这加速了我国能源的低碳转型，作为非化石能源的氢能得到了新的布局与大力发展。另一方面，根据国家能源局发布的《2019年可再生能源并网运行情况（2020-03-07）》，我国全年的弃水、弃风和弃光电量分别为30.0，16.9，4.6TW·h，可再生能源消纳问题十分突出。

氢是自然界中含量最多的元素，1m³氢气通过燃烧产生12.7MJ的能量，氢能利用形式多样，如交通运输、供暖、民用等方面，最重要的是产物为水，无细颗粒物排放，且能够减少温室气体产生。制氢方法有生物质热化学制氢、风能制氢、太阳能制氢、地热能制氢、电解水制氢等，其中电解水制氢的动态响应时间在毫秒~秒级，可进行灵活快速调整，并得到了工业化应用。电解水制氢装置一般由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜、水箱、碱液箱等组成。电解水获得的氢气纯度在99%以上，优于水蒸气通过灼热的铁制得的氢气（纯度在97%以下）和碳还原法制得的氢气（纯度约75%），在电解氢氧化钠（钾）溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气，收集净化氢气即可获得所需氢气。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统，用于消纳了富裕电力、减少天然气使用的碳排放。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统，包括制氢单元、天然气供给装置、混合单元、储存送配单元，

所述的制氢单元包括用于制造氢气的电解水装置、用于给所述的电解水装置提供能源的供电装置，

所述的混合单元包括混合罐，所述的电解水装置通过氢气进气管道与所述的混合罐相连通，所述的天然气供给装置通过天然气进气管道与所述的混合罐相连通，

所述的储存送配单元包括高压压气装置、盐穴、配气管网，所述的混合装置与所述的高压压气装置相连通，所述的高压压气装置与所述的盐穴相连通，所述的盐穴与所述的配气管网相连通。

优选地，所述的盐穴储气容积不小于3*10⁵m³，所述的盐穴埋深不小于1100m，所述的盐穴的工作压力不小于3MPa、不大于20MPa。

优选地，所述的混合单元还包括气体流量计、控制配氢模块，所述的控制配氢模块用于控制所述的氢气进气管道、天然气进气管道输气大小，所述的氢气进气管道、天然气进气管道上分别设置有所述的气体流量计、控制配氢模块，所述的气体流量计与所述的控制配氢模块相连接。

优选地，所述的混合罐中氢气的体积不小于0.5%、不大于10%。

优选地，所述的供电装置包括风光互补发电装置。

优选地，所述的供电装置还包括燃煤机组发电装置和/或核电机组发电装置。

优选地，所述的电解水装置的工作温度不小于55℃、不大于90℃。

优选地，所述的制氢单元还包括氢气干燥装置，所述的氢气干燥装置设置在氢气进气管道上。

优选地，所述的储存送配单元还包括净化除水装置，所述的净化除水装置设置在所述的盐穴与所述的配气管网之间。

优选地，所述的储存送配单元还包括调压站，所述的调压站设置在所述的盐穴与所述的配气管网之间。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型通过电解水转化为氢气，以一定比例与天然气混合后注入盐穴储存，不明显影响天然气热值，为“氢进万家”提供了条件，降低了部分碳排放，起到减碳效果。使用时通过天然气管网配送，实现了快速输配，极大降低氢气储气罐与新建输气管网的投资。

附图说明

附图1为本实施例的组合示意图。

以上附图中：11、电解水装置；12、风光互补发电装置；13、燃煤机组发电装置、核电机组发电装置；14、氢气干燥装置；2、天然气供给装置；31、混合罐；32、控制配氢模块；41、高压压气装置；42、盐穴；43、配气管网；44、净化出水装置；45、调压站。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统，包括制氢单元、天然气供给装置2、混合单元、储存送配单元，不会明显影响天然气热值，既使天然气更多地被居民和工业利用并减少碳排放，还消纳了富裕电力，避免了弃风、弃光，并为电网调峰提供了有利条件。

制氢单元包括用于制造氢气的电解水装置11、用于给电解水装置11提供能源的供电装置、用于将电解水装置11制得的氢气干燥的氢气干燥装置14。电解水装置11采用碱性水电解，并且其工作温度在55~90℃范围内。供电装置包括风电互补发电装置12、燃煤机组发电装置13、核电机组发电装置13。风电互补发电装置12利用太阳能电池方阵、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，需要用电时，再从蓄电池组中将电输出，由是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。电解水装置11的电力供应，优先安排使用风电互补发电装置12供应至电解槽，用于电解水制氢，以避免弃风弃光；另一部分电力供应，则取自用电低谷时，切换至燃煤机组发电装置13或者核电机组发电装置13，将其过剩的电力输送到电解槽中对水进行电解。供电装置与电解水装置11相连接提供电力，电解水装置11制得的氢气由氢气进气管道通入混合单元，氢气干燥装置14设置在氢气进气管道上。

混合单元包括混合罐31、气体流量计、控制配氢模块32，电解水装置11通过氢气进气管道与混合罐31相连通，天然气供给装置2通过天然气进气管道与混合罐31相连通，控制配氢模块32用于控制氢气进气管道、天然气进气管道输气大小。氢气进气管道、天然气进气管道上分别设置有气体流量计、控制配氢模块32，气体流量计与控制配氢模块32相连接，控制配氢模块32根据氢气进气管道、天然气进气管道上气体流量计的数据，自动控制输气的大小，并最终使混合罐31中氢气的体积在0.5%~10%之间。混合好的混氢调质天然气通入储存送配单元，进行储存留待使用。当掺混氢气的比例为3%时，调质后的天然气热值为98.0%，氢气的掺入带来减排CO₂量约0.8%；当掺混氢气的比例为10%时，调质后的天然气热值为93.3%，氢气的掺入带来减排CO₂量约2.9%。

储存送配单元包括高压压气装置41、盐穴42、配气管网43、净化除水装置、调压站45。混合罐31与高压压气装置41相连通，高压压气装置41与盐穴42相连通，盐穴42与配气管网43相连通，净化除水装置、调压站45设置在盐穴42与配气管网43之间。注入盐穴42的混氢调质天然气需要压缩才可储存，因此混合罐31输出的气体需要经过高压压气装置41进行压缩。在注调质天然气阶段，使用的注入压力较高，约为7.5MPa~18.5MPa。而储存阶段的压力会降低，储存混合气体的盐穴42腔体压力在3MPa~15MPa。盐穴42选择埋深在1100m以上的盐穴42，其容积不能小于3*10⁵m³并满足压力要求，盐穴42通过地质勘察后应满足低渗透率和气密性（可注入氮气来检测）的要求，盐穴42的注气排卤水可参考中国发明专利CN108529124A进行。用于盐穴42内的设备（包括安全阀等）金属材质与施工工艺需要在高压条件下不出现氢脆问题。应用于地下储氢中的密封井筒和地面管道内流体有关的橡胶材料，应控制减压速率，避免高于临界的减压速率带来的起泡或开裂等现象发生。抽取调用混氢调质天然供用户使用时，由于可能含有水汽及硫化氢杂质气体，需要先经过净化出水装置44，其可使用成熟的技术有常见的变压吸收与膜分离等技术，装置采用耐蚀合金，耐蚀合金具有良好的抗腐蚀性，可用于含有H₂S、CO₂气体的环境。盐穴42中储存的混氢调质天然气使用时由配气管网43输送至各个用户处，而输送管网可直接采用现有的天然气已有管网输送，但在配气管网43之前，需要经过调压站45调整以适配配气管网43的压力。

本实施例将富裕的风光发电、燃煤或者核电调峰的电力通过电解水转化为氢气，并将一定比例的氢气与天然气混合后注入储气盐穴42储存，获得混氢调质天然气。利用风光发电制氢或者接入调峰期间的过剩火电或核电制氢，符合电网灵活性调峰需求；制得的氢气与天然气混合储存于盐穴42中，且不明显影响天然气热值品质，实现了安全便捷存储；使用时通过天然气管网配送，实现了快速输配。该系统的建成既能绿色制取氢气，减少弃风与弃光问题，利用了电网调峰产生的过剩电力，又能极大降低氢气储气罐与新建输气管网的投资，为“氢进万家”提供了条件，降低了碳排放，起到了减碳效果。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：包括制氢单元、天然气供给装置、混合单元、储存送配单元，

所述的制氢单元包括用于制造氢气的电解水装置、用于给所述的电解水装置提供能源的供电装置，

所述的混合单元包括混合罐，所述的电解水装置通过氢气进气管道与所述的混合罐相连通，所述的天然气供给装置通过天然气进气管道与所述的混合罐相连通，

所述的储存送配单元包括高压压气装置、盐穴、配气管网，所述的混合罐与所述的高压压气装置相连通，所述的高压压气装置与所述的盐穴相连通，所述的盐穴与所述的配气管网相连通。

2.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的盐穴储气容积不小于3*10⁵m³，所述的盐穴埋深不小于1100m，所述的盐穴的工作压力不小于3MPa且不大于20MPa。

3.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的混合单元还包括气体流量计、控制配氢模块，所述的控制配氢模块用于控制所述的氢气进气管道、天然气进气管道输气大小，所述的氢气进气管道、天然气进气管道上分别设置有所述的气体流量计、控制配氢模块，所述的气体流量计与所述的控制配氢模块相连接。

4.根据权利要求1或3所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的混合罐中氢气的体积不小于0.5%且不大于10%。

5.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的供电装置包括风光互补发电装置。

6.根据权利要求1或5所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的供电装置还包括燃煤机组发电装置和/或核电机组发电装置。

7.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的电解水装置的工作温度不小于55℃且不大于90℃。

8.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的制氢单元还包括氢气干燥装置，所述的氢气干燥装置设置在氢气进气管道上。

9.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的储存送配单元还包括净化除水装置，所述的净化除水装置设置在所述的盐穴与所述的配气管网之间。

10.根据权利要求1所述的盐穴储氢与天然气耦合输送系统，其特征在于：所述的储存送配单元还包括调压站，所述的调压站设置在所述的盐穴与所述的配气管网之间。

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