一种消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法

技术领域

本发明涉及一种能源生产方法，具体是一种消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法，属于能源低碳生产技术领域。

背景技术

为应对全球气候变化、推动人类可持续发展，在全球“碳中和”的时代大背景下，全球能源结构将深度调整，以石油、煤炭、天然气等化石能源为主的传统能源结构已无法满足各国可持续发展的内在要求，转变能源结构和能源的利用方式成为重要途径，太阳能、风能、水能、核能、生物质能等清洁能源日益成为各国重点支持发展的能源类型。根据国际能源署(IEA)预测，到2030年全球可再生能源电力需求将占全球电力需求增量的80％，其中风能和光伏发电占比将从2019年的8％上升至近30％。

目前传统各类清洁能源多为独立生产，缺少不同能源之间互动互联的生产模式，能源生产及使用的成本较高，难以形成低碳、可靠、经济、绿色的能源供给方式。虽然随着新型电力系统建设和再电气化的不断推进，海上风电和电解制氢作为产业开发的重点大量投入建设并使用，但一方面，海上风电场波动较大，并网会对陆上大电网带来一定的冲击，因此必须配置大量储能等灵活性资源，这就带来部分技术性及经济性问题，且海上风电必须同时敷设高压海缆，成本高昂；另一方面，虽然电解制氢可以实现海上风电消纳，但氢能的运输受行业技术的制约，氢元素密度大、运输损失高，使得氢能运输带来的附加成本及安全成本较高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法，能够解决海上风电远距离输送消纳困难、燃煤发电厂碳排放高的问题，达到经济高效消纳可再生能源、降低发电侧碳排放以及各类能源综合生产的目的。

为实现上述目的，本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产体系包括海上风电发电系统、临海氢气制备系统、滨海燃煤发电系统、废弃气体分离系统、甲烷化气体混合制备系统、储气系统和能源外送系统；滨海燃煤发电系统的烟气排放口通过废气收集装置与废气分离系统的输入端连接，滨海燃煤发电系统的电能输出端与能源外送系统连接；海上风电发电系统包括依次电连接的海上风电发电机组、海上升压站、海底电缆和陆上降压站；储气系统包括氧气储气部分、氢气储气部分和富碳弛放气体储气部分；临海氢气制备系统包括海水电解部分和气体外输部分，海水电解部分与陆上降压站电连接，气体外输部分的氢气输出端与储气系统的氢气储气部分的输入端连接，气体外输部分的氧气输出端与储气系统的氧气储气部分的输入端连接；废气分离系统的输出端与储气系统的富碳弛放气体储气部分的输入端连接；甲烷化气体混合制备系统包括依次连接的原料输入部分、甲烷气体制备部分和余碳脱除部分，余碳脱除部分的输出端与能源外送系统连接；储气系统的氢气储气部分的输出端和富碳弛放气体储气部分的输出端分别与甲烷化气体混合制备系统的原料输入部分连接，储气系统的氧气储气部分的输出端与能源外送系统连接；

滨海燃煤发电系统生产的电能送至能源外送系统进行外送，滨海燃煤发电系统在生产电能的过程中产生的含大量碳化物、硫化物的有害烟气通过废气收集装置统一收集并送至废气分离系统进行处理，废气分离系统将含硫有害烟气分离形成包括一氧化碳和二氧化碳的富碳弛放气体，并进入储气系统的富碳弛放气体储气部分存储；

同时，海上风电发电系统的海上风电发电机组生产的电能就近消纳，通过海上升压站升压处理后经由海底电缆传输、经陆上降压站降压处理后供应至临海氢气制备系统，通过电解水制氢法制备含氢气、氧气的混合气，然后进行分离得到高浓度氢气和高浓度氧气，高浓度氢气进入储气系统的氢气储气部分存储，高浓度氧气进入储气系统的氧气储气部分存储；

然后根据甲烷生产需求控制储气系统的氢气储气部分和富碳弛放气体储气部分的输出端调整气体传输比例，将高浓度氢气和富碳弛放气体同步输送至甲烷化气体混合制备系统制备甲烷化气体，将甲烷化气体制备系统内生成的甲烷气体进行余碳脱除处理后送至能源外送系统进行外送，储气系统的氧气储气部分中的氧气送至能源外送系统进行外送，实现消纳海上风电的同时电能、氧气和甲烷气体的综合能源生产。

作为本发明的进一步改进方案，废气分离系统分离形成的富碳弛放气体，一氧化碳和二氧化碳的浓度在85％以上。

作为本发明的进一步改进方案，废气分离系统对含硫有害烟气进行分离时，对含硫有害烟气加压至1～1.3Mpa后采用干法脱硫。

作为本发明的进一步改进方案，干法脱硫采用氧化铁脱硫剂。

作为本发明的进一步改进方案，甲烷化气体混合制备系统通过加压固定床方法制备甲烷化气体。

作为本发明的进一步改进方案，通过加压固定床方法制备甲烷化气体时，氢气与富碳弛放气的体积比为5:1、温度控制在500～550℃、压力控制在4.2～4.5Mpa。

作为本发明的进一步改进方案，将甲烷化气体制备系统内生成的甲烷气体进行余碳脱除处理时，将甲烷气体加压到9.5～10.5MPa。

与现有技术相比，本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法通过利用海上风电制造氢气，解决风电远距离并网消纳带来的成本及系统运行安全问题，同时，分离处理传统燃煤电厂产生的含碳废气形成高纯度一氧化碳及二氧化碳气体，与氢气一起作为甲烷化气体的生产原料，减少燃煤电厂碳排放量，提升风电消纳率，降低系统整体运行成本以及提高能源生产效率；本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法在发挥传统风电制氢及甲烷化气体制备技术的优势的基础上，既可以解决风电消纳问题及氢气外送带来的安全问题，同时可以有效利用燃煤电厂产生的含碳气体，提升单位碳排放能源利用率，减少能源生产产生的碳排放；利用海上风电在临海燃煤电厂周边区域制氢，通过燃煤电厂含碳废气循环在利用，建立以临海燃煤电厂及海上风电制氢系统为核心的电-气综合能源生产方式，充分发挥碳在不同能源物质间的流动特征，可降低系统整体运行成本以及提高能源生产效率，提高区域能源系统综合供应能力。

附图说明

图1是消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产体系的示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明实施例沿海地区某燃煤电厂各季度典型日发电量及其碳排放情况示图；

图4是本发明实施例沿海地区某燃煤电厂不同季节个传输系数情况示图；

图5是本发明实施例沿海地区某燃煤电厂各季节典型日氢气、氧气生产情况示图；

图6是本发明实施例沿海地区某燃煤电厂不同季节碳再利用情况示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以图1的左侧方向为前方进行描述)。

如图1、图2所示，本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产体系包括海上风电发电系统、临海氢气制备系统、滨海燃煤发电系统、废弃气体分离系统、甲烷化气体混合制备系统、储气系统和能源外送系统；

滨海燃煤发电系统的烟气排放口通过废气收集装置与废气分离系统的输入端连接，滨海燃煤发电系统的电能输出端与能源外送系统连接；海上风电发电系统包括依次电连接的海上风电发电机组、海上升压站、海底电缆和陆上降压站；储气系统包括氧气储气部分、氢气储气部分和富碳弛放气体储气部分；临海氢气制备系统包括海水电解部分和气体外输部分，海水电解部分与陆上降压站电连接，通过海上风电发电系统产生的电能对海水进行电解制备氢气和氧气，气体外输部分的氢气输出端与储气系统的氢气储气部分的输入端连接，气体外输部分的氧气输出端与储气系统的氧气储气部分的输入端连接；废气分离系统的输出端与储气系统的富碳弛放气体储气部分的输入端连接；甲烷化气体混合制备系统包括依次连接的原料输入部分、甲烷气体制备部分和余碳脱除部分，余碳脱除部分的输出端与能源外送系统连接；储气系统的氢气储气部分的输出端和富碳弛放气体储气部分的输出端分别与甲烷化气体混合制备系统的原料输入部分连接，储气系统的氧气储气部分的输出端与能源外送系统连接。

本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产体系生产过程中，滨海燃煤发电系统生产的电能送至能源外送系统进行外送，滨海燃煤发电系统在生产电能的过程中产生的大量含碳、硫化物的有害烟气通过废气收集装置统一收集并送至废气分离系统进行处理，废气分离系统将含硫有害废气加压至1～1.3Mpa后采用干法脱硫经过氧化铁脱硫剂后形成一氧化碳、二氧化碳浓度在85％以上的富碳弛放气体，并进入储气系统的富碳弛放气体储气部分存储；

同时，海上风电发电系统的海上风电发电机组生产的电能就近消纳，通过海上升压站升压处理后经由海底电缆传输至滨海燃煤电厂场站附近，经陆上降压站降压处理后供应至临海氢气制备系统，通过电解水制氢法制备含氢气、氧气的混合气，然后进行分离得到高浓度氢气和高浓度氧气，高浓度氢气进入储气系统的氢气储气部分存储，高浓度氧气进入储气系统的氧气储气部分存储；

然后根据甲烷生产需求控制储气系统的氢气储气部分和富碳弛放气体储气部分的输出端，将高浓度氢气和富碳弛放气体同步输送至甲烷化气体混合制备系统、并通过加压固定床方法制备甲烷化气体，其中氢气与富碳弛放气的体积比为5:1、温度控制在500～550℃、压力控制在4.2～4.5Mpa，将甲烷化气体制备系统内生成的甲烷气体加压到9.5～10.5MPa后进行余碳脱除处理，然后送至能源外送系统进行外送，储气系统的氧气储气部分中的氧气送至能源外送系统进行外送，实现消纳海上风电的同时电能、氧气和甲烷气体的综合能源生产。

以沿海地区某燃煤电厂为例，该电厂拥有2*50MW发电机组，该电厂各季度典型日发电量及其碳排放情况如图3所示。

所需海上风电机组的装机容量E

E

式中：E

其中电-氢总转换比η

η

式中：k

上式中各系数如图4所示。

通过本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法可计算得到该拥有2*50MW发电机组的电厂需配置50MW容量海上风电机组，其各季节典型日氢气、氧气生产情况如图5所示，不同季节燃煤电厂碳再利用情况如图6所示。可以看出，本消纳海上风电的滨海燃煤电-气综合能源生产方法能够有效提高燃煤电厂碳排放再利用率，充分发挥碳在不同能源物质间的流动特征，提高区域能源系统综合供应能力，降低系统整体运行成本以及提高能源生产效率。