风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统

技术领域

本发明属于能源及电力技术领域，具体涉及一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统。

背景技术

随着可再生能源和清洁能源的发展，风电和光伏发电以及氢能都开始大规模的进行利用。但是，风电和光伏发电目前存在一些问题。风电在风速低和无风时不能发电，并且由于风力的不确定的性，风电具有随机特征，对电网的安全运行会产生不利影响。光伏发电在阴雨天和夜晚不能发电，并且同风电一样具有不确定性。为了提高风电和光伏发电的稳定性，根据太阳能和风能普遍呈现负相关的特点：一般冬季风大，太阳辐射强度小；夏季风小，太阳辐射强度大，风电和光伏发电可以互补利用，风光互补发电在一些偏远的山村有一些小型应用，还有路灯、住宅小区公园的照明。可是由于太阳能和风能一样具有不稳定、不连续的缺点，风光互补电发还是会出现相似的问题。

根据风光互补发电存在的不稳定性和不连续性的特点，提出将不稳定的电能通过电解水制氢的方式储存起来，然后通过燃气轮机发电系统对氢气进行利用。所以提出风光-制氢燃气-超临界二氧化碳循环作互补发电系统。因为燃气轮机发电系统具有快速启停和快速负荷调节特性，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％，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，所以考虑将燃气轮机发电系统与风光互补发电系统进行耦合，可以减少天然气的使用以及二氧化碳气体的排放。同时，超临界二氧化碳布雷顿循环因布局简单、效率更高且设备尺寸紧凑等诸多优点而受到越来越多的关注。但是现有技术中，并未有一种将风光互补与燃气-超临界二氧化碳循环进行耦合的互补发电系统。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统。

本发明提供了一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统，具有这样的特征，包括：风力发电部，包括风力发电设备、与风力发电设备连接的第一整流器、与第一整流器连接的第一逆变器、与第一逆变器连接的第一变压器以及与第一变压器连接的第一隔离开关；

光伏发电部，包括光伏发电设备、同时与光伏发电设备和第一整流器连接的直流变压器、与直流变压器连接的第二逆变器、与第二逆变器连接的第二变压器以及与第二变压器连接的第二隔离开关；

电解水制氢部，包括与直流变压器连接的电解水制氢设备、与电解水制氢设备连接的氢气压缩机、与氢气压缩机连接的氢气储罐、与电解水制氢设备连接的氧气压缩机、与氧气压缩机连接的氧气储罐；

燃气轮机部，包括与氧气储罐连接的空气压缩机、同时与氢气储罐和空气压缩机连接的燃烧室、与燃烧室连接的燃气透平以及与燃气透平连接的燃气发电机；

超临界二氧化碳循环部，包括与燃气透平连接的烟气-超临界二氧化碳换热器、与烟气-超临界二氧化碳换热器连接的超临界二氧化碳高温透平、与临界二氧化碳高温透平连接的高温回热器、与高温回热器连接的低温回热器、与低温回热器连接的冷却器、与冷却器连接的超临界二氧化碳压缩机以及与超临界二氧化碳压缩机同轴连接的发电机，

其中，高温回热器还连接有超临界二氧化碳低温透平，超临界二氧化碳低温透平还与低温回热器连接，

燃气发电机和发电机同时与高压母线连接，

第一隔离开关和第二隔离开关连接有低压母线，低压母线通过第三隔离开关和高压变压器与高压母线连接，

风力发电设备和光伏发电设备产生的电力经过第三隔离开关和高压变压器进入高压母线，同时产生的电力经过直流变压器整合后进入电解水制氢设备并进行水解得到氢气与氧气，氢气与氧气通过氢气储罐和氧气储罐进行储存，并输入至燃烧室辅助燃烧，燃烧室燃烧产生的烟气进入燃气透平做功后带动燃气发电机发电后输出电力至所高压母线，同时进入燃气透平做功后的烟气进入烟气-超临界二氧化碳换热器，通过烟气的余热与烟气-超临界二氧化碳换热器内的超临界二氧化碳进行换热，超临界二氧化碳在超临界二氧化碳循环部进行循环，并通过发电机进行发电并输出电力至高压母线。

在本发明提供的风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，超临界二氧化碳压缩机连接有分流阀，经过超临界二氧化碳压缩机压缩后的超临界二氧化碳的通过分流阀进行分流，一部分超临界二氧化碳进入低温回热器和高温回热器进行回热后进入超临界二氧化碳低温透平膨胀做功后进入低温回热器，另一部分则直接进入烟气二氧化碳换热器，使得超临界二氧化碳完成循环。

在本发明提供的风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，氢气储罐上设有氢气控制阀门，通过氢气控制阀门控制进入氢气储罐和燃烧室的氢气流量。

在本发明提供的风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，氧气储罐上设有氧气控制阀门，通过氧气控制阀门控制进入氧气储罐和空气压缩机的氧气流量。

在本发明提供的风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，燃烧室上设有燃气控制阀，通过燃气控制阀控制进入燃烧室内的燃气流量。

在本发明提供的风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，高压母线的一端设置在直流变压器和电解水制氢设备之间，高压母线上设有第三逆变器和第三变压器。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统，通过将风力发电部、光伏发电部、电解水制氢部、燃气轮机部以及超临界二氧化碳循环部组成循环互补发电系统来进行互补发电，可以通过燃气发电负荷调节迅速的特点，提高风电和光伏发电的稳定性，提升风电和光伏发电参与电网调频调峰能力；并且，通过风力发电部、光伏发电部以及电解水制氢部进行配合，能够降低风电和光伏发电的弃风和弃光率，将电网无法消纳的电力通过电解水制氢的方式进行储存，提高风电和光伏发电的利用率；另外，通过电解水制氢部和燃气轮机部进行配合，一方面可以通过氢气储罐和氧气储罐对电解水制造的氢气和氧气进行储存，另一方面将氢气通入燃气轮机部的燃烧室中可以代替一部分燃气降低燃气用量减少二氧化碳排放量，同时将氧气通入燃烧室中可以进行富氧燃烧，能够提高燃气轮机效率并且降低空气压缩机耗电；进一步的，通过超临界二氧化碳循环部对燃气的排烟热量进行余热利用，提高发电效率，同时，超临界二氧化碳循环部产生的电力可以在低谷用电时通过电解水制氢部的电解水制氢方式将电力储存起来，在高峰用电时再将这部分电力释放，达到调峰目的。因此，本发明的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统，将风光互补发电与燃气-超临界二氧化碳循环进行耦合充分解决了风光互补发电的不稳定性和不连续的问题，并且通过电解水制氢部将电能进行储存，产生的氢气作为燃气轮机燃料，氧气作为富氧燃烧的助燃剂，有效减少了燃气使用以及二氧化碳排放，同时采用超临界二氧化碳循环对燃气的排烟热量进行余热利用，进一步提高了发电效率。

附图说明

图1是本发明的实施例中的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统的结构图。

如图1所示，本实施例的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统100，包括：风力发电部、光伏发电部、电解水制氢部、燃气轮机部以及超临界二氧化碳循环部。

风力发电部包括风力发电设备11、与风力发电设备11连接的第一整流器12、与第一整流器12连接的第一逆变器13、与第一逆变器13连接的第一变压器14以及与第一变压器13连接的第一隔离开关15。

光伏发电部包括光伏发电设备21、同时与光伏发电设备21和第一整流器12连接的直流变压器22、与直流变压器22连接的第二逆变器23、与第二逆变器23连接的第二变压器24以及与第二变压器24连接的第二隔离开关25。

第一隔离开关15和第二隔离开关25连接有低压母线，低压母线通过第三隔离开关61和高压变压器62与高压母线连接。

本实施例中，风力发电部和光伏发电部在发电负荷稳定时，通过控制闭合第一隔离开关15、第二隔离开关25和第三隔离开关61将风力发电部和光伏发电部产生的电量输送至高压母线，风力发电部和光伏发电部可以联合运行也可以单独独立运行。

电解水制氢部包括与直流变压器22连接的电解水制氢设备31、与电解水制氢设备31连接的氢气压缩机32、与氢气压缩机32连接的氢气储罐33、与电解水制氢设备31连接的氧气压缩机34、与氧气压缩机34连接的氧气储罐35。

高压母线的一端设置在直流变压器22和电解水制氢设备31之间，高压母线上设有第三逆变器71和第三变压器72。

本实施例中，电解水制氢部可以在风力发电部和光伏发电部负荷较高时将溢出电力通过电解水制氢设备31将电力以氢气和氧气的形式储存。电解水制氢部也可以在用电低谷时将燃气轮机部以及超临界二氧化碳循环部产生的电力，通过第三逆变器71将电力进行储存。

燃气轮机部包括与氧气储罐35连接的空气压缩机41、同时与氢气储罐33和空气压缩机41连接的燃烧室42、与燃烧室42连接的燃气透平43以及与燃气透平43连接的燃气发电机44。

氢气储罐33上设有氢气控制阀门331，通过氢气控制阀门331控制进入氢气储罐33和燃烧室42的氢气流量。

氧气储罐35上设有氧气控制阀门351，通过氧气控制阀门351控制进入氧气储罐35和空气压缩机41的氧气流量。

燃烧室42上设有燃气控制阀421，通过燃气控制阀421控制进入燃烧室42内的燃气流量。

本实施例中，燃气轮机部中设置有燃气控制阀421，在氢气储罐33储存一定容量氢气时，调节燃气控制阀421减少燃气流量，增加氢气流量，进行燃气和氢气掺烧，同时控制空气压缩机41的功率调节进入燃烧室42的空气流量。当氧气储罐35储存一定容量氧气时，调节氧气控制阀门351增加进入空气压缩机41的氧气流量，使燃烧室42进行富氧燃烧。

超临界二氧化碳循环部包括与燃气透平43连接的烟气-超临界二氧化碳换热器51、与烟气-超临界二氧化碳换热器51连接的超临界二氧化碳高温透平52、与临界二氧化碳高温透平52连接的高温回热器53、与高温回热器53连接的低温回热器54、与低温回热器54连接的冷却器55、与冷却器55连接的超临界二氧化碳压缩机56以及与超临界二氧化碳压缩机56连接的发电机57。

高温回热器53还连接有超临界二氧化碳低温透平58，超临界二氧化碳低温透平58还与低温回热器54连接，

超临界二氧化碳压缩机56连接有分流阀59，经过超临界二氧化碳压缩机56压缩后的超临界二氧化碳的通过分流阀59进行分流，一部分超临界二氧化碳进入低温回热器54和高温回热器53进行回热后进入超临界二氧化碳低温透平58膨胀做功后进入低温回热器54，另一部分则直接进入烟气二氧化碳换热器51，使得超临界二氧化碳完成循环。

本实施例中，超临界二氧化碳循环部的配置为一台烟气-超临界二氧化碳换热器51、一台超临界二氧化碳高温透平52、高温回热器53、低温回热器54、冷却器55、超临界二氧化碳压缩机56、发电机57以及超临界二氧化碳低温透平58。在实际配置中可以根据燃机参数改变超临界二氧化碳压缩机、冷却器和烟气-超临界二氧化碳换热器的配置台数来对燃机余热进行充分利用。

燃气发电机44和发电机57同时与高压母线连接。

本实施例中的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统的工作流程如下：

风力发电设备11与第一整流器12连接，将风力发电设备11的交流电转化为直流电，第一整流器12一侧与第一逆变器13连接将直流电转化为稳定交流电，经过第一变压器14升压，通过第一隔离开关15连入低压母线，经过第三隔离开关61后，通过高压变压器62升压接入高压母线，第一整流器12的另一侧与直流变压器22连接，在与光伏发电设备21的电量进行汇合进入电解水制氢设备31进行制氢。

光伏发电设备21与直流变压器22连接，将直流电压调节至与风力发电设备11侧输出电压相同，直流变压器22一侧与第二逆变器23相连将直流电流转化为稳定交流电流，经过第二变压器24升压，通过第二隔离开关25连入低压母线，经过第三隔离开关61后，通过高压变压器62升压接入高压母线，直流变压器22另一侧与电解水制氢设备31相连输入电力进行制氢。

电解水制氢设备31一侧与氢气压缩机32相连，通过氢气控制阀门331控制进入氢气储罐33和进入燃烧室42的氢气流量，电解水制氢设备31另一侧与氧气压缩机34相连，通过氧气控制阀门351控制氧气储罐35和进入空气压缩机41的氧气流量。

空气压缩机41与燃烧室42相连为燃气燃烧提供空气，燃烧室42通过燃气控制阀421控制进入燃烧室42的燃气流量，燃气和氢气在燃烧室42进行燃烧后的烟气进入燃气透平43做功，燃气发电机44与燃气透平43相连，将燃气循环产生的电力输送至高压母线。

进入燃气透平43做功后的烟气进入烟气-超临界二氧化碳换热器51，通过烟气的余热与烟气-超临界二氧化碳换热器51内的超临界二氧化碳进行换热，加热后的超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳高温透平52膨胀做功，之后经过高温回热器53和低温回热器54回热，然后进入冷却器55冷却，进入超临界二氧化碳压缩机56加压，再经过分流阀59分流，一部分进入低温回热器54和高温回热器53冷侧进行回热，之后进入超临界二氧化碳低温透平58膨胀做功后进入低温回热器54，另一部分则直接进入烟气-超临界二氧化碳换热器51，然后完成循环，发电机57与超临界二氧化碳压缩机56同轴连接，通过发电机57进行发电并输出电力至高压母线。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统，通过将风力发电部、光伏发电部、电解水制氢部、燃气轮机部以及超临界二氧化碳循环部组成循环互补发电系统来进行互补发电，可以通过燃气发电负荷调节迅速的特点，提高风电和光伏发电的稳定性，提升风电和光伏发电参与电网调频调峰能力；并且，通过风力发电部、光伏发电部以及电解水制氢部进行配合，能够降低风电和光伏发电的弃风和弃光率，将电网无法消纳的电力通过电解水制氢的方式进行储存，提高风电和光伏发电的利用率；另外，通过电解水制氢部和燃气轮机部进行配合，一方面可以通过氢气储罐和氧气储罐对电解水制造的氢气和氧气进行储存，另一方面将氢气通入燃气轮机部的燃烧室中可以代替一部分燃气降低燃气用量减少二氧化碳排放量，同时将氧气通入燃烧室中可以进行富氧燃烧，能够提高燃气轮机效率并且降低空气压缩机耗电；进一步的，通过超临界二氧化碳循环部对燃气的排烟热量进行余热利用，提高发电效率，同时，超临界二氧化碳循环部产生的电力可以在低谷用电时通过电解水制氢部的电解水制氢方式将电力储存起来，在高峰用电时再将这部分电力释放，达到调峰目的。因此，本实施例的一种风光-制氢-燃气超临界二氧化碳循环互补发电系统，将风光互补发电与燃气-超临界二氧化碳循环进行耦合充分解决了风光互补发电的不稳定性和不连续的问题，并且通过电解水制氢部将电能进行储存，产生的氢气作为燃气轮机燃料，氧气作为富氧燃烧的助燃剂，有效减少了燃气使用以及二氧化碳排放，同时采用超临界二氧化碳循环对燃气的排烟热量进行余热利用，进一步提高了发电效率。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。