CN112003309A - 一种电力调峰*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力调峰***，属于新能源技术领域，包括：超临界CO2循环子***，包括沿CO2工质的流动方向依次连通的第一压缩机、回热结构、CO2透平、蓄热装置、回热结构和预冷器，CO2透平连接发电机，蓄热装置内具有蓄热介质，CO2工质能够与蓄热介质于蓄热装置内交换热量；电解制氢子***，包括输水装置和电解制氢装置，电解制氢装置连接有储氧装置，电解制氢装置连接用于提供电力的可再生能源发电站，水能够与蓄热介质于蓄热装置内交换热量而汽化；燃烧装置，具有燃烧室和连通燃烧室的燃料进口、氧气进口、CO2进口和CO2出口，氧气进口连接储氧装置，CO2进口连通于回热结构，CO2出口连通于CO2透平。本发明提出的电力调峰***，能够实现削峰填谷。

Description

一种电力调峰***
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种电力调峰***。
背景技术
风能和太阳能发电机具有随机性和波动性的特点，给电网消纳带来诸多不利因素，弃风弃光问题十分突出，造成严重的资源浪费。针对这一问题，国内外广泛开展将富余的电能转化为氢能的解决方案，一方面有利于电力消纳，一方面可以生成燃料电池车辆所需的氢源。电能转化为氢能可采用电解水制氢技术，具体可采用碱性水溶液电解、固体聚合物水电解及固体氧化物水电解技术，其中，固体氧化物水电解中的固体氧化物电解池运行在700℃或以上高温，将水蒸气电解为氢气和氧气，其耗电量相比碱性水溶液电解、固体聚合物水电解减少30％-40％，但是其缺点是需要消耗高温热量，使得固体氧化物水电解技术的应用场景受限，难以运用到风能和太阳能发电站中来实现富余电能的利用。此外，当产生的氢能被用于非发电用途时，又无法满足用电高峰期的用电需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力调峰***，实现在用电低谷时，利用富余电能制备氢能，同时又能在用电高峰期满足用电需求，实现削峰填谷。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种电力调峰***，包括：
超临界CO2循环子***，包括沿CO2工质的流动方向依次连通的第一压缩机、回热结构、CO2透平、蓄热装置、所述回热结构和预冷器，所述CO2透平连接发电机，所述蓄热装置内具有蓄热介质，所述CO2工质能够与所述蓄热介质于所述蓄热装置内交换热量；
电解制氢子***，包括输水装置和电解制氢装置，所述电解制氢装置连接有储氧装置，所述电解制氢装置连接用于提供电力的可再生能源发电站，所述蓄热装置连接于所述输水装置和所述电解制氢装置之间，水能够与所述蓄热介质于所述蓄热装置内交换热量而汽化；
燃烧装置，具有燃烧室和连通燃烧室的燃料进口、氧气进口、CO2进口和CO2出口，所述氧气进口连接所述储氧装置，所述CO2进口连通于所述回热结构，所述CO2出口连通于所述CO2透平。
进一步地，所述回热结构包括低温回热器和高温回热器，所述低温回热器的高压侧进口和高压侧出口分别连通于所述第一压缩机的出口和所述高温回热器的高压侧进口，所述高温回热器的高压侧出口连通于所述燃烧装置的CO2进口；所述低温回热器的低压侧进口和低压侧出口分别连通于所述高温回热器的低压侧出口和所述预冷器的进口，所述高温回热器的低压侧进口连通于所述蓄热装置的CO2工质出口
所述电力调峰***还包括第二压缩机，所述第二压缩机的进口连通于所述低温回热器的低压侧出口，所述第二压缩机的出口连通于所述高温回热器的高压侧进口。
进一步地，所述电力调峰***还包括CO2收集装置，所述CO2收集装置连接于所述预冷器的出口和所述第一压缩机的进口之间的管路。
进一步地，所述超临界CO2循环子***还包括气液分离器，所述气液分离器连接于所述预冷器的出口和所述第一压缩机的进口之间。
进一步地，所述输水装置包括第一预热器，所述第一预热器的A1口连通有水输送管路，A2口连通于蓄热装置，A3口连通于电解制氢装置的氢气出口，A4口为氢气排出口，所述A1口连通于所述A2口，所述A3口连通于所述A4口，水能够与氢气于所述第一预热器内交换热量。
进一步地，所述输水装置还包括氢水换热器，所述氢水换热器的B1口连通于所述第一预热器的A4口，B2口连通于氢气输送管路，B3口连通于所述第一预热器的A1口，B4口连通于第一补水管路，所述B1口连通于所述B2口，所述B3口连通于所述B4口，水能够与氢气于所述氢水换热器内交换热量。
进一步地，所述电力调峰***还包括氢水分离器，所述氢水分离器的进气口连通所述氢气输送管路，所述氢水分离器的出水口连通于输水泵的进口，所述输水泵的出口连通于所述水输送管路。
进一步地，所述输水装置还包括循环风机，所述循环风机的进口连通于所述第一预热器的A4口，所述循环风机的出口连通于所述第一预热器的A2口和所述蓄热装置之间的管路。
进一步地，所述输水装置还包括氧水换热器，所述氧水换热器的C1口连通有第二补水管路，C2口连通于所述第一预热器的A1口，C3口连通于电解制氢装置的氧气出口，C4口连通于储氧装置，所述C1口连通于所述C2口，所述C3口连通于所述C4口，水能够与氧气于所述氧水换热器内交换热量。
进一步地，所述可再生能源发电站为风力发电站或太阳能发电站。
本发明的有益效果为：
本发明提出的电力调峰***，通过设置超临界CO2循环子***、电解制氢子***和燃烧装置，能够在电量有富余时，通过电解制氢装置生产氢气，并将氧气储存，且利用蓄热装置内存储的热量用于加热水而生成高温蒸汽。在用电高峰时，通过燃料在燃烧室内燃烧为CO2工质提供热量来发电，并且将CO2工质内的余热通过蓄热装置进行收集。能够在用电低谷时将富余的电能用来制备氢气，而在用电高峰期通过超临界CO2循环生产电能，实现削峰填谷。
附图说明
图1是发明提供的电力调峰***的示意图。
图中：
10、发电机；20、可再生能源发电站；
1、超临界CO2循环子***；11、第一压缩机；12、回热结构；121、低温回热器；122、高温回热器；13、CO2透平；14、蓄热装置；15、预冷器；16、气液分离器；17、第二压缩机；18、CO2收集装置；
2、电解制氢子***；21、第一预热器；22、氢水换热器；23、氧水换热器；24、循环风机；25、输水泵；26、电解制氢装置；
3、燃烧装置；4、氢水分离器；5、氢提纯装置；6、第三压缩机；7、储氧装置；8、第四压缩机；9、水处理装置。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本实施例提供一种电力调峰***，该电力调峰***包括超临界CO2循环子***1、电解制氢子***2和燃烧装置3。其中，超临界CO2循环子***1包括沿CO2工质的流动方向依次连通的第一压缩机11、回热机构、CO2透平13、蓄热装置14、回热结构12和预冷器15，CO2透平13连接于发电机10，蓄热装置14内具有蓄热介质，CO2工质能够与蓄热介质于蓄热装置14内交换热量。电解制氢子***2包括输水装置和电解制氢装置26，电解制氢装置26连接于用于提供电力的可再生能源发电站20，蓄热装置14连接于输水装置和电解制氢装置26之间，水能够与蓄热介质于蓄热装置14内交换热量而汽化。燃烧装置3具有燃烧室和连通燃烧室的燃料进口、氧气进口、CO2进口和CO2出口，氧气进口连通于储氧装置7，CO2进口连通于回热结构12，CO2出口连通于CO2透平13。
在本实施例中，上述可再生能源发电站20为太阳能发电站或发电站。
进一步地，上述回热结构12包括低温回热器121和高温回热器122，低温回热器121的高压侧进口D1和高压侧出口D2分别连通于第一压缩机11的出口和高温回热器122的高压侧进口E1，高温回热器122的高压侧出口E2连通于燃烧装置3的CO2进口，低温回热器121的低压侧进口D3和低压侧出口D4分别连通于高温回热器122的低压侧出口E4和预冷器15的进口，高温回热器122的低压侧进口E3连通于蓄热装置14的CO2工质出口。此外，该电力调峰***还包括第二压缩机17，第二压缩机17的进口连通于低温回热器121的低压侧出口D4，第二压缩机17的出口连通于高温回热器122的高压侧进口E1。
上述燃料为燃烧产生CO2和/或水的燃料，进一步优选地，燃料选择为天然气。进一步地，上述超临界CO2循环子***1还包括气液分离器16和水处理装置9，气液分离器16连接于预冷器15的出口和第一压缩机11的进口之间，气液分离器16用于分离CO2和水。水处理装置9连接于气液分离器16的液体出口，用于将水汽分离器17中的水处理后排放。水处理装置9为现有技术常见的结构，在此不再赘述。
进一步地，该电力调峰***还包括CO2收集装置18，CO2收集装置18连接于预冷器15的出口。具体地，CO2收集装置18连接于预冷器15的出口和第一压缩机11的进口之间的管路。可以理解的是，在燃烧室内，天然气燃烧后生成CO2，通过CO2收集装置18将超临界CO2循环子***1内多余的CO2进行收集。当然在其他实施例中，燃料也可以选用甲醇、氢气等燃料，并且当燃料燃烧不产生CO2时，可省去CO2收集装置18。
可以理解的是，本实施例提供的电力调峰***，在用电低谷时，可再生能源发电站20将多余的电量供给电解制氢装置26用于制氢和制氧。具体地，在电解制氢过程中，输水装置输送的水在蓄热装置14内与蓄热介质交换热量，蓄热介质放出热量，水吸收热量汽化形成高温蒸汽，随后进入电解制氢装置26的阴极侧发生电解反应，部分高温蒸汽分解形成氢气和氧气，氧气进入储氧装置7，氢气用于存储或输送。在用电高峰时，启动超临界CO2循环，C02工质经第一压缩机11后经回热结构12进入燃烧装置3的燃烧室内，与燃烧室中的燃料和氧气燃烧后形成的烟气混合后温度升高，并进入C02透平13，通过C02透平13和发电机10发电，以补充电能。从C02透平13流出的C02工质进入蓄热装置14内与蓄热介质交换热量，C02工质放出热量，蓄热介质吸收热量从而将C02工质所含的余热储存起来，从蓄热装置14内流出的C02工质经过回热结构12和预冷器15后再次进入第一压缩机11，进行下一次循环。
进一步地，蓄热装置14包括多个依次连接的蓄热器，每个蓄热器内均具有蓄热介质，由CO2透平13流出的CO2工质依次经过多个蓄热器。通过多个蓄热器对CO2工质所含的热量进行充分的回收。具体地，在本实施例中，蓄热器的数量为三个，当然在其他实施例中，蓄热器的数量还可为两个或三个以上。此外，在本实施例中，上述蓄热介质为相变储热材料，比如无机盐、金属合金材料等，本实施例不做具体限制。
如图1所示，上述输水装置包括第一预热器21，第一预热器21的A1口连通有水输送管路，A2口连通于蓄热装置14的水进口，A3口连通于电解制氢装置26的氢气出口，A4口为氢气排出口，A1口连通于A2口，A3口连通于A4口，水能够与氢气与第一预热器21内交换热量。可以理解的是，电解制氢装置26产生的氢气是电解高温蒸汽产生的，因此由电解制氢装置26的氢气出口排出的氢气含有一定的热量，通过第一预热器21，利用氢气含有的热量对水进行预热，实现对氢气所含的热量的利用，避免热能的浪费。
进一步地，上述输水装置还包括氢水换热器22，氢水换热器22的B1口连通于第一预热器21的A4口，B2口连通于氢气输送管路，B3口连通于第一预热器21的A1口，B4口连通于第一补水管路，B1口连通于B2口，B3口连通于B4口，水能够与氢气于氢水换热器22内交换热量。通过氢水换热器22，进一步对氢气中所含的热量进行回收利用，并且可通过第一补水管路向第一预热器21内补水。
再次参照图1，该电力调峰***还包括氢水分离器4和氢提纯装置5，氢水分离器4的进气口连通上述氢气输送管路，氢水分离器4的出水口连通于输水泵25的进口，输水泵25的出口连通于水输送管路。通过输水泵25能够将氢水分离器4中的水再次经第一预热器21、蓄热装置14后输送进电解制氢装置26内进行电解制氢。氢提纯装置5连接于氢水分离器4的出气口，用于对排出的氢进行提纯，氢提纯装置5为现有技术常见的结构，在此不再赘述。
进一步地，电解制氢子***2还包括循环风机24，循环风机24的进口连通于第一预热器21的A4口，循环风机24的出口连通于第一预热器21的A2口和蓄热装置14之间的管路。可以理解的是，由第一预热器21的A1口排出的氢气一部分进入氢水换热器22，另一部分通过循环风机24输送并与第一预热器21的A2口排出的水混合后进入蓄热装置14内。
进一步地，输水装置还包括氧水换热器23，氧水换热器23的C1口连通有第二补水管路，C2口连通于第一预热器21的A1口，C3口连通于电解制氢装置26的氧气出口，C4口连通于储氧装置7，C1口连通于C2口，C3口连通于C4口，水能够与氧气于氧水换热器23内交换热量。通过氧水换热器23，能够对氧气中所含的热量进行回收利用。
此外，该电力调峰***还包括连接于储氧装置7和氧水换热器23的C4口之间的第三压缩机6及连接于储氧装置7和燃烧装置3的氧气进口之间的第四压缩机8。
以下将对该电力调峰***的工作过程进行详细的描述。
以风能发电站为例：
1、在风能发电站发电量有富余时，利用富余的部分电量生产氢气，过程如下：
输水泵25将氢水分离器4内的水加压至3MPa并输送至第一预热器21，在第一预热器21内，水与氢气进行交换热，氢气的温度降低，水的温度升高。从第一预热器21的A2口排出的水与循环风机24的出口排出的氢气混合后进入蓄热装置14，在蓄热装置14内，蓄热介质放出热量，水被加热汽化形成约700℃的高温蒸汽，高温蒸汽进入电解制氢装置26的阴极侧被电解生成氢气和氧气，氧气经氧水换热器23、第三压缩机6后进入储氧装置7，氢气经第一预热器21、氢水换热器22、氢水分离器4和氢提纯装置5后储存或输送。在第一预热器21内，水和氢气进行热交换，氢气放出热量，温度降低，水吸收热量，温度升高。
当需要补水时，通过第一补水管路和/或第二补水管路进行补水，通过第一补水管路补的水在氢水换热器22内吸收氢气的热量，通过第二补水管路补的水在氧水换热器23内吸收氧气的热量，实现对氢气和氧气所含的热量的回收利用。
2、用电高峰期，启动超临界CO2循环，过程如下：
进入第一压缩机11的CO2工质的温度为32℃，压力为7.5MPa，经第一压缩机11增压至30MPa，随后CO2工质经低温回热器121、高温回热器122吸收由CO2透平13排出的CO2工质所含的热量后进入燃烧室。在燃烧室中，CO2工质与天然气燃烧产生的CO2和水混合并吸收热量，混合气的温度达到1100℃。随后混合器进入CO2透平13做功，推动发电机10发电。由CO2透平13排出的CO2工质的温度约为885℃，CO2工质进入蓄热装置14内放出热量，蓄热装置14内的蓄热介质吸收热量，在本实施例中，三个蓄热器的蓄热介质吸收热量后温度分别达到730℃、650℃和600℃，蓄热装置14的CO2工质出口排出的CO2工质经过高温回热器122、低温回热器121、预冷器15、气液分离器16后回到第一压缩机11，并且多余的CO2工质被CO2收集装置18所收集。
在上述过程中，由低温回热器121的低压侧出口排出的CO2工质一部分进入预冷器15，另一部分经第二压缩机17压缩后进入高温回热器122的高压侧进口。
综上，本实施例提供的电力调峰***，通过设置超临界CO2循环子***1、电解制氢子***2和燃烧装置3，能够在电量有富余时，通过电解制氢装置26生产氢气，并将氧气储存，且蓄热装置14内存储的电量用于加热水而生成高温蒸汽。在用电高峰时，通过燃料在燃烧室内燃烧为CO2工质提供热量来发电，并且将CO2工质内的余热通过蓄热装置14进行收集。能够在用电低谷时将富余的电能用来制备氢气，而在用电高峰期通过超临界CO2循环生产电能，实现削峰填谷。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种电力调峰***，其特征在于，包括：
超临界CO2循环子***(1)，包括沿CO2工质的流动方向依次连通的第一压缩机(11)、回热结构(12)、CO2透平(13)、蓄热装置(14)、所述回热结构(12)和预冷器(15)，所述CO2透平(13)连接发电机(10)，所述蓄热装置(14)内具有蓄热介质，所述CO2工质能够与所述蓄热介质于所述蓄热装置(14)内交换热量；
电解制氢子***(2)，包括输水装置和电解制氢装置(26)，所述电解制氢装置(26)连接有储氧装置(7)，所述电解制氢装置(26)连接用于提供电力的可再生能源发电站(20)，所述蓄热装置(14)连接于所述输水装置和所述电解制氢装置(26)之间，水能够与所述蓄热介质于所述蓄热装置(14)内交换热量而汽化；
燃烧装置(3)，具有燃烧室和连通燃烧室的燃料进口、氧气进口、CO2进口和CO2出口，所述氧气进口连接所述储氧装置(7)，所述CO2进口连通于所述回热结构(12)，所述CO2出口连通于所述CO2透平(13)。
2.根据权利要求1所述的电力调峰***，其特征在于，所述回热结构(12)包括低温回热器(121)和高温回热器(122)，所述低温回热器(121)的高压侧进口和高压侧出口分别连通于所述第一压缩机(11)的出口和所述高温回热器(122)的高压侧进口，所述高温回热器(122)的高压侧出口连通于所述燃烧装置(3)的CO2进口；所述低温回热器(121)的低压侧进口和低压侧出口分别连通于所述高温回热器(122)的低压侧出口和所述预冷器(15)的进口，所述高温回热器(122)的低压侧进口连通于所述蓄热装置(14)的CO2工质出口；
所述电力调峰***还包括第二压缩机(17)，所述第二压缩机(17)的进口连通于所述低温回热器(121)的低压侧出口，所述第二压缩机(17)的出口连通于所述高温回热器(122)的高压侧进口。
3.根据权利要求1所述的电力调峰***，其特征在于，所述电力调峰***还包括CO2收集装置(18)，所述CO2收集装置(18)连接于所述预冷器(15)的出口和所述第一压缩机(11)的进口之间的管路。
4.根据权利要求3所述的电力调峰***，其特征在于，所述超临界CO2循环子***(1)还包括气液分离器(16)，所述气液分离器(16)连接于所述预冷器(15)的出口和所述第一压缩机(11)的进口之间。
5.根据权利要求1所述的电力调峰***，其特征在于，所述输水装置包括第一预热器(21)，所述第一预热器(21)的A1口连通有水输送管路，A2口连通于蓄热装置(14)，A3口连通于电解制氢装置(26)的氢气出口，A4口为氢气排出口，所述A1口连通于所述A2口，所述A3口连通于所述A4口，水能够与氢气于所述第一预热器(21)内交换热量。
6.根据权利要求5所述的电力调峰***，其特征在于，所述输水装置还包括氢水换热器(22)，所述氢水换热器(22)的B1口连通于所述第一预热器(21)的A4口，B2口连通有氢气输送管路，B3口连通于所述第一预热器(21)的A1口，B4口连通于第一补水管路，所述B1口连通于所述B2口，所述B3口连通于所述B4口，水能够与氢气于所述氢水换热器(22)内交换热量。
7.根据权利要求6所述的电力调峰***，其特征在于，所述电力调峰***还包括氢水分离器(4)，所述氢水分离器(4)的进气口连通所述氢气输送管路，所述氢水分离器(4)的出水口连通于输水泵(25)的进口，所述输水泵(25)的出口连通于所述水输送管路。
8.根据权利要求6所述的电力调峰***，其特征在于，所述输水装置还包括循环风机(24)，所述循环风机(24)的进口连通于所述第一预热器(21)的A4口，所述循环风机(24)的出口连通于所述第一预热器(21)的A2口和所述蓄热装置(14)之间的管路。
9.根据权利要求5所述的电力调峰***，其特征在于，所述输水装置还包括氧水换热器(23)，所述氧水换热器(23)的C1口连通有第二补水管路，C2口连通于所述第一预热器(21)的A1口，C3口连通于电解制氢装置(26)的氧气出口，C4口连通于储氧装置(7)，所述C1口连通于所述C2口，所述C3口连通于所述C4口，水能够与氧气于所述氧水换热器(23)内交换热量。
10.根据权利要求1所述的电力调峰***，其特征在于，所述可再生能源发电站(20)为风力发电站或太阳能发电站。
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