CN112981439A - 一种igcc电站耦合水电解设备***及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种IGCC电站耦合水电解设备***及运行方法，包括IGCC电站常规设备、水电解设备及其供电线路、氧气供应管道、氢气供应管道、氢气储罐及氧气储罐，所述水电解设备的供电线路连接IGCC电站电能输出端及电网，所述水电解设备利用IGCC电站所发出的电力或电网输送的电力电解水制取氢气及氧气；所述水电解设备的氧气供应管道连接煤气化炉的供氧管道，利用水电解设备产生的氧气部分替代空分装置制取的氧气；利用水电解设备可随时快速改变供电功率和负荷的特性，满足电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求；水电解设备产生的氧气用于煤气化炉，减少气化炉用氧的成本，也降低空分***的运行成本。

Description

一种IGCC电站耦合水电解设备***及其运行方法
技术领域
本发明属于IGCC发电领域，具体涉及一种IGCC电站耦合水电解设备***及其运行方法。
背景技术
全球气候问题越来越引起人们的高度关注，以低能耗、低排放、低污染为特征的“低碳经济”成为全球政治经济博弈的热点。我国电力供应主要以煤电为主，为降低煤烟型污染，大力发展燃煤技术是提高煤炭使用效率、减少污染、经济可行的研究方向。IGCC发电技术既具有联合循环的高效率，又解决了燃煤发电带来的环境污染问题。
IGCC是把煤气化和燃气蒸汽联合循环***有机集成的一种洁净煤发电技术。在IGCC***中，煤碳经过气化变成中低热值煤气，经净化处理后，通过除掉煤气所含有的硫化物、氮化物、粉尘等杂质，变成干净的气体燃料，送入燃气轮机中，在燃烧室里进行燃烧，煤气燃烧后驱动燃气透平做功发电，利用高温排气在余热锅炉中产生的蒸汽驱动汽轮机做功发电。
IGCC发电机组在变负荷运行工况下，***将会受到气化装置、空分装置等设备安全稳定运行能力的限制，特别是现有的空分装置的变负荷能力非常有限，造成IGCC发电机组无法响应电网的调峰调频辅助服务的要求，调峰的深度和响应速率满足不了电网要求，调频的响应速率和调频深度都十分有限，因此，急需找到一个能够增加IGCC发电厂及机组变负荷适应性的技术。
现有技术文献
专利文献1：CN106285944B一种利用空分***储能的IGCC电站调峰装置及方法
该方法虽然利用空分***储能部分实现了IGCC电站调峰能力的增强，但由于空分***构成复杂，而且储能是以液氧形式实现，无法利用空分***和液氧储能实现分钟级别甚至秒级别的功率变化和负荷响应，因此，无法实现IGCC电站响应电网调频的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种IGCC电站耦合水电解设备***及其运行方法，利用水电解设备可随时快速改变供电功率和负荷的特性，实现IGCC电站响应电网调频的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种IGCC电站耦合水电解设备***，包括IGCC电站常规设备：煤炭预处理装置、煤气化炉、空分装置、燃气轮机、余热锅炉、燃机发电机、汽轮机发电机及送变电模块，还包括水电解设备及其供电线路、氧气供应管道、氢气供应管道、氢气储罐及氧气储罐，所述水电解设备的供电线路连接IGCC电站电能输出端及电网，所述水电解设备利用IGCC电站所发出的电力或电网输送的电力电解水制取氢气及氧气；所述水电解设备的氧气供应管道连接煤气化炉的供氧管道，利用水电解设备产生的氧气部分替代空分装置制取的氧气，或送入氧气储罐进行储存。
IGCC电站耦合水电解设备***还包括调峰调频控制模块，所述调峰调频控制模块连接IGCC电站电能输出的控制端，所述调峰调频控制模块控制发电机输送给水电解设备的电负荷功率的增加或减少，响应电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求。
所述水电解设备的供电线路通过送变电及供电模块连接IGCC电站电能输出端、电网、厂用电供电及升压变压器供电，即水电解设备的电力来源有发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合。
水电解设备的氢气供应管道连通氢气储罐或送入煤气化炉。
所述水电解设备的氢气输出口通过氢气供应管路连通燃气轮机的燃料入口，所述供应管路上设置流量调节阀。
所述水电解设备所需要的进水口连通IGCC电站的制水***的水输出端口。
所述水电解设备所需要的水是通过的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端，IGCC电站的制水***中设置储水罐，利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动的制水***制取。
所述水电解设备的电解槽采用碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。
所述高温固体氧化物电解槽包括相互连通的电解槽和电加热器，所述电加热器的高温蒸汽入口连通来自IGCC电站余热锅炉的蒸汽供应出口，电加热器的蒸汽出口连通电解槽的蒸汽入口，电加热器提升所述高温蒸汽的温度，所述电加热器的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端所述电加热器利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动。
本发明所述IGCC电站耦合水电解设备***的运行方法，具体如下：
根据IGCC电站的规模及气化炉要求的氧气量，选择水电解设备类型及功率，选择水电解设备水供应来源；
根据所述水电解设备功率选择供电来源，其供电来源自发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合；
利用IGCC电站的制水***或利用调峰调频富余电力制水***提供水源，满足所述水电解设备所需要的水量；
当电网要求IGCC电站或电厂减少上网电量，即从P上需要降低P降时，通过所述调峰调频控制模块控制增加IGCC电站或电厂向水电解设备的供电电量P增；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发-P降＝P发-P增
P降＝P增
当电网要求IGCC电站或电厂增加上网电量，即从P上需要增加发电量P升时，通过所述调峰调频控制模块控制IGCC电站或电厂减少向水电解设备的供电电量P减；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发+P升＝P发+P减
P升＝P减
水电解设备产生的氧气送入储罐储存或直接送入气化炉，部分替代IGCC空分装置制取的氧气；
水电解设备产生的氢气送入储罐储存或直接送入气化炉，增加合成气产量；或直接与气化炉产生的合成气进行混合。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)利用水电解设备可随时快速改变供电功率和负荷的特性，满足电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求；
2)水电解设备产生的氧气可用于煤气化炉，减少气化炉用氧的成本，也降低空分***的运行成本；
3)水电解设备产生的氢气能用于添加到煤气化工艺中，提高煤热解气化的产气率，提升合成气的品质；
4)在不影响燃气轮机的燃烧及运行的前提下，水电解设备产生的氢气在一定的掺混比例下可直接与合成气混合，减少生产合成气的成本及IGCC电站的燃料成本；
5)通过水电解设备响应电网调峰调频负荷，收取电网调峰调频辅助服务的补贴或服务费，增加IGCC电站的经营效益。
进一步的，所述调峰调频控制模块连接IGCC电站电能输出的控制端，所述调峰调频控制模块控制发电机输送给水电解设备的电负荷功率的增加或减少，响应电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求，能及时根据调峰调频需求改变输出，消纳富余电能。
进一步的，所述水电解设备供电线路通过送变电及供电模块连接IGCC电站电能输出端、电网、厂用电供电及升压变压器供电，即水电解设备的电力来源有发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合，即保证水电解设备电源稳定，同时消纳富余电能。
进一步的，水电解设备产生的氢气通过氢气供应管路送入IGCC电站的煤气化炉，利用加氢反应，增加气化炉的产气率和增加合成气的产量及品质。
进一步的，所述水电解设备的氢气输出口通过氢气供应管路连通燃气轮机发电机的燃料入口，水电解设备产生的氢气直接混合气化炉产生的合成气，然后一起送入燃气轮机发电，设置流量调节阀能实时控制掺混比例不影响燃气轮机的正常燃烧发电。
进一步的，所述制水***的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端，制水***利用调峰调频富余电力驱动来制水，制水***中设置储水罐进一步充分利用调峰调频的富余电力，将制取的水进行存储，在向电网供电时还有足够的水供向电解设备。
进一步的，水电解设备采用高温固体氧化物电解槽，所述高温固体氧化物电解槽的高温蒸汽来自IGCC电站余热锅炉，再利用电加热器提升温度，所述电加热器利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动，有利于实现整个***电能和热能的充分利用，提高整体利用率。
进一步的，水电解设备包括相互连通的高温固体氧化物电解槽和电加热器，所述电加热器的高温蒸汽入口连通来自IGCC电站余热锅炉的蒸汽供应出口，电加热器提升所述高温蒸汽的温度，所述电加热器的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端，所述电加热器能利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种可选实施方案示意图；
图2为本发明所提供的另一种实施例方案示意图；
图1-2中：1为煤炭预处理装置、2为煤气化炉、3为废热锅炉、4为除尘脱硫净化设备、5为燃气轮机、6为余热锅炉、7为空分装置、8为电解设备，9为燃机发电机，10为汽轮机发电机，11为送变电模块，12为发电机出口母线，13为电网母线，111为送变电及供电模块，112为厂用变压器，113为主升压变压器，114为启备变压器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种IGCC电站耦合水电解设备***以及运行方法，。
请参考图1至图2，图1为本发明所提供的具体实施例一的示意图；
实施例1：一种IGCC电站耦合水电解设备***，包括IGCC电站常规设备：煤炭预处理装置1、煤气化炉2、空分装置7、燃气轮机5、余热锅炉6、燃机发电机9、汽轮机发电机10及送变电模块11，
还包括水电解设备8及其供电线路、氧气供应管道、氢气供应管道、氢气储罐及氧气储罐，所述水电解设备的供电线路连接IGCC电站电能输出端及电网，所述水电解设备利用IGCC电站所发出的电力或电网输送的电力电解水制取氢气及氧气；所述水电解设备的氧气供应管道连接煤气化炉的供氧管道，利用水电解设备产生的氧气部分替代空分装置制取的氧气，或送入氧气储罐进行储存；所述水电解设备8产生的氢气通过氢气供应管路送入IGCC电站的煤气化炉2。
实施例2：
本发明所述***中还设置调峰调频控制模块，所述调峰调频控制模块连接IGCC电站电能输出的控制端，所述调峰调频控制模块控制发电机输送给水电解设备的电负荷功率的增加或减少，响应电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求。
实施例3：
所述水电解设备8的供电线路通过送变电及供电模块111连接IGCC电站电能输出端、电网、厂用电供电及升压变压器供电，即水电解设备8的电力来源有发电机出口母线12供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合；有利于提高水电解设备工作电源的持续可靠性，而且还能消纳富裕电能。
实施例4：
水电解设备8的氢气供应管道连通氢气储罐，能将富余的氢气进行存储外送，或用在厂区其他地方，如氢冷设备的氢气***中，进一步提高能源的综合利用效率。
所述水电解设备的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端，IGCC电站的制水***中设置储水罐。
实施例5：
所述水电解设备8的氢气输出口通过氢气供应管路连通燃气轮机5的燃料入口，所述供应管路上设置流量调节阀。
实施例6：
所述水电解设备8所需要的进水口连通IGCC电站的制水***的水输出端口，电解水设备的水源稳定，同时也提高厂区设备的利用率。
实施例7：
水电解设备包括相互连通的电解槽和电加热器，所述电加热器的高温蒸汽入口连通来自IGCC电站余热锅炉的蒸汽供应出口，电加热器的蒸汽出口连通电解槽的蒸汽入口，电加热器提升所述高温蒸汽的温度，所述电加热器的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端所述电加热器利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动。
作为可选实施例，所述水电解设备8的电解槽采用碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。
实施例8阐述了所述IGCC电站耦合水电解设备***的运行方法，具体如下：
根据IGCC电站的规模及气化炉要求的氧气量，选择水电解设备类型及功率，选择水电解设备水供应来源；
根据所述水电解设备功率选择供电来源，其供电来源自发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合；
利用IGCC电站的制水***或利用调峰调频富余电力生产纯水提供水源，满足所述水电解设备所需要的水量；
当电网要求IGCC电站或电厂减少上网电量，即从P上需要降低P降时，通过所述调峰调频控制模块控制增加IGCC电站或电厂向水电解设备的供电电量P增；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发-P降＝P发-P增
P降＝P增
当电网要求IGCC电站或电厂增加上网电量，即从P上需要增加发电量P升时，通过所述调峰调频控制模块控制IGCC电站或电厂减少向水电解设备的供电电量P减；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发+P升＝P发+P减
P升＝P减
水电解设备产生的氧气送入储罐储存或直接送入气化炉，部分替代IGCC空分装置制取的氧气；
水电解设备产生的氢气送入储罐储存或直接送入气化炉，增加合成气产量；或直接与气化炉产生的合成气进行混合。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的带光纤监控的管道液体输运***和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种IGCC电站耦合水电解设备***，包括IGCC电站常规设备：煤炭预处理装置(1)、煤气化炉(2)、空分装置(7)、燃气轮机(5)、余热锅炉(6)、燃机发电机(9)、汽轮机发电机(10)及送变电模块(11)，其特征在于，还包括水电解设备(8)及其供电线路、氧气供应管道、氢气供应管道、氢气储罐及氧气储罐，所述水电解设备的供电线路连接IGCC电站电能输出端及电网，所述水电解设备利用IGCC电站所发出的电力或电网输送的电力电解水制取氢气及氧气；所述水电解设备的氧气供应管道连接煤气化炉的供氧管道，利用水电解设备产生的氧气部分替代空分装置制取的氧气，或送入氧气储罐进行储存。
2.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，还包括调峰调频控制模块，所述调峰调频控制模块连接IGCC电站电能输出的控制端，所述调峰调频控制模块控制发电机输送给水电解设备的电负荷功率的增加或减少，响应电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求。
3.根据权利要求1或2所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述水电解设备(8)的供电线路通过送变电及供电模块(111)连接IGCC电站电能输出端、电网、厂用电供电及升压变压器供电，即水电解设备(8)的电力来源有发电机出口母线(12)供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合。
4.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，水电解设备的氢气供应管道连通氢气储罐或送入煤气化炉。
5.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述水电解设备(8)的氢气输出口通过氢气供应管路连通燃气轮机(5)的燃料入口，所述供应管路上设置流量调节阀。
6.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述水电解设备(8)所需要的进水口连通IGCC电站的制水***的水输出端口。
7.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述水电解设备所需要的水是通过的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端，IGCC电站的制水***中设置储水罐，利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动的制水***制取。
8.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述水电解设备(8)的电解槽采用碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。
9.根据权利要求8所述的IGCC电站耦合水电解设备***，其特征在于，所述高温固体氧化物电解槽包括相互连通的电解槽和电加热器，所述电加热器的高温蒸汽入口连通来自IGCC电站余热锅炉的蒸汽供应出口，电加热器的蒸汽出口连通电解槽的蒸汽入口，电加热器提升所述高温蒸汽的温度，所述电加热器的电能输入端连接IGCC电站的电能输出端所述电加热器利用IGCC电站的调峰调频富余电力驱动。
10.一种根据权利要求1至9中任意一项所述IGCC电站耦合水电解设备***的运行方法，其特征在于，具体如下：
根据IGCC电站的规模及气化炉要求的氧气量，选择水电解设备类型及功率，选择水电解设备水供应来源；
根据所述水电解设备功率选择供电来源，其供电来源自发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合；
利用IGCC电站的制水***或利用调峰调频富余电力制水***提供水源，满足所述水电解设备所需要的水量；
当电网要求IGCC电站或电厂减少上网电量，即从P上需要降低P降时，通过所述调峰调频控制模块控制增加IGCC电站或电厂向水电解设备的供电电量P增；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发-P降＝P发-P增
P降＝P增
当电网要求IGCC电站或电厂增加上网电量，即从P上需要增加发电量P升时，通过所述调峰调频控制模块控制IGCC电站或电厂减少向水电解设备的供电电量P减；使得发电机发电负荷稳定在P发；最终满足水电解设备、IGCC电站制水***以及生产纯水用电量数值满足下面的等式：
P上＝P发+P升＝P发+P减
P升＝P减
水电解设备产生的氧气送入储罐储存或直接送入气化炉，部分替代IGCC空分装置制取的氧气；
水电解设备产生的氢气送入储罐储存或直接送入气化炉，增加合成气产量；或直接与气化炉产生的合成气进行混合。
CN202110170147.5A 2021-02-05 2021-02-05 一种igcc电站耦合水电解设备***及其运行方法 Pending CN112981439A (zh)

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