CN117869186B - 一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，属于海上资源利用技术领域，一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***包括海上平台，海上平台包括上部结构、导管架和支撑桩体，支撑桩体固定在海底，导管架设于支撑桩体上，上部结构设于导管架上，海上平台外侧设有升压装置和海上风力机，海上风力机上设有风力机机舱冷却***，支撑桩体上设有波浪能发电装置，海底设有液态二氧化碳储罐，上部结构上设有换热器、气态二氧化碳储罐、压缩和膨胀***、冷导热油罐、热导冷油罐、太阳能集热器、海水淡化装置、电解槽、合成二甲醚***和换热器，具有能源高效循环利用、节约成本和***能量以及结构稳定可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及海上资源利用技术领域，具体是涉及一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***。
背景技术
海上风电具有利用小时数高、不产生温室气体排放、适宜规模化开发等特点，近年来，成为沿海国家和地区风电发展的重要方向。开展海上风电技术研究是我国加快能源清洁低碳转型、构建新型电力***、实现“双碳”目标下可持续发展的重要战略布局的需要。海上风电正在向着海上风电装备大型化、海上风电开发深远海化、远海海上风电漂浮化、海洋资源利用综合化趋势发展。
海上风电和陆上风电相似，具有波动性、随机性特征，产生弃风限电的问题。为了降低海上风电的弃风率，考虑将海上风电与其他可再生能源如波浪能、太阳能等耦合，结合储能、制氢技术，建立海上综合能源***，提高能源利用效率。但是生产的氢气存在运输难度大、成本高的问题，因此考虑将绿氢进一步转化为便于储运的甲醇、氨、油品等零碳液态合成燃料，实现大规模储存、运输和利用。
目前缺少将海上可再生能源制氢与合成二甲醚相结合的有效方案，未能解决海上氢气运输难度大、成本高的问题。
因此，需要提供一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，旨在解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，包括海上平台，所述海上平台设为固定式平台，包括上部结构、导管架和支撑桩体，所述支撑桩体设为钢桩并固定在海底，所述导管架设置于支撑桩体上，所述上部结构设置于导管架上，所述海上平台外侧设有升压装置和海上风力机，所述海上风力机上设有风力机机舱冷却***，所述支撑桩体上设有波浪能发电装置，所述支撑桩体之间的海底设有液态二氧化碳储罐，所述上部结构上分别设有气态二氧化碳储罐、压缩和膨胀***、冷导热油罐、热导热油罐、太阳能集热器、海水淡化装置、电解槽、合成二甲醚***和换热器，所述海上风力机和波浪能发电装置通过海底电缆与储能装置相连接，所述气态二氧化碳储罐、压缩和膨胀***、冷导热油罐、热导热油罐和液态二氧化碳储罐通过管道相连通并组成循环回路，所述海水淡化装置、电解槽、合成二甲醚***、换热器、降压阀和液态二氧化碳储罐经过管道相连接。
作为本发明进一步的方案，所述压缩和膨胀***包括三台电动机、三台压缩机、六台换热器、三台第一发电机和三台膨胀机，所述电动机与压缩机一一对应连接，所述压缩机用于压缩气态二氧化碳并与换热器交错连接，所述第一发电机与膨胀机一一对应连接，所述膨胀机用于释放液态二氧化碳并与换热器交错连接。
作为本发明进一步的方案，所述风力机机舱冷却***包括风机、齿轮箱、变流器、第二发电机和变压器，所述风机设置于风力机机舱的右端，机舱内部从左到右依次设置有齿轮箱、发电机、变流器和变压器。
作为本发明进一步的方案，所述风力机机舱冷却***的冷却介质设为二氧化碳。
作为本发明进一步的方案，所述压缩机的压缩比和膨胀机的膨胀比设为3-5。
作为本发明进一步的方案，所述合成二甲醚***中采用的催化剂为Cu-ZnO-Pt/HZSM-5催化剂。
作为本发明进一步的方案，所述气态二氧化碳储罐的储存温度为20-25℃，其储存压力设为0.1Mpa。
作为本发明进一步的方案，所述液态二氧化碳储罐的储存温度为5-15℃，其储存压力为5-7Mpa，其储存深度为500-700m。
综上所述，本发明实施例与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明利用水下压缩二氧化碳储能***存储过剩电量，负荷需求低时利用水下压缩二氧化碳储能***存储过剩电量，达到额定负荷时，过剩电量用于海水淡化、电解水制氢，二氧化碳催化加氢制二甲醚，实现能量的梯级利用，负荷需求高时水下压缩二氧化碳储能***膨胀发电，可以降低海上风电的弃风率，提高海上可再生能源的利用效率；
2.本发明提出的以二氧化碳为循环冷却介质，契合海上风力机高湿、高盐雾的运行环境，与空气冷却相比二氧化碳冷却介质中不含有盐分和水分，在循环冷却时不会产生腐蚀的问题，冷却***回收了机舱内部发电机、变流器、变压器等装置工作时产生的热量，为后续工艺流程提供能量，实现能源的循环利用，减少能源浪费；
3.本发明提出的在海上平台支撑钢桩四周布置波浪能发电装置，可以减轻海上平台的振动，提高海上平台安全性，提高海上平台设备稳定性；
4.本发明提出的压缩二氧化碳储能***与合成二甲醚***利用海上富碳气田中的二氧化碳，起到固碳作用，水下压缩二氧化碳储能***将存储高压液态的二氧化碳储液罐固定在水下，节约海上平台占地面积，储液罐可以有效利用海水静压，节约成本；
5.本发明提出的压缩二氧化碳***为合成二甲醚***提供高温高压的二氧化碳，省去利用常温常压二氧化碳直接合成二甲醚前期升压和加热过程，节约***能量；
6.本发明提出的海上制氢与合成二甲醚***耦合，产生的二甲醚被认为是目前运输燃料的绝佳替代品，而且用途广泛，解决了海上制氢运输难度大、成本高的问题，电解产生的氧气用于海上牧场，实现能源的有效利用。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为发明实施例的结构示意图。
图2为发明实施例中压缩和膨胀***的结构示意图。
图3为发明实施例中风力机机舱冷却***的结构示意图。
附图标记：1-升压装置、2-海上风力机、3-波浪能发电装置、4-气态二氧化碳储罐、5-压缩和膨胀***、51-电动机、52-压缩机、53-第一发电机、54-膨胀机、6-冷导热油罐、7-热导热油罐、8-太阳能集热器、9-海水淡化装置、10-电解槽、11-合成二甲醚***、12-换热器、13-降压阀、14-液态二氧化碳储罐、15-风力机机舱冷却***、151-齿轮箱、152-第二发电机、153-变流器、154-变压器、155-风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
在本发明的一个实施例中，参见图1，所述一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，包括海上平台，所述海上平台设为固定式平台，包括上部结构、导管架和支撑桩体，所述支撑桩体设为钢桩并固定在海底，所述导管架设置于支撑桩体上，所述上部结构设置于导管架上，所述海上平台外侧设有升压装置1和海上风力机2，所述海上风力机2上设有风力机机舱冷却***15，所述支撑桩体上设有波浪能发电装置3，所述支撑桩体之间的海底设有液态二氧化碳储罐14，所述上部结构上分别设有气态二氧化碳储罐4、压缩和膨胀***5、冷导热油罐6、热导热油罐7、太阳能集热器8、海水淡化装置9、电解槽10、合成二甲醚***11和换热器12，所述海上风力机2和波浪能发电装置3通过海底电缆与储能装置相连接，所述气态二氧化碳储罐4、压缩和膨胀***5、冷导热油罐6、热导热油罐7和液态二氧化碳储罐14通过管道相连通并组成循环回路，所述海水淡化装置9、电解槽10、合成二甲醚***11、换热器12、降压阀13和液态二氧化碳储罐14经过管道相连接。
在本实施例中，所述压缩和膨胀***5包括三台电动机51、三台压缩机52、六台换热器12、三台第一发电机53和三台膨胀机54，所述电动机51与压缩机52一一对应连接，所述压缩机52用于压缩气态二氧化碳并与换热器12交错连接，所述第一发电机53与膨胀机54一一对应连接，所述膨胀机54用于释放液态二氧化碳并与换热器12交错连接；
所述风力机机舱冷却***15包括齿轮箱151、第二发电机152、变流器153、变压器154和风机155，所述风机155设置于风力机机舱的右端，机舱内部从左至右依次设置有齿轮箱151、发电机152、变流器153和变压器154。
具体的：海上风力机2与波浪能发电装置3产生的电能经过海底电缆输送，用于***内部用电设备提供电能，海水淡化***从海水中制得淡水，将其送入电解槽10中，气态二氧化碳储罐4、压缩和膨胀***5、冷导热油罐6、热导热油罐7和液态二氧化碳储罐14经过管道连通，组成循环回路；海水淡化装置9、电解槽10、合成二甲醚***11、换热器12、降压阀13和液态二氧化碳储罐14经过管道连通，太阳能集热器8与热导热油罐7经过管道连通，提供热量；其中，波浪能发电装置3采用点吸收液压发电，浮子阵列排布在海上平台支撑钢桩四周，通过液压缸将浮子吸收的机械能转换为液压能进一步发电；
风力机机舱冷却***中风机155将常温二氧化碳输送至机舱中，冷却机舱内部齿轮箱151、第二发电机152、变流器153和变压器154，产生的高温二氧化碳经过管道从机舱排出，在换热器12中与冷导热油罐6送入的冷导热油进行热交换，换热后的常温二氧化碳进入气态二氧化碳储罐4存储，热导热油进入热导热油罐7中存储；
压缩二氧化碳储能***的二氧化碳由海上富碳气田提供，同时，海上富碳气田还为合成二甲醚11***提供二氧化碳，输送至气态二氧化碳储罐4，储存温度为20-25℃，储存压力约为0.1Mpa，***的电量由海上风力机2和波浪能发电装置3提供，***换热工质为导热油，密度为750kg/m3，压缩后的二氧化碳输送至海底液态二氧化碳储罐14，储存温度为5-15℃，储存压力为5-7Mpa，储存深度为500-700m；
压缩过程如图2采用三级压缩，每台压缩机52的压缩比设为3-5，第一级压缩机52进口二氧化碳温度为20-25℃，压力为0.1Mpa，每台换热器12的压力损失约为0.02Mpa，第三台换热器12将第三级压缩机52出口的高温高压气态二氧化碳冷却至液态，进入海底液态二氧化碳储罐14存储；
膨胀过程如图2采用三级膨胀，每台膨胀机54的膨胀比为3-5，海底液态二氧化碳储罐14存储的高压液态二氧化碳被释放，进入膨胀***第一台换热器12，升温至气态进入第一级膨胀机54，膨胀过程结束后，二氧化碳进入气态二氧化碳储罐4存储，其中，压缩过程产生的高温二氧化碳温度范围为70℃-90℃，每一级压缩机52出口的高温二氧化碳与冷导热油在换热器12中进行换热，换热后的二氧化碳为20-30℃左右，换热后的高温导热油进入热导热油罐7中存储；膨胀过程的低温二氧化碳与热导热油在换热器12中进行换热，换热后的冷导热油进入冷导热油罐6中存储，换热后高温二氧化碳进入膨胀机54中做功发电；
合成二甲醚***采用Cu-ZnO-Pt/HZSM-5催化剂，实现二氧化碳催化加氢直接合成二甲醚，反应最佳温度为280℃，最佳压力为3.25MPa，海底液态二氧化碳储罐14存储的高压液态二氧化碳被释放，经过降压阀13降压至反应压力，经过换热器12升温至反应温度后进入合成二甲醚***11；海水淡化装置9产生的淡水输送至电解槽10，电解产生的氢气进入合成二甲醚***11与二氧化碳反应产生二甲醚。
工作方式如下：
当负荷需求低于海上风电和波浪能发电输出功率时，多余的电量输送至压缩二氧化碳储能***5，当达到储能额定容量时，储能过程结束，海水淡化装置9和电解槽10启动，海底液态二氧化碳储罐14存储的高压液态二氧化碳被释放，降压升温后进入合成二甲醚***，海水淡化得到的淡水经过管道输送至电解槽10，电解槽10电解获得氢气与氧气，氧气收集后被用于海上牧场，氢气经过管道输送至合成二甲醚***11，当海底液态二氧化碳储罐14容量达到额定容量1/2时，***停止工作；
当负荷需求高于海上风电和波浪能发电输出功率时，海水淡化装置9、电解槽10和合成二甲醚***11停止工作，膨胀***启动，海底液态二氧化碳储罐14存储的高压液态二氧化碳被释放，进入膨胀***，产生电量弥补负荷缺失；
综上所述，本发明利用水下压缩二氧化碳储能***存储过剩电量，负荷需求低时利用水下压缩二氧化碳储能***存储过剩电量，达到额定负荷时，过剩电量用于海水淡化、电解水制氢，二氧化碳催化加氢制二甲醚，实现能量的梯级利用，负荷需求高时水下压缩二氧化碳储能***膨胀发电，可以降低海上风电的弃风率，提高海上可再生能源的利用效率；
本发明提出的以二氧化碳为循环冷却介质，契合海上风力机高湿、高盐雾的运行环境，与空气冷却相比，二氧化碳冷却介质中不含有盐分和水分，在循环冷却时不会产生腐蚀的问题，风机机舱冷却***15回收了机舱内部齿轮箱151、第二发电机152、变流器153和变压器154等装置工作时产生的热量，为后续工艺流程提供能量，实现能源的循环利用，减少能源浪费；
本发明提出的在海上平台支撑钢桩四周布置波浪能发电装置3，可以减轻海上平台的振动，提高海上平台安全性，提高海上平台设备稳定性；
本发明提出的压缩二氧化碳储能***与合成二甲醚***利用海上富碳气田中的二氧化碳，起到固碳作用，水下压缩二氧化碳储能***将存储高压的液态二氧化碳储罐14固定在水下，节约海上平台占地面积，液态二氧化碳储罐14可以有效利用海水静压，节约成本；
本发明提出的压缩二氧化碳***为合成二甲醚***11提供高温高压的二氧化碳，省去利用常温常压二氧化碳直接合成二甲醚前期升压和加热过程，节约***能量；
本发明提出的海上制氢与合成二甲醚***11耦合，产生的二甲醚被认为是目前运输燃料的绝佳替代品，而且用途广泛，解决了海上制氢运输难度大、成本高的问题，电解产生的氧气用于海上牧场，实现能源的有效利用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，包括海上平台，所述海上平台设为固定式平台，包括上部结构、导管架和支撑桩体，所述支撑桩体设为钢桩并固定在海底，所述导管架设置于支撑桩体上，所述上部结构设置于导管架上，所述海上平台外侧设有升压装置和海上风力机，所述海上风力机上设有风力机机舱冷却***，所述支撑桩体上设有波浪能发电装置，所述支撑桩体之间的海底设有液态二氧化碳储罐，所述上部结构上分别设有气态二氧化碳储罐、压缩和膨胀***、冷导热油罐、热导热油罐、太阳能集热器、海水淡化装置、电解槽、合成二甲醚***和换热器，所述海上风力机和波浪能发电装置通过海底电缆与储能装置相连接，所述气态二氧化碳储罐、压缩和膨胀***、冷导热油罐、热导热油罐和液态二氧化碳储罐通过管道相连通并组成循环回路，所述海水淡化装置、电解槽、合成二甲醚***、换热器、降压阀和液态二氧化碳储罐经过管道相连接；
所述压缩和膨胀***包括三台电动机、三台压缩机、六台换热器、三台第一发电机和三台膨胀机，所述电动机与压缩机一一对应连接，所述压缩机用于压缩气态二氧化碳并与换热器交错连接，所述第一发电机与膨胀机一一对应连接，所述膨胀机用于释放液态二氧化碳并与换热器交错连接；
所述风力机机舱冷却***包括风机、齿轮箱、变流器、第二发电机和变压器，所述风机设置于风力机机舱的右端，机舱内部从左到右依次设置有齿轮箱、第二发电机、变流器和变压器。
2.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，所述风力机机舱冷却***的冷却介质设为二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，所述压缩机的压缩比和膨胀机的膨胀比设为3-5。
4.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，所述合成二甲醚***中采用的催化剂为Cu-ZnO-Pt/HZSM-5催化剂。
5.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，所述气态二氧化碳储罐的储存温度为20-25℃，其储存压力设为0.1Mpa。
6.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能与合成二甲醚的海上综合能源***，其特征在于，所述液态二氧化碳储罐的储存温度为5-15℃，其储存压力为5-7Mpa，其储存深度为500-700m。
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2024
- 2024-01-10 CN CN202410034744.9A patent/CN117869186B/zh active Active
Patent Citations (6)
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