一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统的制作方法

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统。


背景技术：

2.在碳达峰、碳中和目标背景下，以新能源为主体的我国新型电力系统正在加速构建。然而在新能源发电装机容量迅速增加的背后，消纳问题逐步凸显。由于新能源发电随机性、波动性、间歇性较大，且风光资源丰富地区远离负荷中心，对电网柔性可控能力和外送互济能力提出更高要求，新能源发电并网及就地消纳成为制约其发展的重要因素。
3.提高新能源就地消纳能力是缓解新能源并网输送难题有利措施。利用新能源电力通过电解水制氢，可实现对波动性较大的新能源的就地消纳与储存，还能避免传统化石能源制氢的碳排放问题。然而绿氢长距离输送成本及安全性成为制约绿氢发展的重要因素。氨比氢更容易液化，其储存和运输技术成熟，应用广泛。因此，制取绿氢后，还可再利用部分新能源电力分离空气制取氮气，将氮气与绿氢进行化学合成得到绿氨，最终以绿氨为能源载体进行储运，以及在需要的时候进行发电。
4.氨作为一种富氢化合物，易于液化，便于储存，作为燃料时，还可以在氧气中燃烧或者与含氧化合物反应，生成氮气和水，同时放出热量，反应过程无二氧化碳排放。
5.氨燃料化学链燃烧技术，实现了燃料和空气的非混合燃烧，以氧载体代替空气，在燃料反应器中，燃料与氧载体反应，完成燃料的氧化，被还原的氧载体返回到空气反应器，与空气进行氧化反应，实现氧载体的再生。化学链燃烧技术避免了燃料与空气的直接接触，可以显著减少传统燃烧方式下氮氧化物的生成，降低了氮氧化物的处理成本。
6.超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术具有高效、灵活、紧凑等特点，在火力发电、核电、太阳能发电、余热发电、分布式能源和舰船动力等领域具有广阔的应用前景，受到了国内外电力企业和科研院所的重点关注。
7.在现有绿氨能源利用技术中，大都采用传统燃煤机组进行掺氨燃烧，占地面积大，二氧化碳和氮氧化物的排放较大，如果发明一种基于绿氨储能和超临界二氧化碳热电联供耦合的技术可以将新型电力系统模块化、小型化，更加适合海岛、园区、微电网、分布式能源站及其他类似的与大电网无法联通的孤岛式源网荷储一体化电力系统；但现有技术中并没有出现将新能源绿电制氨和氨化学链燃烧超临界二氧化碳热电联供耦合的新型电力系统。


技术实现要素：

8.为了现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统，可以有效解决背景技术中的问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案具体如下：
10.本发明实施例公开了一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电
联供系统，包括用户，所述系统还包括：
11.新能源发电装置，用于以新能源为电解制氢槽、空气分离装置及氨合成塔供电；
12.电解制氢槽，用于使水发生分解，以在阴极表面产生氢气，阳极表面产生氧气；
13.空气分离装置，用于空气中的各组份气体进行分离；
14.氨合成塔，用于使氮气和氢气发生催化反应以进行氨合成；
15.储氨罐，用于储存氨合成塔合成的氨气；
16.氧气罐，用于储存空气分离装置分离出的氧气；
17.超临界二氧化碳发电组件，用于通过氨燃料化学链燃烧的超临界二氧化碳发电。
18.在上述任一方案中优选的是，所述超临界二氧化碳发电组件包括固定床氨反应器组件和超临界二氧化碳发电设备，所述超临界二氧化碳发电设备与所述固定床氨反应器组件循环连接。
19.在上述任一方案中优选的是，所述新能源发电装置输出端与所述电解制氢槽、空气分离装置和所述氨合成塔的电源输入口连接，所述电解制氢槽氢气输出端与所述氨合成塔氢气输入端连接，所述电解制氢槽氧气输出端与所述氧气罐输入端连接，所述空气分离装置氮气输出端与所述氨合成塔氮气输入端连接，所述空气分离装置氧气输出端与所述氧气罐输入端连接，所述氨合成塔氨气输出端与所述储氨罐输入端连接，所述固定床氨反应器组件氨气输入端与所述储氨罐的输出端连接，所述固定床氨反应器组件氧气输入端与所述氧气罐输出端连接。
20.在上述任一方案中优选的是，所述新能源发电装置为风力发电装置或光伏发电装置。
21.在上述任一方案中优选的是，所述固定床氨反应器组件包括第一固定床氨反应器和第二固定床氨反应器，所述第一固定床氨反应器和所述第二固定床氨反应器连接。
22.在上述任一方案中优选的是，所述超临界二氧化碳发电设备包括透平、回热器、预冷器和压缩机，所述透平输入端与所述第二固定床氨反应器输出端连接，所述回热器输入端与所述透平输出端连接，所述回热器输出端与所述预冷器输入端连接，所述预冷器输出端与所述压缩机输入端连接，所述压缩机输出端与所述回热器输入端连接。
23.在上述任一方案中优选的是，所述超临界二氧化碳发电设备还包括电机/发电机，所述透平通过联轴器拖动压缩机和电机/发电机转动发电。
24.在上述任一方案中优选的是，所述回热器输出端与第二固定床氨反应器输入端连接。
25.在上述任一方案中优选的是，所述超临界二氧化碳发电设备还包括空气入口三通阀、燃料入口三通阀、空气出口三通阀、燃料出口三通阀、工质入口三通阀、工质出口三通阀，所述空气入口三通阀设置于所述第一固定床氨反应器空气输入端，所述燃料入口三通阀设置于所述第二固定床氨反应器氨气输入端，所述空气出口三通阀设置于所述第一固定床氨反应器空气输出端，所述燃料出口三通阀设置于所述第二固定床氨反应器氨气输出端，所述工质入口三通阀设置于所述透平与所述第二固定床氨反应器连接处，所述工质出口三通阀设置于所述回热器与与所述第二固定床氨反应器连接处。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果：
27.1、本发明利用新能源电力制取绿氢、绿氮，然后合成更便于输送和储存的绿氨，并
在需要时利用氨燃料化学链燃烧的超临界二氧化碳发电设备发电，由于超临界二氧化碳循环发电具有更快的启停和调峰速率，其调峰速率约为常规蒸气机组的2-4倍绿氨储能与超临界二氧化碳循环发电结合可以提高整个系统的调峰调频速率，可有效地支持波动的新能源电力的消纳，从而保证电力系统与热能供给的稳定性；
28.2、将新能源电能转化为液氨存贮代替电化学储能，可有效减少电化学储能站建设以及废旧电池处理过程中对环境的污染；
29.3、根据新能源发电量，机组负荷等因素，合理选择供氨量，通过控制氨反应器，可以对孤岛电力系统进行调峰调频，维持电网稳定运行；
30.4、通过调整超临界二氧化碳循环的结构，在实现高效率发电的同时，还可以实现90℃-120℃的废热排放温度，可利用这部分热量去供暖，实现热电联供，提高能量利用效率；
31.利用超临界二氧化碳发电设备进行热电联供，提高能量利用率，更适于孤岛等热量供给缺口较大的电力系统；
32.5、使用氨燃料反应器进行化学链燃烧、超临界二氧化碳作为工质替代超临界水蒸汽可以使整套发电系统小型化，与制氢设备、空气分离器形成一体化设计，有效利用副产物氧气，提高氨燃烧效率。
附图说明
33.附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
34.图1是本发明耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统的结构示意图；
35.图2是本发明耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统的超临界二氧化碳发电组件结构示意图。
36.图中标号说明：
37.1、新能源发电装置；2、电解制氢槽；3、空气分离装置；4、氨合成塔；5、储氨罐；6、氧气罐；7、固定床氨反应器组件；8、超临界二氧化碳发电设备；9、空气入口三通阀；10、燃料入口三通阀；11、第一固定床氨反应器；12、第二固定床氨反应器；13、空气出口三通阀；14、燃料出口三通阀；15、工质入口三通阀；16、工质出口三通阀；17、透平；18、回热器；19、预冷器；20、压缩机；21、电机/发电机。
具体实施方式
38.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。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
43.本发明提供了一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统，包括用户，所述系统还包括：
44.新能源发电装置1，用于以新能源为电解制氢槽2、空气分离装置3及氨合成塔4供电；
45.电解制氢槽2，用于使水发生分解，以在阴极表面产生氢气，阳极表面产生氧气；
46.空气分离装置3，用于空气中的各组份气体进行分离；
47.氨合成塔4，用于使氮气和氢气发生催化反应以进行氨合成；
48.储氨罐5，用于储存氨合成塔4合成的氨气；
49.氧气罐6，用于储存空气分离装置3分离出的氧气；
50.超临界二氧化碳发电组件，用于通过氨燃料化学链燃烧的超临界二氧化碳发电。
51.如图2所示，在本发明实施例所述的一种耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述超临界二氧化碳发电组件包括固定床氨反应器组件7和超临界二氧化碳发电设备8，所述超临界二氧化碳发电设备8与所述固定床氨反应器组件7循环连接。
52.如图1所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述新能源发电装置1输出端与所述电解制氢槽2、空气分离装置3和所述氨合成塔4的电源输入口连接，所述电解制氢槽2氢气输出端与所述氨合成塔4氢气输入端连接，所述电解制氢槽2氧气输出端与所述氧气罐6输入端连接，所述空气分离装置3氮气输出端与所述氨合成塔4氮气输入端连接，所述空气分离装置3氧气输出端与所述氧气罐6输入端连接，所述氨合成塔4氨气输出端与所述储氨罐5输入端连接，所述固定床氨反应器组件7氨气输入端与所述储氨罐5的输出端连接，所述固定床氨反应器组件7氧气输入端与所述氧气罐6输出端连接。
53.在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述新能源发电装置1为风力发电装置或光伏发电装置。
54.如图2所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述固定床氨反应器组件7包括第一固定床氨反应器11和第二固定床氨反应器12，所述第一固定床氨反应器3和所述第二固定床氨反应器12连接。
55.如图2所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述超临界二氧化碳发电设备8包括透平17、回热器18、预冷器19和
压缩机20，所述透平17输入端与所述第二固定床氨反应器12输出端连接，所述回热器18输入端与所述透平17输出端连接，所述回热器18输出端与所述预冷器19输入端连接，所述预冷器19输出端与所述压缩机20输入端连接，所述压缩机20输出端与所述回热器18输入端连接。
56.如图2所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述超临界二氧化碳发电设备8还包括电机/发电机21，所述透平17通过联轴器拖动压缩机20和电机/发电机21转动发电。
57.其中，所述电机/发电机21可以为电动机或发电机。
58.如图2所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述回热器18输出端与第二固定床氨反应器12输入端连接。
59.如图2所示，在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，所述超临界二氧化碳发电设备8还包括空气入口三通阀9、燃料入口三通阀10、空气出口三通阀11、燃料出口三通阀12、工质入口三通阀13、工质出口三通阀14，所述空气入口三通阀9设置于所述第一固定床氨反应器11空气输入端，所述燃料入口三通阀10设置于所述第二固定床氨反应器12氨气输入端，所述空气出口三通阀13设置于所述第一固定床氨反应器11空气输出端，所述燃料出口三通阀14设置于所述第二固定床氨反应器12氨气输出端，所述工质入口三通阀15设置于所述透平17与所述第二固定床氨反应器12连接处，所述工质出口三通阀16设置于所述回热器18与所述第二固定床氨反应器12连接处。
60.在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，在使用时，通过调节空气入口三通阀9和空气出口三通阀13，使富氧空气进入反应器11的管程，进而调节燃料入口三通阀10和燃料出口三通阀14，使燃料进入第二固定床氨反应器12的管程，同时调节工质入口三通阀15和工质出口三通阀16，使工质进入第一固定床氨反应器11的壳程。
61.在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，在第一固定床氨反应器11管程中，空气中的氧气与还原态氧载体反应，还原态氧载体被氧化成氧载体，释放出热量，温度升高从700℃升到900℃，热量被第一固定床氨反应器11的壳程的二氧化碳工质吸收，吸热后的二氧化碳进入透平17中做功，做功后的二氧化碳进入回热器18的热侧，与低温的二氧化碳工质换热后，进入预冷器19的热侧，与循环水换热，进一步降温，之后进入压缩机20加压，加压后的二氧化碳进入回热器18的冷侧，与高温的二氧化碳工质换热后，进入第一固定床氨反应器11的壳程吸热，完成循环。
62.在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，在第二固定床氨反应器12的管程中，氨燃料与氧载体反应，生成氮气和水蒸气，通过燃料出口三通阀14排出，管程中装载的氧载体被还原成还原态氧载体，温度从900℃逐渐下降到700℃。
63.在本发明实施例所述的耦合绿氨储能和超临界二氧化碳循环发电的新型热电联供系统中，在反应进行一段时间后，第一固定床氨反应器11管程中的还原态氧载体被全部氧化成氧载体，第二固定床氨反应器12的管程中的氧载体全部被还原为还原态氧载体，进而调节空气入口三通阀9和空气出口三通阀5使空气进入第二固定床氨反应器12的管程，调节燃料入口三通阀10和燃料出口三通阀14，使燃料进入第一固定床氨反应器11的管程，调
节工质入口三通阀15和工质出口三通阀16，使工质进入第二固定床氨反应器12的壳程，在第二固定床氨反应器12管程中，空气中的氧气与还原态氧载体反应，还原态氧载体被氧化成氧载体，温度从700℃逐渐升到900℃，释放出热量，热量被第二固定床氨反应器12的壳程的二氧化碳工质吸收，在第一固定床氨反应器11的管程中，氨燃料与氧载体反应，生成氮气和水蒸气，通过燃料出口三通阀14排出，管程中装载的氧载体被还原成还原态氧载体，温度从900℃降低到700℃；进而透平17通过联轴器拖动压缩机20和电机/发电机21转动发电。
64.与现有技术相比，本发明提供的有益效果是：
65.1、本发明利用新能源电力制取绿氢、绿氮，然后合成更便于输送和储存的绿氨，并在需要时利用氨燃料化学链燃烧的超临界二氧化碳发电设备发电，由于超临界二氧化碳循环发电具有更快的启停和调峰速率，其调峰速率约为常规蒸气机组的2-4倍绿氨储能与超临界二氧化碳循环发电结合可以提高整个系统的调峰调频速率，可有效地支持波动的新能源电力的消纳，从而保证电力系统与热能供给的稳定性；
66.2、将新能源电能转化为液氨存贮代替电化学储能，可有效减少电化学储能站建设以及废旧电池处理过程中对环境的污染；
67.3、根据新能源发电量，机组负荷等因素，合理选择供氨量，通过控制氨反应器，可以对孤岛电力系统进行调峰调频，维持电网稳定运行；
68.4、通过调整超临界二氧化碳循环的结构，在实现高效率发电的同时，还可以实现90℃-120℃的废热排放温度，可利用这部分热量去供暖，实现热电联供，提高能量利用效率；
69.利用超临界二氧化碳发电设备进行热电联供，提高能量利用率，更适于孤岛等热量供给缺口较大的电力系统；
70.5、使用氨燃料反应器进行化学链燃烧、超临界二氧化碳作为工质替代超临界水蒸汽可以使整套发电系统小型化，与制氢设备、空气分离器形成一体化设计，有效利用副产物氧气，提高氨燃烧效率。
71.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。