提高发电效率及气体分离的方法和气体分离系统的制作方法
【专利摘要】提高发电效率及气体分离的方法，包括发电机组和气体分离机组，至少有一台发电机组处于非经济负荷运行状态、或需要按照电网调度改变运行状态、或两种状态组合；气体分离机组系统有与电网或电厂调度联系的信息通信部，气体分离机组至少接受电厂、或电网、或两者组合调度，调度包括信息和命令；使至少有一台不按电网调度运行的发电机组将超出电网调度允许其发电数量的电能，用于相应数量的非发电机组辅机型的气体分离机组运行，使电网负荷平衡，同时采用物理分离法分离气体。采用上述方法的气体生产系统，至少有一台调节电网用电负荷的气体分离机组有信息通信部。
【专利说明】提高发电效率及气体分离的方法和气体分离系统
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种通过提高发电效率、降低电能成本和分离气体的方法并且提出一种气体分离系统，具体地说就是关于利用变负荷和非经济运行的发电机组所生产超出电网调度允许的电力驱动气体分离机组分离气体的方法。
【背景技术】
[0002]电力系统包括一个及以上个发电分系统、输变电分系统和用电分系统。发电分系统至少包括一台发电机、机械运动产生部和附属配套部，比如火力发电系统至少包括锅炉部、汽轮机部和发电机部，还包括水系统部和空气压缩机等各种辅机部。这时的空气压缩机组只是为了满足发电机组的生产工艺需要。随着经济的发展，用电分系统的电力需求越来越大，用电分系统的负荷变化也越来越呈现随机变化，同时电力负荷的峰谷差别也越来越大。发电机组主要包括火力发电、燃气发电、水电、核电等；电网内发电机组可以分为基本负荷机组、可用发电能力机组和备用发电能力机组，基本负荷机组多是满负荷发电机组，可用发电能力机组一般多是优先被用于适应电力系统用电负荷的变化；由于电网用电负荷变化频繁所以经常需要调整发电机组功率的大小，在很多时段经常有发电机组以低于满负荷发电效率运行，用电负荷变化较大时有时还需要停机。不经济负荷调节包括停机和非优效率运行，电力系统的用电负荷变化中包括日常、昼夜调峰和季节变化，但发电机组负荷调整最频繁的是因为日常多见用电系统负荷的波浪型随机变化，发电机组负荷调整幅度较大的是昼夜电力负荷调节。现在实行的调度方法有节能发电调度方法和有序调停燃煤机组的节能调度模式。主要是根据机组煤耗、排放水平、负荷率平衡分配各个机组的发电数量。现较多的发电机组经常以30-60%的功率负荷运行，这时发电机组每度电的能源消耗远大于发电机组以设计负荷发电效率运行时的能源消耗，发电机组以设计负荷率运行时的煤耗或经济效率运行的成本一般是最低的。《中国电力》2012年1月刊发的《超超临界机组瞬变负荷对供电煤耗率的影响》一文，即说明了低负荷率时的较高煤耗，也说明了负荷经常变化也会造成较高的煤耗。经济发达的江浙地区华能海门电厂一台额定功率1036MW发电机组，机组设计标准供电煤耗率为283g/kW.h，实际运行中由于经常变负荷运行的影响很难达到设计值。[2011年全国火电平均煤耗为330克/kW.h。]根据该机组实际某一天负荷调度曲线统计，700丽到1000丽之间变负荷波动2次，从750丽到900丽之间变负荷波动3次，从800丽到900丽之间变负荷波动至少5次，其它稍小的负荷波动更多，将一天负荷波动统计计算后得知发电机组至少多消耗煤1203.47t，如果以800元/t煤计算，每天每台机组至少多花费96.2776万元。请注意上述计算只是发电机组从稳定运行状态改变运行状态到新的运行状态之间所产生的损失，不一定是经济运行状态！从文章中可以看到发电机组在800MW到1036丽之间供电煤耗的变化曲线趋于平缓，如果以860丽到1036丽之间作为经济运行功率，这时发电煤耗变化不会超过lg/kW.h，经济运行功率可以定为860MW-1036MW之间，发电机组最优功率则为920MW左右或最优成本供电煤耗率为279.768g/kff.h。还有文献报道一台12.5万kw的火力发电机组启停一次，需消耗20t标准煤；一台20万kw的火力发电机组启停一次，需消耗34.8t标准煤。湖南电网2008年单日负荷峰谷差仅为488万kW.,2012年单日负荷峰谷差已超过1000万kW.。详情见[中国电力]2013年10月P1。2011年我国用电负荷峰谷相差达到40-50 %，至少有20-30 %的电源容量充当调峰电源；为了调整电力负荷白天夜间的峰谷差距，现在最常见的是建设抽水蓄能电站，抽水蓄能电站一是投资巨大，一般在5000元/千瓦及以上；二是需要经过两次有能量损失的电能量转换，能量损失较大，抽水蓄能电站的能量转换效率-综合效率系数有的只有65%左右；三是水资源要靠天吃饭，有丰枯季节之分；四是最终能量形式还是有较大损耗的电能。以2010年底统计，我国发电设备容量9.62亿KW，火电占73.44% ;抽水蓄能电量16345丽，在建12040丽，预计到2020年建设抽水蓄能电量约70000MW。目前运行的抽水蓄能机组每年约启动2000-4000次。国外的电网中抽水蓄能电量最高约为总电量的15%左右。电力负荷调节还有其它的方式，如电池蓄能、压缩空气蓄能、飞轮蓄能、电容器蓄能、空调制冰蓄能、调相机蓄能等；还有为生产氢气而电解水，家用电解法制氧的单耗高达13kw.h/立方米.氧气，工业电解法制氢的单耗高达8.0-9.0kw.h/立方米.氢气，可以参见机械工业出版社《制氧技术问答》张辉、王和平编著；所以如果将此类氢气用于氧化燃烧则没有节能益处。由于各种经济、技术原因上述蓄能设施除抽水蓄能外其它方案都没有大规模采用或容量不足。发电机组的经济性包括排放水平、机组负荷率和煤耗；目前大型火力发电机组的能源转换效率一般是44%左右，前景发展目标也只是51%左右；热电联产的效率可以达到70-80%左右。在电力系统既定的现有条件下，各种发电机组共同的节能增效问题一是机组运行负荷率，二是负荷变化率；当然还有电压、电流、频率、有功功率、无功功率等调节方式的优化。随着智能电网技术的不断发展和广泛的实际应用，电网调度的自动化程度越来越高。除了发电端现有技术之外还在用电分系统的用户负荷管理也有很多方法，即常说的需求侧用电管理。需求侧用电管理是在用电紧张区域内对某些非重要的负荷，在用电高峰时停止或限量供电。有时电网调度也可以根据协议或合同直接控制确定的某些用户的设备。
[0003]可燃气体也可以称为助燃剂。助燃剂包括氧气、或富氧气体、或氢气、或有机可燃气体。日常燃烧主要是与空气中的氧气产生的氧化反应，也包括其它混合气体中的可燃有机成分。空气中主要包括20.95%的氧气和78.04%的氮气；所以空气中氧气与氮气的比例可以简化为1:4。气体分离或制取可分为物理法、化学法和电解法等方法。一般物理法成本较低，物理法主要是采用空气分离的方式。空气分离方法主要包括低温法、变压吸附法和膜分离法，低温法也可称为低温压缩法。三种分离方法在设备投资、生产工艺和技术及产品性状各有不同，随着技术的发展还会有所变化。三种分离方法的产品在氧气的纯度上也各不相同；运行压力有高有低，但较低的工作压力也在0.6Mpa左右；氮气在77.35K时为无色液体，氧气在90.188K时为蓝色液体，所以可以在90.188K时分离氧气和氮气。三种分离方法的电耗分别为:低温压缩法的单耗大约为0.37kw.h/立方米.氧气；变压吸附法的单耗大约为0.42kw.h/立方米.氧气，也有VPSA吸附法的单耗为0.30kw.h/立方米.氧气。随着技术的不断进步，制氧单耗大约可以降低到0.28kw.h/立方米.氧气。变压吸附法和膜分离法制氧机的启动或停止以及产品完成时间都较短，可以随时停机，所以调峰性能讲更好；自从美国UEI公司设计生产出将低温精馏和变压吸附有机结合的制氧机，出氧时间大大减少，低温法制氧机组出成品的较短时间约为7个小时，尤其是低温法制氧机组多适用于昼夜和季节调峰。低温法制氧机主要采用空气的压缩、节流和膨胀等不同形式方法制氧。气体分离装置包括主机和辅助部，在各种空气分离方法中主机的组成也各有不同，主要包括压缩机、吸附塔、膜组和控制系统；辅助部主要包括管路、过滤器、塔、换热器、阀、容器等。现有制氧技术和设备至少可以参见冶金工业出版社《制氧技术》[2009年第二版]李化治编著和机械工业出版社《制氧技术问答》张辉、王和平编著。
[0004]民用和商业燃气设备包括燃气厨具、燃气热水器、燃气采暖炉、燃气干衣机、燃气空调等。燃气厨具包括灶具和烘焙厨具。还包括内燃机，比如汽车和拖拉机。可燃气体包括天然气、液化石油气、煤制气、煤层气、沼气、二甲醚、可燃冰等。天然气的主要成分为甲烷，大约为80-98%。据媒体报道2012年广州分时电价:零点_8点为0.319元/度；14点-17点和19点-22点为0.9875元/度；其余时段为0.61元/度。2012年河北唐山天然气的单价是2.15元/立方米。理论计算以空气中含21%的氧气计算,使1立方米天然气完全燃烧，大约需要10立方米空气，总的烟气量大概在11立方米，也可以说日常生活中每燃烧1立方米天然气完全燃烧后就有无效的8立方米氮气被加热，产生了能源浪费、过度消耗了室内的氧气和生成有害的氮氧化物；如果换算成纯氧只需2立方米。也就是说如果采用纯氧代替空气燃烧时，使1立方米天然气完全燃烧，大约需要2立方米氧气，总的烟气量大概在3立方米，就可以节省大约72%的能量。被加热的8立方米氮气烟气焓的热量大约为24951kJ/立方米；也就是说这些氮气烟气焓热量都是浪费。如果以峰谷电价零点_8点为
0.319元/度计算，制氧单耗仅为0.0957元/立方米.氧气，2立方米.氧气价格大约为
0.1914元，节省天然气的价格大约为1.50元，两者相差大约1.30元；远远小于制造2立方米氧气0.1914元/立方米的价格；采用纯氧代替空气燃烧包括燃气用具和内燃机都有类此效果。在房间较封闭时，燃气热水器和燃气灶的使用经常会造成房间内缺氧和燃烧不完全产生一氧化碳，所以富氧燃烧有利于人身安全。由于燃烧温度高于1800度以上时烟气中的二氧化碳、水蒸气等容易发生分解额外消耗热量和易于生成有害氮氧化物，所以应该适度控制燃烧温度，可以通过控制氧气含量和调节气体阀门大小控制气体流量及选择燃烧器结构的方式控制燃烧温度。以上内容可以参见机械工业出版社《燃气燃烧与燃烧装置》主编刘蓉、刘文斌。因为可以采用燃气与商品化氧气燃烧不需要环境空气的助燃，所以节能燃气具的加热面和燃烧器之间的高度可以大幅降低。气体分离机组主要包括压缩机组和配套设备，如制氧机组，其它的气体分离机组的原理和制氧机组类此，本发明以制氧和制氧机组为例说明。纯氧或富氧燃烧既可以减少加热氮气等无效的能源浪费又可以减少有害的氮化物污染。工业窑炉有全氧、富氧和稀氧燃烧，由于工艺条件各不相同，所以结构和效果各异，但采取本发明的氧气成本可以是最低的。一次能源的利用效率一般多高于二次能源，还有物理变化所耗费的能量小于发生化学变化所耗费的能量。
[0005]本发明的气体分离机组不包括现有发电系统内作为发电机组配套辅机的气体分离机组和社会上现有通常意义的气体分离机组。现有发电系统内作为发电机组配套辅机的气体分离机组只接受电厂调度，它的运行只需满足发电机组的需要即可。社会上通常意义的的气体分离机组只有在电网电力不足的情况时，偶然或短时间、间接地、被动和非自愿地接受电网调度。本发明中气体分离机组以制氧机组为例说明。本发明所说气体分离机组包括配合辅机部分。本发明所说制氧和制氧机组首先是专门为配合或平衡电网负荷波动和提高发电机组效率而设立；皆非工艺配套制氧或纯气体生产分离机组。由于气体分离机组改变运行状态比发电机组容易和能耗损失较小，所以改变气体分离机组运行状态比发电机组更节省。
[0006]本发明与现有仅仅利用电网峰谷电价的技术不同，本发明主要是以使发电机组尽可能长期保持在稳定状态或运行在经济运行效率及以上为基础，生产低成本的助燃或可燃气体；在现有电网系统中，经常有发电机组运行在低负荷状态，若将低负荷状态的发电机组运行效率提高，就会有超过电网调度允许的电量产生，所以必须同时消耗此电量，才能使电网负荷平衡。与现有电网需求侧管理下的强制性用电负荷管理运行方式也不同，包括气体分离装置与电网或发电公司的关系；还有气体分离装置产品的用途。气体分离装置在本发明中相当于发电机组或蓄能装置，但经济效益比其效果更优。电力系统包括集中式、分布式和单发电机组式。如何在提高发电机组的经济效益的过程中同时产生有益的产品，产生的有益产品又可以象热电联产那样达到更高的经济效益，就是本发明的考虑的问题。
[0007]如何使电力系统内尽可能多的发电机组运行于经济运行功率及经济运行负荷率之上或保持运行功率不变的稳态运行，尽可能不受电网用电负荷随机变化的影响，并同时生产低成本的分离气体或助燃剂以产生更高的经济社会效益。是电力系统调度运行新的重大课题。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题主要是如何使电力系统内的发电机组保持运行功率不变的稳态运行、或运行于经济运行功率或经济运行负荷率及之上，并同时生产低成本的助燃或可燃气体以产生更高的经济社会效益。
[0009]本发明的技术方案是一种提高发电效率及气体分离的方法，包括发电机组和气体分离机组，其主要特征是至少有一台发电机组处于非经济负荷运行状态、或需要按照电网调度改变运行状态、或两种状态组合，电网用电负荷变化时，至少有一台发电机组需按电网调度运行功率或负荷发生变化；气体分离机组系统有与电网或电厂调度联系的信息通信部，气体分离机组至少接受电厂、或电网、或两者组合调度，调度包括信息和命令；使至少有一台不按电网调度运行的发电机组将超出电网调度允许其发电数量的电能，用于相应数量的非发电机组辅机型的气体分离机组运行，使电网负荷平衡，同时采用物理分离法分离气体。现有电网调度可以分为国家电网、区域电网、省网、地调、县调、发电厂等调度形式。由于发电机组分别属于不同的单位和大小不同，所以调度方式也可以有多种方式。国家电网、区域电网、电力集团、省网、地调、县调，本发明统称为电网调度。电厂包括燃煤电厂、或燃气电厂、或燃油电厂、或水电厂、或核电厂、或其任意组合。
[0010]从现实实际出发，最有可能的实践者是电厂或电力集团等具体发电机组的运行管理者，其次是社会投资者，但电网的作用是关键的，尤其是实时电网的用电负荷和发电机组的运行状态数据。气体分离机组系统至少可以采取与电网合作、或与电厂合作，两种方法得到发电机组电量变化的数据。发电机组处于非经济负荷运行状态包括运行在低负荷和开机后运行在低负荷，降低发电机组运行负荷，甚至是停机。发电机组由于用电系统负荷限制运行效率低和发电机组经常变化运行功率，都是不经济的。从理论上说任何一台设备都有一个最优运行效率或成本最优值，最优运行功率或发电成本值的确定有理论分析和实际运行或实验两种方法；具体分析可以参见申请号:201210054312.1的专利申请的分析；在以最优运行效率或成本最优值为中心的一个小范围内，运行成本变化会很小，这个运行效率、功率或成本值可以称为经济运行效率、功率或成本值。在同一条件下，运行效率、功率或成本值是互相对应的，可以通用。偏差可以忽略不计；实际数值可以视具体机组实际状况而定；因此本发明将与此范围对应的功率或效率称之为经济运行功率或效率。发电机组运行状态包括发电机组按电网调度命令前和和执行命令后的状态，还包括发电机组按电网调度的运行状态和按电厂调度主动改变发电机组按电网调度的运行状态。发电机组提高运行功率，包括根据电网调度命令调节和主动调节。用电负荷变化包括负荷降低和负荷增加，用电负荷增加时，包括增加现有运行发电机组的运行功率和启动新的发电机组；若新启动的发电机组电网允许的负荷低于经济效率时，若提高运行功率较大尤其是以经济功率运行时就超过电网调度允许的发电量；将现有按电网调度处于非经济效率运行的发电机组提高运行功率时也会造成新的发电功率的富裕。用电负荷减少一般是现有运行的发电机组根据新的电网调度命令需降低运行功率或关停运行中的发电机组，这时就需要保持稳定运行功率或将处于低负荷运行变为以经济负荷运行。气体分离机组系统有控制部，控制部通过人工控制、或自动化控制、或两者组合。气体分离装置通过空气分离法生产至少为氧气或富含氧气中的一种，氧气或富含氧气至少为气体或液体中的一种。富含氧气包括氧气浓度大于空气的各种氧气浓度含量的含氧气体。同时包括被分离气体可以包括工业生产的各种工艺气体、有机气体、尾气和混合可燃气体。有机气体包括各种可燃气体。本发明气体分离装置的运行或停止是根据电力系统内发电机组的电能是否有富裕和运行是否经济为基础，由于通过容量或功率等大小不同的多个气体分离装置灵活配置，可以根据电网用电负荷的变化适时将类此功率大小不同的气体分离装置关闭或启动，同时也可以通过气体分离装置变化运行状态得到不同的用电量。气体分离装置的负荷可以通过数量的积累可以很大，比如一台11万立方米/h制氧机的用电负荷至少为4.07万kw.h。一台15万立方米/h制氧机的用电负荷至少为5.55万kw.h。气体分离装置生产的产品包括气态和液态。气体分离装置主要为制氧机组。气体分离方法分别为低温法、或膜分离法、或变压吸附法、或三者中任意两种及以上种组合使用，至少其中一种。气体分离装置分别为低温制氧机、或膜分离制氧机、或变压吸附制氧机、或三者中任意两种及以上种组合使用，至少其中一种。由于膜分离制氧机或变压吸附制氧机生产的为不同浓度的富含氧气的气体，所以可以用三者中的两种或以上种组合使用可以取得不同的效果。气体分离机组接受电网或发电厂调度，电网用电系统负荷减少时气体分离机组运行数量增加或运行功率增加，避免电力系统中至少有一台发电机组因电网用电负荷变化使发电功率发生变化；电网用电系统负荷增加时气体分离装置运行数量或运行功率降低。通过将发电机组超出电网调度允许超发的电量用于开启或运行相应数量的气体分离机组，以消耗富裕的电能达到电网用电负荷的平衡。由于低温法制氧机组启动后需要十几个小时以上才有产品产出，所以从启动和关闭的快慢角度讲吸附式制氧机或膜分离制氧机更方便。气体分离装置可以多种类型制氧机组同时运行；如可以有吸附式制氧机或膜分离制氧机等，也可以是各种分离法的组合使用，更适合灵活快速平衡电网用电负荷的变化。
[0011]本发明的气体分离装置与现有的普通气体分离装置在作用和目的以及结构都是有本质区别的。气体分离装置制氧机组作为与发电机组等效的用电负荷变化调节机组。用电负荷增加减少运行的气体分离装置功率或数量，用电负荷减少就增加运行的气体分离装置功率或数量，发电机组则可以尽可能一直保持在稳定运行状态、经济运行状态或最优运行状态。普通气体分离装置不是为电力系统发电机组效率服务的，普通气体分离装置运行开启在不强制限电的情况下是自由开关的；普通气体分离装置不会与电网调度部之间有自动控制关系。本发明的气体分离装置主要是作为电网用电系统负荷变化的平衡装置，在条件允许的情况下，发电机组和气体分离机组都可以运行在经济运行状态，所以既可以在提高发电机组效率的同时气体生产成本可以达到最低。调度包括信息和命令，气体分离机组至少可以从电厂、或电网、或两者组合得到电量信息。将发电机组提高运行效率所多产的电能，用于一个及以上个气体分离装置通过气体分离法生产纯氧气或富含氧气。
[0012]尤其是在发电机组发生故障时，通过气体分离机组降低运行功率或停机，也可以起到保护电网和平衡电网用电负荷的效果。
[0013]优先的发电机组运行功率变化，包括发电机组运行功率主动变化、或被动变化、或两者组合。发电机组处于非经济负荷运行状态包括运行在低负荷和开机后运行在低负荷，或降低发电机组运行负荷，甚至是停机。
[0014]优先的首先根据现有气体分离机组总的可用功率数量，依据电网调度允许发电机组的运行状态，计算发电机组不同运行状态产生的多余电量和气体分离机组相应运行状态所需用的电量数量的匹配状态，比较发电机组和气体分离机组不同匹配运行状态获得的综合效益并选择确定最优运行方案。用电负荷在一天内可以有若干个峰值。也可以通过经验统计出用电负荷峰值的出现规律。发电机组提高发电效率主要是发电机组提高运行功率和发电机组保持稳定运行，其次是发电机组选择损失最小的降负荷曲线运行。由于气体分离机组的平衡作用，在发电机组降负荷的过程中，发电机组一是可以选择负荷降低的曲线，二是发电机组变化终了的负荷也可以高于电网调度要求的负荷。计算发电机组不同运行状态改变产生的多余电量和气体分离机组相应运行状态所需用的电量数量一般是采用编制好的计算软件进行。也可以采用直观的图形方法。发电机组运行状态包括发电机组按电网调度命令前和和执行命令后的状态，还包括发电机组按电网调度的运行状态和按电厂调度主动改变发电机组按电网调度的运行状态。发电机组改变运行状态，一是包括发电机组运行功率提高和降低，二是包括根据电网调度命令调节发电机组负荷和主动调节发电机组负荷。气体分离机组运行状态包括正在运行的气体分离机组和备用的气体分离机组，所以计算现有气体分离机组总的可用功率数量包括正在运行的气体分离机组改变运行状态及关停气体分离机组或启动备用的机组数量的总和。初始状态和简单状态就是气体分离机组的启动和关停。
[0015]发电机组提高运行功率，一般是电厂主动改变发电机组的运行功率或负荷，包括发电机组从低负荷运行提高到较高运行功率和新开机发电机组在电网允许的低负荷运行提高到较高运行功率；首先根据现有气体分离机组总的可用功率数量，依据电网调度允许发电机组的运行状态，计算现有发电机组不同运行状态改变产生的多余电量和气体分离机组不同运行状态所需用的电能数量，比较发电机组不同运行状态和匹配的气体分离机组运行状态所获得的综合效益并选择确定最优运行方案。优先使一台发电机组处于经济运行率及以上和至少使一台气体分离机组处于经济运行效率及以上；次优选择提高发电机组运行功率和使气体分离机组提高运行功率；次之选择调整气体分离机组运行功率，最后选择开启气体分离机组数量。当发电机组运行功率主动变化时，首先判断发电机组是否运行在经济效率及以上，优先满足发电机组调节到经济效率及以上；然后判断发电机组是否可以保持不变；再之保持发电机组的运行功率；次之使至少一台气体分离装置的负荷调整优先在经济效率及以上运行状态调整变化，然后选择启动或关闭机组。
[0016]根据电网调度命令发电机组运行功率需要降低时，发电机组运行功率降低包括发电机组降低运行功率/负荷和停机，首先根据现有气体分离机组总的可用功率数量，依据电网调度允许发电机组的运行状态，计算现有发电机组不同运行状态改变产生的多余电量和气体分离机组不同运行状态所需用的电能数量，比较发电机组不同运行状态和匹配的气体分离机组运行状态所获得的综合效益并选择确定最优运行方案。优先至少使一台发电机组处于现有运行功率不变和至少使一台气体分离机组降低运行效率；次优选择关停气体分离机组的数量，次之选择较电网调度要求小幅度降低发电机组运行功率或负荷。
[0017]在电网中已有运行中的气体分离机组时，电网用电负荷变化时，依次优先使发电机组处于经济运行效率及以上，次优保持发电机组运行功率不变，然后使气体分离机组处于经济运行效率及以上，再次选择调整气体分离机组运行功率，选择开/停气体分离机组。
[0018]气体分离机组系统与电网或电厂调度联系的信息通信部和电网或电厂调度联系通过人工、或自动化控制、或两者组合。电网的自动发电实时控制[AGC]和自动电压控制[AVC]等的技术基础都是自动化控制；通过调节电网的频率、电压、有功功率、无功功率、相位等电网质量参数的调整满足电网稳定、安全运行的要求。
[0019]优先的电网或电厂调度按储能装置调度方法调度气体分离机组系统运行。由于气体分离机组系统相当于电网中的储能装置，所以可以按现有电网调度储能装置方法调度气体分离机组系统。
[0020]气体分离系统生产的气体分别为纯氧、或富氧、或有机可然气体其中的至少一种。[0021 ] 优先的分离的气体分别为天然气、或液化石油气、或煤制气、或煤层气、或沼气、或二甲醚、或可燃冰、或任意两者及以上种组合。
[0022]一种根据权利要求1-5任一所述方法的气体分离系统，包括一个及以上个气体分离机组及与其配合的一个及以上个控制部、一个及以上个连接部，连接部包括电性连接和管路连接、一个及以上个信息通信部，信息通信部与气体分离机组控制部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接；其主要特征是至少有一台气体分离机组用于平衡电网用电负荷变化，气体分离机组信息通信部与电网或电厂调度部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接。气体分离系统，包括一个及以上个气体分离机组及与其配合的一个及以上个控制部、一个及以上个连接部，连接部包括电性连接和管路连接；其主要是至少有一台调节电网用电负荷的气体分离机组有电力调度部，电力调度部与控制部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接；气体分离机组电力调度部与电网调度部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接。根据以上所述气体分离系统，广义上包括一个及以上个发电机组、一个及以上个气体分离机组、和与其配合的一个及以上个控制部、一个及以上个连接部及信息通信部或电力调度部，电力调度部负责气体生产系统与电网或发电厂的通讯和命令及反馈。连接部包括电气连接和管路连接。信息通信部或电力调度部的物理基础是通信和自动化控制技术，包括硬件和软件；通信包括有线和无线或语音和数字，有线技术主要是光纤、电缆和其它电力线通讯技术，无线主要是数字载波、卫星、移动和电力线载波通讯技术；还有网络技术和物联网技术，比如IP接入网技术等。信息通信部或电力调度部为气体分离或气体生产系统与电网的通讯包括各种有线和无线通讯；包括电网调度和发电厂调度；调度方式可以是人工或自动化网络控制。电网调度最主要的控制方式是实施闭环自动发电控制；详细内容可以参见吴文传等编著《电力系统调度自动化》相关内容，清华大学出版社2011年8月出版。刘振亚主编的《智能电网技术》相关内容。黑龙江省电力有限公司编著《现代电网运行与控制》相关内容。气体分离装置可以作为与发电机组等效的用电负荷变化调节机组，用电负荷增加减少运行的气体分离装置数量或改变运行状态，用电负荷减少就增加运行的气体分离装置数量或改变运行状态，发电机组则可以一直保持在经济运行状态或稳定运行状态。电力调度部与电网调度部分别通过自动实时控制、或人工、或其组合，至少其中一种方式接受电网调度控制。气体分离机组的控制比发电机组要简单的多，自动实时控制使电网调度可以通过自动化控制技术直接控制气体分离机组的运行，现多采用网络控制技术。电网的自动发电实时控制[AGC]和自动电压控制[AVC]等的技术基础都是自动化控制；通过调节电网的频率、电压、有功功率、无功功率、相位等电网质量参数的调整满足电网稳定、安全运行的要求。气体分离机组尤其是大容量气体分离机组接受电网的自动实时控制与发电机组接受电网自动发电实时控制[AGC]和自动电压控制[AVC]的控制的发电机组类此且更简单。气体分离机组也可以有较大的负荷变化，比如11万立方米Λ制氧机的用电负荷至少为4.07万kw.ho 15万立方米/h制氧机的用电负荷至少为5.55万kw.h。
[0023]优先的气体分离机组信息通信部负责气体分离机组系统与电网或电厂的通讯、控制及反馈；信息通信部与电网或电厂调度部分别通过语音、或数据、或其组合，至少其中一种通讯方式接受电网调度控制。语音可以是固话、移动通信、网络语音通话等，数据可以是短信、电子邮件、QQ、自动化控制、视频等。
[0024]优先的气体分离机组信息通信部可以通过人工、或自动、或两者组合输入控制信
肩、Ο
[0025]优先的电网或电厂调度分别通过实时自动控制、或人工、或其组合，至少其中一种方式控制气体分离机组。电网的自动发电实时控制[AGC]和自动电压控制[AVC]等的技术基础都是自动化控制；通过调节电网的频率、电压、有功功率、无功功率、相位等电网质量参数的调整满足电网稳定、安全运行的要求。气体分离机组尤其是大容量气体分离机组接受电网的自动实时控制与发电机组接受电网自动发电实时控制[AGC]和自动电压控制[AVC]的控制的发电机组类此且更简单。气体分离机组系统与电网或电厂调度联系的信息通信部和电网或电厂调度联系通过人工、或自动化控制、或两者组合。
[0026]优先的气体分离机组为制氧机组，制氧机组分别为单制氧机、或制氧和氮气机、或制氧、氮和氩机、或全提取制氧机、或四者中任意两种及以上种组合，至少其中一种。可以先通过变压吸附制氧机或膜分离制氧机处理空气得到浓度提高的富氧气体，然后再用低温制氧机进一步提高氧气浓度。制氧机组分别为单制氧机、或制氧和氮机、或制氧、氮和氩机、或全提取制氧机，至少其中一种。气体分离装置生产过程中，合理利用每一工艺环节所产生的空气中的有用气体组分，至少生产氧气、或氮气、或氩气、或氦气、或二氧化碳气、或稀有气体其中的一种。气体分离装置生产过程中，合理利用每一步产生的空气中的有用气体组分，同时生产氮气、或二氧化碳气、或稀有气体。在气体分离装置中，可以同时有不同类型的制氧机也可以有多台制氧机。随着气体分离装置生产过程的进行，由于浓度或温度的变化都更有利于低成本制取氮气、或二氧化碳气、或稀有气体，所以可以根据分离气体的不同或工艺需要，可以灵活使用不同阶段的气体产物。分离的可燃气体还可以分别为天然气、或液化石油气、或煤制气、或煤层气、或沼气、或二甲醚、或可燃冰、或任意两者及以上种组合，至少其中一种。分离气体主要是通过压缩分离混合气体中的可燃或助燃气体。
[0027]气体分离系统或可燃气体生产系统至少有一个产品储存部。氧气生产系统至少有一个储存部。氧气生产系统有一个及以上个气体储存部。气体分离或节能助燃气生产系统有一个及以上个气体储存部。包括管路和储罐。助燃剂为纯氧或富氧中的至少一种，分别通过管道、或罐装状、或两者组合，至少其中一种方式运输到加注处或与燃烧器处。管道燃气分别在高压段、或中压段、或低压段，至少有其中一个阶段。纯氧或富氧中的至少一种分别通过管道或罐状运输到与燃气混合处。燃气混合处包括燃烧器和加注处。
[0028]气体分离机组至少有一个及以上个热回收部。现有技术已有各种热回收技术方案，比如压缩机已有热回收型压缩机。至少回收利用加工气体分离装置生产过程中任意步骤所产生的热量，分别用于加热液体、或气体、或固体、或热泵、或其四者中任意两种及以上种组合，至少其中一种。至少回收利用加工气体分离装置生产过程中任意步骤所产生的热量，分别用于加热液体、或气体、或固体、或热泵、或其四者中任意两种及以上种组合。加热的液体、或气体、或固体可以分别用于工业、商业或民用。热泵可以用于空调或冷冻系统。
[0029]气体分离系统有一个及以上个加注站，加注站分别为单独、或与加油站两者组合，至少其中之一设计。与燃气加气站、或加油站、或两者组合，至少其中之一集成设计，至少共用业务用房。氧气系统有一个及以上个加注站，氧气加注站分别与燃气加气站、或加油站、或两者组合，至少其中之一集成设计，至少共用业务用房。还有人员、消防设备、辅助设备等都可以共用。可以象加油站或天然气加气站那样建立氧气或富含氧气加注站。内燃机系统采用与天然气汽车类此的罐。尤其是与天然气加注站在设备和建筑等基本相同。加注设备主要是压缩机、过滤器、储罐、泵、阀门、换热器、管路及控制部的各种组合连接。加注方式包括罐装或现场压力充填。氧气或富氧气体与可燃气体混合用于内燃机和燃气用具；氧气或富氧气体与可燃气体混合用于民用和商业使用。燃气包括天然气、甲烷、石油液化气、煤层气、沼气、二甲醚、可燃冰等。纯氧或富氧中至少一种分别通过管道或罐状运输至与燃气混合处。氧气生产系统生产的氧气为纯氧或富氧其中的至少一种，分别通过管道、或罐装状、或两者组合，至少其中一种方式运输到用户处。用户包括储存部、燃烧器和加注站等。氧气或富氧的输送至少可选择管道或罐中的一种；罐装氧气在灌装前或在灌装时，至少在其中一个阶段。内燃机有电子燃料喷射系统，包括开环和闭环控制。包括汽油、柴油和天然气。油电混合。氧气或富含氧气至少其中一种用于内燃机。内燃机包括汽车和火车用、船用和工业用。氧气或富含氧气至少其中一种可以代替空气，由于氧气或富含氧气至少其中一种只是氧气浓度过高，所以内燃机结构无需改变，只是相关控制数据值据此调整设定。
[0030]气体分离生产系统生产的氧气为纯氧、或富氧、或有机可然气体其中的至少一种，纯氧、或富氧、或有机可然气体中的至少一种分别通过管道、或罐状、或两者组合，至少其中一种方式运输到用户处。可燃气体生产系统生产的氧气为纯氧或富氧其中的至少一种，分别通过管道、或罐装状、或两者组合，至少其中一种方式运输到用户处。氧气或富氧的输送至少可选择管道或罐中的一种；罐装氧气在灌装前或在灌装时，至少在其中一个阶段。内燃机有电子燃料喷射系统，包括开环和闭环控制。包括汽油、柴油和天然气。油电混合。氧气或富含氧气至少其中一种用于内燃机。内燃机包括汽车和火车用、船用和工业用。氧气或富含氧气至少其中一种可以代替空气，由于氧气或富含氧气至少其中一种只是氧气浓度过高，所以内燃机结构无需改变，只是相关控制数据值据此调整设定。
[0031]气体分离机组至少有一个传感器部，传感器部分别与电力调度部或控制部电性连接，分别通过有线、或无线、或其组合，其中至少一种方式电性连接。制氧机组至少有一个传感器部，传感器部分别与电力调度部或控制部分别通过有线、或无线、或其组合，其中至少一种方式电性连接；电力调度部将制氧机组运行参数传递给电网调度部。气体分离机组分别有电压、电流、功率、温度、振动、压力、质量、流量、图像等各种机组参数检测传感器，各种传感器将检测到的各种参数分别传递给气体分离机组的控制部和电力调度部，电力调度部将气体分离机组运行各种参数传递给电网调度部。
[0032]本发明的节能效果包括发电机组因为电网用电负荷变化时避免电力系统内已运行的发电机组运行功率变化、降低运行效率或停机所形成的节能效益；包括发电机组可以始终保持在以最优功率或经济效率运行节约的成本；包括发电机组以稳定的功率运行所产生的效益；还包括气体分离机组以经济效率运行节约的成本；还包括气体分离机组生产的氧气提高燃气燃烧效率节约的成本，还包括气体分离机组生产的低成本的氮气和其它稀有气体所产生的效益。需要特别强调指出发电机组保持在以经济效率运行包括避免以前用电负荷增大时发电机组以超过最优功率大功率运行状态和在用电负荷变化时为避免停机而使机组运行在较低效率状态。节能的效果还包括发电机组和制氧机组工作在最优功率或经济效率运行节约的成本；节能的效果还包括制氧机组工作时回收的热量。由于全世界发电机组数量巨大，所以节能效益巨大。本发明比太阳能等新能源更节能和有实用性。本发明的效果主要为:一是发电机组保持稳定运行的效益；二是发电机组运行尽可能在经济运行效率及以上所产生的效益，而且即使发电机组运行功率发生变化，也多在经济运行效率与最优运行效率之间变化，发电机组煤耗率变化不大；三是避免了其它能量损失较大的蓄能形式所浪费的能源或提高了能源的转换效率；四是气体分离机组生产的低成本氧气和附属产品所产生的效益；所以本发明经济效益显著。
[0033]本发明的有益效果主要是提出了使发电机组运行效率更高、生产低成本电能和电能成本更低的方法并且低成本的分离气体及其它各种产品的系统，同时实现节能和更大的综合效益。【专利附图】
【附图说明】
[0034]S1:电网或电厂调度S2:气体分离机组信息通信部S3:气体分离机组控制部S4:气体分离机组
[0035]图1是电网和气体分离机组信息通信部、控制部、气体分离机组的关系示意图
[0036]具体实施例1、包括发电机组和气体分离机组，气体分离装置为制氧机组，制氧机为氧气和氮气制氧机，分别是用电负荷至少为4.07万kw的11万立方米/h制氧机组、用电负荷至少为5.55万kw的15万立方米/h制氧机组、用电负荷大约为2.2万kw的5万立方米Λ制氧机组、用电负荷大约为0.43万kw的1万立方米/h制氧机组；制氧机组包括主机和辅机；制氧机组各自有控制部、电力调度部和传感器部，传感器部与控制部和电力调度部分别通过有线和无线电性连接，气体分离装置有公共的氧气和氮气储罐，5万立方米/h制氧机组和1万立方米Λ制氧机组制氧流程为常温分子筛吸附、增压透平膨胀机形式，11万立方米/h制氧机组和15万立方米/h制氧机组制氧流程为填料上塔、全精馏、无氢制氧形式；每台制氧机组都有单独的和/或共同的信息通信/电力调度部与电网调度部连接，信息通信/电力调度部与制氧机组控制部通过有线电性连接，信息通信部与电网调度部通过有线和无线电性连接，采用有线和无线宽带通信技术，制氧机组控制部通过信息通信/电力调度部接受电网控制，电网调度部可以通过网络自动控制技术实时控制各个制氧机组，至少有一台发电机组处于低负荷状态，发电机组可以提高运行功率甚至经济效率及以上，超出电网调度允许的发电容量用于启动制氧机组或提高制氧机组运行功率；制氧机组实际运行的数量根据现有处于低负荷发电机组超出电网允许的电量确定。当电网用电负荷变小时，根据电网调度用电负荷变化的数量，优先保持发电机组运行状态不变同时调整制氧机组运行状态，其次选择至少关停一台制氧机组；再之继续根据发电机组超出电网调度允许的电量适度降低发电机组的运行功率。其余可以根据现有技术设计选择使用。
[0037]具体实施例2、包括发电机组和气体分离机组，气体分离装置为制氧机组，制氧机为氧气、氮气和氩气制氧机，气体分离装置制氧机组分别为4500立方米/h膜法制氧机组、11万立方米/h制氧机组的用电负荷至少为4.07万kw、15万立方米/h制氧机组的用电负荷至少为5.55万kw、5万立方米/h制氧机组的用电负荷大约为2.2万kw、1万立方米/h制氧机组的用电负荷大约为0.43万kw ;制氧机组包括主机和辅机；制氧机组各自有传感器部，传感器部与控制部和信息通信/电力调度部分别通过有线和无线电性连接，气体分离装置分别有公共的氧气、或氩气、或氮气储罐，5万立方米/h制氧机组和1万立方米/h制氧机组制氧流程为常温分子筛吸附、增压透平膨胀机形式，11万立方米Λ制氧机组和15万立方米/h制氧机组制氧流程为填料上塔、全精馏、无氢制氧形式；制氧机有热量回收装置，热量用于加热、热水、驱动热泵；每台制氧机组都有信息通信/电力调度部与电网调度部连接，信息通信/电力调度部与制氧机组控制部通过有线电性连接，控制部通过信息通信部接受电网调度控制，信息通信部与电网调度部同时通过有线和无线电性连接，采用有线和无线宽带通信技术，电网调度可以通过网络自动控制技术的自动实时控制[AGC]实时控制各个制氧机组；当电网用电负荷减少时，按现有电网调度方法至少有一台发电机组需要降低运行负荷，根据发电机组按电网调度需改变运行状态，优先选择保持发电机组运行功率不变，同时启动相应数量的制氧机组，制氧机组实际运行的数量根据现有电网调度同时段用电负荷容量减少的数量确定，相应的发电机组保持在现有运行功率不变，超出电网调度允许的发电容量用于制氧机组运行；对于电网用电负荷的波动，膜法型制氧机组优先于低温型制氧机中用于调节负荷。对于若已有制氧机组运行时，当电网用电负荷变化时，优先调整制氧机组运行负荷，其次选择关停或开启制氧机组运行，最后选择降低发电机组负荷。其余可以根据现有技术设计选择使用。
[0038]具体实施例3、发电厂有一个及以上个发电机组，发电机组全部运行于经济运行功率；超出电网调度允许的发电容量用于运行相应数量的气体分离装置，气体分离装置为制氧机组，制氧机为氧气和氮气制氧机，制氧机组分别为11万立方米/h制氧机组的用电负荷至少为4.07万kw、15万立方米/h制氧机组的用电负荷至少为5.55万kw、5万立方米/h制氧机组的用电负荷大约为2.2万kw、4500立方米/h膜法制氧机组、1万立方米/h制氧机组的用电负荷大约为0.43万kw，1万立方米/h制氧机组为吸附型制氧机组；制氧机组包括主机和辅机；制氧机组各自有控制部、信息通信/电力调度部和传感器部，控制部通过信息通信/电力调度部接受电网控制，传感器部与控制部和信息通信/电力调度部分别通过有线和无线电性连接，制氧机有公共的氧气和氮气储罐，5万立方米/h制氧机组和1万立方米/h制氧机组制氧流程为常温分子筛吸附、增压透平膨胀机形式，11万立方米/h制氧机组和15万立方米/h制氧机组制氧流程为填料上塔、全精馏、无氢制氧形式；每台制氧机组都有信息通信部分别与电厂或电网调度部电性连接，信息通信/电力调度部与制氧机组控制部通过有线电性连接，信息通信/电力调度部与电厂或电网调度部同时通过有线和无线电性连接，采用有线和无线宽带通信技术，电厂调度可以通过网络自动控制技术实时控制各个制氧机组；当电网用电负荷减小时，首先选择至少一台发电机组保持发电机组运行负荷不变，同时电网调度按照电网储能装置调度方法调节制氧机组运行功率，其次选择关停至少一台制氧机组；当电网用电负荷一定时，若至少有一台处于低负荷率发电机组主动提高发电负荷时，首先可根据发电机组主动提高发电负荷后超出电网允许发电电量数量用于调节相应数量制氧机组的运行功率，次之开启相应数量的气体分离机组。其余可以根据现有技术设计选择使用。
【权利要求】
1.一种提高发电效率及气体分离的方法，包括发电机组和气体分离机组，其主要特征是至少有一台发电机组处于非经济负荷运行状态、或需要按照电网调度改变运行状态、或两种状态组合；气体分离机组系统有与电网或电厂调度联系的信息通信部，气体分离机组至少接受电厂、或电网、或两者组合调度，调度包括信息和命令；使至少有一台不按电网调度运行的发电机组将超出电网调度允许其发电数量的电能，用于相应数量的非发电机组辅机型的气体分离机组运行，使电网负荷平衡，同时采用物理分离法分离气体。
2.根据权利要求1所述提高发电效率及气体分离的方法，其特征是发电机组运行功率变化，包括发电机组运行功率主动变化、或被动变化、或两者组合。
3.根据权利要求1所述提高发电效率及气体分离的方法，其特征是首先根据现有气体分离机组总的可用功率数量，依据电网调度允许发电机组的运行状态，计算发电机组不同运行状态产生的多余电量和气体分离机组相应运行状态所需用的电量数量的匹配状态，t匕较发电机组和气体分离机组不同匹配运行状态获得的综合效益并选择确定最优运行方案。
4.根据权利要求1所述提高发电效率及气体分离的方法，其特征是电网或电厂调度按储能装置调度方法调度气体分离机组系统运行。
5.根据权利要求1所述提高发电效率及气体分离的方法，其特征是分离的气体分别为天然气、或液化石油气、或煤制气、或煤层气、或沼气、或二甲醚、或可燃冰、或任意两者及以上种组合。
6.一种根据权利要求1-5任一所述方法的气体分离系统，包括一个及以上个气体分离机组及与其配合的一个及以上个控制部、一个及以上个连接部，连接部包括电性连接和管路连接、一个及以上个信息通信部，信息通信部与气体分离机组控制部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接；其主要特征是至少有一台气体分离机组用于平衡电网用电负荷变化，气体分离机组信息通信部与电网或电厂调度部分别通过有线、或无线、或其组合，至少其中一种方式电性连接。
7.根据权利要求6所述方法的气体分离系统，其特征是气体分离机组信息通信部负责气体分离机组系统与电网或电厂的通讯、控制及反馈；信息通信部与电网或电厂调度部分别通过语音、或数据、或其组合，至少其中一种通讯方式接受电网调度控制。
8.根据权利要求6所述方法的气体分离系统，其特征是气体分离机组信息通信部可以通过人工、或自动、或两者组合输入控制信息。
9.根据权利要求6所述方法的气体分离系统，其特征是电网或电厂调度分别通过实时自动控制、或人工、或其组合，至少其中一种方式控制气体分离机组。
10.根据权利要求6所述方法的气体分离系统，其特征是气体分离机组为制氧机组，制氧机组分别为单制氧机、或制氧和氮气机、或制氧、氮和氩机、或全提取制氧机、或四者中任意两种及以上种组合，至少其中一种。
【文档编号】H02J3/46GK103683336SQ201310587041
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2012年11月22日
【发明者】杨俊新 申请人:杨俊新