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一种零或近零碳储能电站及其储能、释能方法

申请号 CN202410151797.9 申请日 2024-02-02 公开(公告)号 CN117996800A 公开(公告)日 2024-05-07
申请人 西安热工研究院有限公司; 发明人 邵帅; 肖俊峰; 胡孟起; 夏林; 鲁博辉;
摘要 本 发明 公开了一种零 碳 或近零碳储能电站,包括 可再生 能源 发电系统、储热系统、换热系统、燃气发电系统、 生物 质 气化 系统以及 电解 制氢系统;燃气发电系统包括 燃气轮机 ,电解制氢系统以及生物质气化系统与燃气轮机的 燃烧室 连通设置;换热系统与储热系统连通设置;换热系统与燃气轮机透平烟气出口连通设置; 可再生能源 发电系统与换热系统电连接设置;可再生能源发电系统、燃气发电系统以及储热系统均电连接至供 电网 络。本发明将可将富余可再生能源消纳为 热能 、氢能以及可燃气体能源,通 过热 储能带动 汽轮机 运行以及可燃气体能源、氢能带动燃气轮机运行,填补 风 电、光伏等可再生能源发电系统之外的残余负荷。
权利要求

1.一种零或近零碳储能电站,其特征在于,包括可再生能源发电系统、储热系统、换热系统、燃气发电系统、生物气化系统以及电解制氢系统;
所述燃气发电系统包括燃气轮机,所述电解制氢系统以及所述生物质气化系统与所述燃气轮机的燃烧室连通设置;
所述换热系统与所述储热系统连通设置,以使对储热系统的传热介质进行换热储能;
所述换热系统与所述燃气轮机透平烟气出口连通设置,以使高温烟气对储热系统的传热介质进行换热储能;
所述可再生能源发电系统与所述换热系统电连接设置,以使富余电对储热系统的传热介质进行换热储能;
所述可再生能源发电系统、所述燃气发电系统以及所述储热系统均电连接至供电网络。
2.如权利要求1所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述换热系统包括与所述储热系统连接的热流管道和冷流管道,在所述热流管道和冷流管道之间设置有多个换热部件,包括:与所述可再生能源发电系统电连接的电加热装置、与所述燃气轮机透平烟气出口管道连通的余热锅炉以及独立设置的生物质直燃锅炉,所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉彼此之间独立设置,且所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉均与所述冷流管道、热流管道连通设置,所述储热系统内的传热介质经冷流管道分别流入所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉进行加热后,再经热流管道流至储热系统。
3.如权利要求2所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述储热系统包括热储罐、冷储罐、蒸汽发生器以及汽轮机,所述热储罐与所述蒸汽发生器之间、所述蒸汽发生器与所述冷储罐之间、所述蒸汽发生器与所述汽轮机之间均管道连接,且在所述热储罐与所述蒸汽发生器之间的管道上设置有释能循环
4.如权利要求2所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉与所述冷流管道连通口处均设置有储能循环泵
5.如权利要求1所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述生物质气化系统包括依次连通设置的生物质气化炉、第一冷凝净化装置以及可燃气体储罐,所述可燃气体储罐与所述燃气轮机的燃烧室连通设置。
6.如权利要求1所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述电解制氢系统包括依次连通设置的电解槽、第二冷凝净化装置以及氢储罐,所述氢储罐与所述燃气轮机的燃烧室连通设置,且所述电解槽与所述可再生能源发电系统电连接设置。
7.如权利要求5所述的一种零碳或近零碳储能电站,其特征在于,所述燃气发电系统还包括与所述燃气轮机燃烧室连通的天然气管道,且所述天然气管道上设置有控制,所述控制阀处于常闭状态,所述可燃气体储罐内气体存储量低于预设值时,所述控制阀打开,以使天然气进入燃气轮机燃烧室。
8.一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、在可再生能源充足情况下,可再生能源发电系统发电上网输送至用户,并在发电负荷高于需求负荷时,将电能输送至换热系统以及电解质氢系统,用于将电能转化为其他形式能源进行储存,可再生生物质资源可输送生物质气化系统转化为可燃气体进行储存;
S2、当用电量增加时,此时需求负荷大于发电负荷,从储热系统的热储罐调用传热介质在蒸汽发生器处换热生成蒸汽,蒸汽带动蒸汽轮机发电上网,补充发电负荷;
S3、当用电量达到顶峰时,此时需求负荷大于可再生能源发电系统发电负荷以及蒸汽轮机发电负荷的总和,将存储的可燃气体以及氢气投入燃气轮机中,启动燃气轮机发电上网,补充发电负荷,且燃气轮机透平产生的高温烟气进入换热系统的余热锅炉内对换热介质进行加热。
9.如权利要求8所述的一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,其特征在于,所述S1中,进行能源储存时具体包括如下步骤:
S11、将电能输送至换热系统,电能输送至电加热装置对从冷储罐流出的传热介质进行加热,加热后的传热介质流至热储罐中;
S12、将富余电力输送至电解制氢系统中,电力输送至电解槽进行制氢作业,生成的氢气经净化后进入氢储罐中存储。
10.如权利要求8所述的一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,其特征在于,所述S2中,当热储罐中传热介质即将达到最低液位时,可启动换热系统中的生物质直燃锅炉补热,维持汽轮机的持续运行。
11.如权利要求8所述的一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,其特征在于,所述S3中,当启动燃气轮机进行发电负荷填补时,燃气轮机优先调用生物质气化系统产生的可燃气体作为燃料,如此时氢储罐尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与生物质气化产生的可燃气体掺烧,此时为零碳发电;
如生物质气化产生的可燃气体不足时,则使用天然气作为燃料,如此时氢储罐尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与天然气掺烧,此时为近零碳发电。

说明书全文

一种零或近零碳储能电站及其储能、释能方法

技术领域

[0001] 本发明涉及储能技术领域,尤其涉及一种零碳或近零碳储能电站及其储能、释能方法。

背景技术

[0002] 随着能源低碳转型,大型可再生能源得到了快速发展,可再生能源在电网中的渗透比例逐年提高。在不久的将来,可再生能源在电供应中将逐渐占据主导地位,供需之间产生的残余负荷由传统发电模式弥补,因此燃气‑蒸汽联合循环机组将面临更为严峻的电力辅助服务需求以及运行小时数不足的问题。通过将风电、光伏发电系统以及生物质制气、生物质直燃、电解制氢、热储能等技术与燃气‑蒸汽联合循环系统耦合,一方面可以发挥对可再生能源的消纳作用,另一方面可以提高联合循环系统的运行灵活性,实现燃气轮机运行的零碳或近零碳化,该方法可充分利用已有燃气‑蒸汽联合循环系统的旧有设备,可低成本实现全面可再生能源供给。

发明内容

[0003] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0004] 为达到上述目的,本发明提出了一种零碳或近零碳储能电站,包括可再生能源发电系统、储热系统、换热系统、燃气发电系统、生物质气化系统以及电解制氢系统;
[0005] 所述燃气发电系统包括燃气轮机,所述电解制氢系统以及所述生物质气化系统与所述燃气轮机的燃烧室连通设置;
[0006] 所述换热系统与所述储热系统连通设置,以使对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0007] 所述换热系统与所述燃气轮机透平烟气出口连通设置,以使高温烟气对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0008] 所述可再生能源发电系统与所述换热系统电连接设置,以使富余电力对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0009] 所述可再生能源发电系统、所述燃气发电系统以及所述储热系统均电连接至供电网络。
[0010] 本发明将可再生能源发电系统,以及生物质制气、生物质直燃、电解制氢、热储能等技术与燃气发电系统集成,可将富余可再生能源消纳为热能、氢能以及可燃气体能源,通过热储能带动汽轮机运行以及可燃气体能源、氢能带动燃气轮机运行,填补风电、光伏等可再生能源发电系统之外的残余负荷。
[0011] 可选地,所述换热系统包括与所述储热系统连接的热流管道和冷流管道,在所述热流管道和冷流管道之间设置有多个换热部件,包括:与所述可再生能源发电系统电连接的电加热装置、与所述燃气轮机透平烟气出口管道连通的余热锅炉以及独立设置的生物质直燃锅炉,所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉彼此之间独立设置,且所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉均与所述冷流管道、热流管道连通设置,所述储热系统内的传热介质经冷流管道分别流入所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉进行加热后,再经热流管道流至储热系统。
[0012] 进一步地,所述储热系统包括热储罐、冷储罐、蒸汽发生器以及汽轮机,所述热储罐与所述蒸汽发生器之间、所述蒸汽发生器与所述冷储罐之间、所述蒸汽发生器与所述汽轮机之间均管道连接,且在所述热储罐与所述蒸汽发生器之间的管道上设置有释能循环
[0013] 进一步地,所述电加热装置、余热锅炉以及所述生物质直燃锅炉与所述冷流管道连通口处均设置有储能循环泵
[0014] 进一步地,所述生物质气化系统包括依次连通设置的生物质气化炉、第一冷凝净化装置以及可燃气体储罐,所述可燃气体储罐与所述燃气轮机的燃烧室连通设置。
[0015] 进一步地,所述电解制氢系统包括依次连通设置的电解槽、第二冷凝净化装置以及氢储罐,所述氢储罐与所述燃气轮机的燃烧室连通设置,且所述电解槽与所述可再生能源发电系统电连接设置。
[0016] 进一步地,所述燃气发电系统还包括与所述燃气轮机燃烧室连通的天然气管道,且所述天然气管道上设置有控制,所述控制阀处于常闭状态,所述可燃气体储罐内气体存储量低于预设值时,所述控制阀打开,以使天然气进入燃气轮机燃烧室。
[0017] 本发明还提供一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,包括如下步骤:
[0018] S1、在可再生能源充足情况下,可再生能源发电系统发电上网输送至用户,并在发电负荷高于需求负荷时,将电能输送至换热系统以及电解制氢系统,用于将电能转化为其他形式能源进行储存,可再生生物质资源可输送生物质气化系统转化为可燃气体进行储存;
[0019] S2、当用电量增加时,此时需求负荷大于发电负荷,从储热系统的热储罐调用传热介质在蒸汽发生器处换热生成蒸汽,蒸汽带动蒸汽轮机发电上网,补充发电负荷;
[0020] S3、当用电量达到顶峰时,此时需求负荷大于可再生能源发电系统发电负荷以及蒸汽轮机发电负荷的总和,将存储的可燃气体以及氢气投入燃气轮机中,启动燃气轮机发电上网,补充发电负荷,且燃气轮机透平产生的高温烟气进入换热系统的余热锅炉内对换热介质进行加热。
[0021] 进一步地,所述S1中,进行能源储存时具体包括如下步骤:
[0022] S11、将电能输送至换热系统,电能输送至电加热装置对从冷储罐流出的传热介质进行加热,加热后的传热介质流至热储罐中;
[0023] S12、将富余电力输送至电解制氢系统中,电力输送至电解槽进行制氢作业,生成的氢气经净化后进入氢储罐中存储。
[0024] 进一步地,所述S2中,当热储罐中传热介质即将达到最低液位时,可启动换热系统中的生物质锅炉补热,维持汽轮机的持续运行。
[0025] 进一步地,所述S3中,当启动燃气轮机进行发电负荷填补时,燃气轮机优先调用生物质气化系统产生的可燃气体作为燃料,如此时氢储罐尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与生物质气化产生的可燃气体掺烧,此时为零碳发电;
[0026] 如生物质气化产生的可燃气体不足时,则使用天然气作为燃料,如此时氢储罐尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与天然气掺烧,此时为近零碳发电。
[0027] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。附图说明
[0028] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
[0029] 图1为根据本发明一种零碳或近零碳储能电站的整体结构示意图;
[0030] 图2是根据本发明一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法的方法步骤示意图;
[0031] 图3是根据本发明一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法的S1步骤示意图。
[0032] 附图标记说明:
[0033] 1、可再生能源发电系统;2、电加热装置;3、生物质直燃锅炉;4、余热锅炉;5a、热储罐;5b、冷储罐;6、蒸汽发生器;7、汽轮机;8、压气机;9、燃烧室;10、透平;11、生物质气化炉;12、第一冷凝净化装置;13、可燃气体储罐;14、电解槽;15、第二冷凝净化装置;16、氢储罐。

具体实施方式

[0034] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
[0035] 本发明提供一种零碳或近零碳储能电站,以下参照图1进行详细阐述。
[0036] 一种零碳或近零碳储能电站,包括可再生能源发电系统1、储热系统、换热系统、燃气发电系统、生物质气化系统以及电解制氢系统;
[0037] 燃气发电系统包括燃气轮机,电解制氢系统以及生物质气化系统与燃气轮机的燃烧室9连通设置;
[0038] 换热系统与储热系统连通设置,以使对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0039] 换热系统与燃气轮机透平10烟气出口连通设置,以使高温烟气对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0040] 可再生能源发电系统1与换热系统电连接设置,以使富余电力对储热系统的传热介质进行换热储能;
[0041] 可再生能源发电系统1、燃气发电系统以及储热系统均电连接至供电网络。
[0042] 可再生能源发电系统1包括力发电系统、风力发电系统、生物质发电系统、太阳能发电系统、海洋能发电系统和地热能发电系统中的一种或多种组合,在一些实施例中,为了普遍适用于多种地形,可再生能源发电系统1选用风力发电系统和太阳能发电系统中的一种或组合。
[0043] 本发明将可再生能源发电系统1,以及生物质制气、生物质直燃、电解制氢、热储能等技术与燃气发电系统集成,可将富余可再生能源消纳为热能、氢能以及可燃气体能源,通过热储能带动汽轮机7运行以及可燃气体能源、氢能带动燃气轮机运行,填补风电、光伏等可再生能源发电系统1之外的残余负荷。
[0044] 在一些实施例中,换热系统包括与储热系统连接的热流管道和冷流管道,在热流管道和冷流管道之间设置有多个换热部件,包括:与可再生能源发电系统1电连接的电加热装置2、与燃气轮机透平10烟气出口管道连通的余热锅炉4以及独立设置的生物质直燃锅炉3。
[0045] 电加热装置2、余热锅炉4以及生物质直燃锅炉3彼此之间独立设置,且电加热装置2、余热锅炉4以及生物质直燃锅炉3均与冷流管道、热流管道连通设置,储热系统内的传热介质经冷流管道分别流入电加热装置2、余热锅炉4以及生物质直燃锅炉3进行加热后,再经热流管道流至储热系统。且为了保证换热介质可以正常进入电加热装置2、余热锅炉4以及生物质直燃锅炉3中,在电加热装置2、余热锅炉4以及生物质直燃锅炉3与冷流管道连通口处均设置有储能循环泵。
[0046] 在一些实施例中,储热系统包括热储罐5a、冷储罐5b、蒸汽发生器6以及汽轮机7,热储罐5a与蒸汽发生器6之间、蒸汽发生器6与冷储罐5b之间、蒸汽发生器6与汽轮机7之间均管道连接,且在热储罐5a与蒸汽发生器6之间的管道上设置有释能循环泵。
[0047] 当进行储热系统的释能阶段时,热储罐5a中的换热介质流出至蒸汽发生器6中,在蒸汽发生器6中进行换热产生大量蒸汽,蒸汽带动蒸汽轮机7工作产生大量电力供给至电网,水蒸气经过蒸汽轮机7后经冷凝净化后再次回到蒸汽发生器6中,换热介质在蒸汽发生器6中进行换热后温度降低进入冷储罐5b中,以待储热系统进行储能阶段;
[0048] 当进行储能阶段时,冷储罐5b中的换热介质流出至换热系统中的各个换热部件中,将换热介质温度升高后回流至热储罐5a中,从而完成对其他能源转换为热能的形式并存储至热储罐5a中,完成储能过程。
[0049] 在一些实施例中,生物质气化系统包括依次连通设置的生物质气化炉11、第一冷凝净化装置12以及可燃气体储罐13,可燃气体储罐13与燃气轮机的燃烧室9连通设置。当可再生资源富余时,可送入生物质气化系统,生成大量可燃气体,可燃气体经净化后存储至可燃气体储罐13中。
[0050] 在一些实施例中,电解制氢系统包括依次连通设置的电解槽14、第二冷凝净化装置15以及氢储罐16,氢储罐16与燃气轮机的燃烧室9连通设置,且电解槽14与可再生能源发电系统1电连接设置。当可再生能源发电系统1产生的富余电力对换热系统供电,并且热储罐5a储满传热介质后,将可再生能源发电系统1产生富余电力输送至电解制氢系统中,电力输送至电解槽14进行制氢作业,生成的氢气经净化后进入氢储罐16中存储。
[0051] 且在一些实施例中,燃气发电系统还包括与燃气轮机燃烧室9连通的天然气管道,且天然气管道上设置有控制阀,控制阀处于常闭状态,可燃气体储罐13内气体存储量低于预设值时,控制阀打开,以使天然气进入燃气轮机燃烧室9。
[0052] 当储能电站完全不使用天然气带动燃气轮机进行发电时,该储能电站为零碳储能电站,当储能电站使用天然气带动燃气轮机进行发电时,该储能电站为近零碳储能电站。
[0053] 为了进一步提高可再生能源的消纳能力,并实现燃气‑蒸汽联合循环的零碳或近零碳运行,本发明通过将风电、光伏等可再生能源发电系统1,以及生物质制气、生物质直燃、电解制氢、热储能等技术与燃气发电系统集成,以发电、光伏发电优先供应用户需求,当供大于求时,可将富余电能转化为热能或氢能加以存储;当供不应求时,可优先使用热储能驱动汽轮机7发电进行补充,在热储能即将耗尽时,可通过生物质直燃进行补充维持汽轮机7正常运行;若仍存在供应紧缺,可启动燃气轮机进行补充,燃气轮机优先消耗生物质制气与氢气,从而实现零碳运行,在生物质制气与氢气不足时,仍可少量燃烧天然气,实现近零碳运行。
[0054] 本申请还提供一种零碳或近零碳储能电站的储能、释能方法,参照图2和图3,包括如下步骤:
[0055] S1、在可再生能源充足情况下,可再生能源发电系统发电上网输送至用户,并在发电负荷高于需求负荷时,将电能输送至换热系统以及电解质氢系统,用于将电能转化为其他形式能源进行储存,可再生生物质资源可输送生物质气化系统转化为可燃气体进行储存;
[0056] S2、当用电量增加时,此时需求负荷大于发电负荷,从储热系统的热储罐5a调用传热介质在蒸汽发生器6处换热生成蒸汽,蒸汽带动蒸汽轮机7发电上网,补充发电负荷;
[0057] S3、当用电量达到顶峰时,此时需求负荷大于可再生能源发电系统1发电负荷以及蒸汽轮机7发电负荷的总和,将存储的可燃气体以及氢气投入燃气轮机中,启动燃气轮机发电上网,补充发电负荷,且燃气轮机透平10产生的高温烟气进入换热系统的余热锅炉4内对换热介质进行加热。
[0058] 在一些实施例中,S1中,进行能源储存时具体包括如下步骤:
[0059] S11、将电能输送至换热系统,电能输送至电加热装置2对从冷储罐5b流出的传热介质进行加热,加热后的传热介质流至热储罐5a中;
[0060] S12、将富余电力输送至电解制氢系统中,电力输送至电解槽14进行制氢作业,生成的氢气经净化后进入氢储罐16中存储。
[0061] 在一些实施例中,S2中,当热储罐5a中传热介质即将达到最低液位时,可启动换热系统中的生物质直燃锅炉补热,维持汽轮机7的持续运行。
[0062] 在一些实施例中,S3中,当启动燃气轮机进行发电负荷填补时,燃气轮机优先调用生物质气化系统产生的可燃气体作为燃料,如此时氢储罐16尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与生物质气化产生的可燃气体掺烧,此时为零碳发电;
[0063] 如生物质气化产生的可燃气体不足时,则使用天然气作为燃料,如此时氢储罐16尚有储存氢气,则调用一定比例的氢气与天然气掺烧,此时为近零碳发电。
[0064] 本发明将风电、光伏等可再生能源发电系统,以及生物质制气、生物质直燃、电解制氢、热储能等技术与燃气发电系统集成,可将富余可再生能源消纳为热能,通过热储能带动汽轮机运行,填补风电、光伏等可再生能源发电系统之外的残余负荷。还可将富余可再生能源消纳为氢能,驱动燃气轮机填补残余负荷。进一步地,还可利用生物质直燃,在储热系统储能不足时进行补充,维持汽轮机地正常运行。并且可以利用生物质制气,为燃气轮机提供燃料,从而实现联合循环的零碳或近零碳运行。
[0065] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066] 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至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
[0067] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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