【Carbon Neutrality论文荐读】高林教授团队：动态特性解耦的高效灵活氢-电联产系统

近日，中国科学院工程热物理研究所高林教授团队在Carbon Neutrality上发表了高效灵活的氢-电联产系统集成研究。针对整体煤气化联合循环（IGCC）灵活性差的难题，通过设置合成气储罐以及氢-电联合生产，实现了动态特性差异大单元的解耦，充分发挥化石能源系统的灵活性优势，有助于可再生能源消纳。

文章亮点

1.提出了一种高效、灵活与低碳的煤基氢-电联产系统；

2.研究了合成气储罐的设计容量与各单元的负荷响应速率的关系；

3.通过动态特性差异大的化工与发电单元的解耦，大幅提升系统变负荷速率。

内容简介

在碳中和的目标下，预计到2050年，可再生能源在全球能源中的比例将提高到50%，因此化石燃料电厂在电网调峰中发挥关键作用。整体煤气化联合循环(IGCC)是一种具有广泛应用前景的燃煤发电技术。然而，由于气化炉、净化单元以及发电单元之间的强耦合，燃气轮机的灵活性优势不能充分发挥，无法满足电力的快速响应需求。本文提出了一种集合成气储存、制氢和发电为一体的新型多联产系统。通过合成气存储，可以实现各单元动态特性的解耦，充分利用燃气轮机的灵活性。与常规IGCC系统相比，新系统在不改变原设备动态特性的情况下，负荷变化速率可由0.5%/min提高到3-5%/min。可以通过降低发电单元的爬坡速率或提高气化和制氢单元的负荷变化速率来降低合成气储罐的设计容量。对于生产300MW电力及160000Nm3/h 氢气的联产系统，所需的合成气储罐容量仅约1872 m3。相对于系统内的其他设备（气化炉和余热锅炉等）来说，储罐的占地面积较小，且实现了单元动态特性的解耦，对于提升系统的变负荷能力具有关键作用。

图文导读

随着气候变化带来的环境问题日益突出，减少温室气体排放越来越受到重视。政府间气候变化专门委员会(IPCC)关于全球变暖1.5摄氏度的特别报告强调了在本世纪中叶实现净零排放的重要性。据预测，到2050年，可再生能源的份额将增加到约50%。然而，随着电力部门可再生能源的增加，由于大多数可再生能源的间歇性，电网的安全性和稳定性受到威胁。在中国，2017年甘肃和新疆的弃风率分别为33%和29%，2017年分别降至8%和4%。这是因为大多数火电机组在低负荷下长时间运行。例如，在中国，发电厂的平均利用时长在2021年上半年仅达到约2589小时。

要解决可再生能源对电网的影响，方式之一就是利用传统燃煤电厂调节电力供需不匹配。而传统燃煤电厂的长期低负荷运行会导致电厂生产成本的增加。此外，发电厂的非设计运行往往会导致安全和经济性下降等问题。因此，随着上述可再生能源的增加和燃煤电厂容量的下降，需要安装新的替代调峰系统。本文提出了一种配备合成气储罐的新型氢-电联产系统，并提出了该系统的灵活运行策略。研究了新型调峰系统在调峰过程中的动态特性，考察了各单元的作用。最后，对该系统的风险和经济性进行了进一步分析。

该系统主要由气化、合成气储存、制氢和发电单元组成，如图1所示。煤首先在气化炉中气化产生合成气。然后，合成气通过废热锅炉冷却，并进一步净化，然后将生产的合成气送入合成气储罐。储罐中的一股合成气被送至制氢单元，在制氢单元中，经过水煤气变换和CO2分离过程后制氢。另一股合成气进入发电单元，带动燃气轮机联合循环发电系统发电。从燃气轮机产生的烟气热量经热回收蒸汽发生器(HRSG)循环利用。此外，汽轮机可以为氢气生产单元提供蒸汽，可作为适度调节功率的方法之一。

图1. 新型低碳灵活调峰系统示意图

结论一

通过降低发电单元的爬坡速率，提高气化单元和制氢单元的负荷变化速率，可以减小合成气储罐的规模。

随着电力需求的增加，电力输出增加，储罐内的合成气相应减少。发电爬坡速率越大，调峰过程中消耗的合成气越多。当发电爬坡速率从1%/min提高到3%/min时，合成气储量变化约增加66.7%。但当电力爬坡速率进一步提高到5%/min时，合成气储量变化不明显，说明当电力爬坡速率低于3%时，合成气储量变化对电力爬坡速率更为敏感。在制氢单元也可以发现类似的趋势。随着制氢单元负荷变化速率的增加，所需的合成气储量减少，当负荷变化速率从0.5%/min增加到1.5%/min时，合成气储量变化更为明显。因此，提高制氢单元的响应速度，有利于减少对储罐的依赖，从而降低储罐的设计容量和安装成本。在电力输出下降过程中，随着动力单元爬坡速率的增加，储罐内合成气量迅速增加。制氢单元负荷变化速率的增加可降低储罐的容量要求。

随着气化单元负荷变化率的增大，储罐中合成气储量的变化迅速减小。因此，气化单元的负荷变化率对储罐的设计容量也有很大的影响，从而影响整个系统的投资成本和调峰性能。对于传统的发电厂，所有的设备在同一时间开始响应和稳定。而对于新系统，发电单元的响应时间比制氢单元和气化单元的响应时间短，充分体现了合成气储罐的解耦作用。整个系统的响应时间，即系统响应稳定所需的时间，通常由负荷变化率最低的单元来确定。因此，虽然整个系统的响应时间没有变化，但合成气的储存通过解耦各单元的动态特性，减少了电力输出的响应时间。

结论二

与IGCC系统相比，新系统的负荷变化速率由0.5%/min提高到3-5%/min。动态性能得到了改善，而无需进一步改装特定的单元，如ASU或气化炉，并且可以通过灵活的操作避免不必要的效率损失。这为解决变负荷运行与性能下降的矛盾提供了新的方向。

为了比较新型系统的调峰性能与相同发电规模的IGCC系统的调峰性能，在本文中假设了一个调峰过程来分析该系统在变负荷下的主要参数的变化情况，结果如图2所示。对于新系统，当电力需求下降时，发电单元首先响应，然后增加制氢负荷以消耗罐内的合成气。通过调节气化单元的煤输入量来平衡罐内的合成气储量，使调节后的合成气储量降至初始值。与IGCC相比，多联产系统的负荷变化速率可以满足调峰要求。因此，与IGCC系统相比，部分节能(S1)是由于新系统负荷变化速率的增加。节能的另一部分(S2)是由于负荷变化深度的增加。在此过程中，罐内最大合成气储量小于45000kg。由于安装了合成气储罐，发电单元可以快速响应负荷波动。由于该系统与制氢单元集成，电力输出的实际可变负荷深度也增加了。在长期调峰过程中，新型系统比同等发电规模的IGCC系统节约更多的可再生能源且CO2排放强度低于原有的系统IGCC系统。

图2. 调峰过程中各系统的关键参数(a)各系统的功率输出;(b)多联产系统煤的流量和合成气流量;(c)储气罐的合成气储量;(d)与IGCC系统相比，新系统在可再生能源方面节省的电力)。

结论三

功率输出为300MW，所需的合成气储罐容量仅约1872 m3，在35 bar和25°C。此外，合成气储罐投资仅占总建设成本的6.6%左右。

对系统的各个单元的成本进行了估算，合成气储存条件设置为35 bar, 25℃。如果考虑预储合成气，最大容量将达到约50000 kg合成气，容器容积至少达到1872 m3。新系统的气化单元和燃气轮机联合循环单元分别占总投资成本的28.9%和32.4%。包括水煤气变换、Selexol和变压吸附(PSA)装置在内的制氢单元的占比仅为8.7%。此外，合成气储罐投资约占总建设成本的6.6%。因此，安装一个合成气储罐和制氢单元只增加了大约15.3%的总建设投资(TCI)。虽然新系统的气化规模是参考系统的两倍，但总建设成本仅增加约55%。此外，由于该系统可以更灵活地销售所产生的氢气并调节功率输出，可以回收额外的建设投资成本。

总结展望

最后，作者指出该系统通过对发电单元和制氢单元进行耦合，提高了整体的热力性能，而通过对各单元动态特性进行解耦，又提高了整体动力性能。在一定程度上，解耦和耦合的方法可以整合能源系统，满足未来的能源需求。总体而言，本文提出的系统可以在低碳排放的情况下更加灵活地运行，整合现有技术提高动态性能的方法对于未来低碳能源系统的发展具有重要意义。

原文信息

A flexible hydrogen-electricity coproduction system through the decoupling of units with different dynamic characteristics

作者：

Chaowei Wang, Yanbing Wei & Lin Gao*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-022-00042-4

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-022-00042-4

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通讯作者介绍

高林，中国科学院工程热物理研究所，研究员

研究领域

化工－动力多联产系统、CCUS技术、碳中和能源系统。

个人简介

主要研究方向为化工－动力多联产系统、CCUS技术、碳中和能源系统。在基础研究方面，参与创建燃料化学能梯级利用原理。在能源动力系统集成层面，系统阐述了化工－动力多联产系统集成原则，原创性提出了无合成气成分调整、未反应气适度循环的多联产系统。在能源环境战略研究层面，参与编写多项科技部、基金委与科学院发布的科技发展战略报告，包括参与编制科技部、中科院碳中和技术路线图。主持编写的《中国碳捕集与封存示范和推广路线图》于2015年巴黎联合国气候变化大会上发布。2009年获国家自然科学二等奖“能源动力系统中能的综合梯级利用和CO2控制原理与方法”。截止2020年，在国内外重要学术期刊上发表相关论文100余篇，其中SCI收录50余篇。申请、授权国家发明专利6项。参与编写专著3部。多次受邀作大型国际学术会议特邀报告，包括应国际能源署（IEA）特邀报告，ECOS国际会议大会特邀报告等。国内核心期刊《燃气轮机技术》编委，国际学术期刊Energy-The International Journal、Applied Energy的长期审稿人。

联系方式

E-mail: gaolin@iet.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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