可靈活操作的發(fā)電裝置及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對的是發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置具有大型蒸汽發(fā)生器，該大型蒸汽發(fā)生器配備了燃燒碳的燃燒器和/或燃氣渦輪機，并具有包含至少一個蒸汽-充入的汽輪發(fā)電機的相連的水/蒸汽回路，該蒸汽-充入的汽輪發(fā)電機具有至少一個相連的發(fā)電機，其中，在配備了燃燒碳的燃燒器的大型蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生含⑶2廢氣流;并且發(fā)電裝置包含用于生產(chǎn)富CO2氣流的至少一個單元;發(fā)電裝置通過該裝置的包含至少一個發(fā)電機的發(fā)電組件連接至提供控制權(quán)的公共電網(wǎng)，其中，發(fā)電組件向電網(wǎng)的電力釋放接受在電網(wǎng)側(cè)的電力控制，特別是接受初級控制和/或二級控制和/或三級控制和/或四級控制。本發(fā)明進一步針對的是靈活操作此類發(fā)電裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于可再生能源的增加和更高優(yōu)先級的輸入，發(fā)電裝置目前失去了生產(chǎn)并向電網(wǎng)中輸入電力的寶貴時期，因為如果相應(yīng)的可再生能源高供給，則它們不得不被調(diào)低。這影響了發(fā)電裝置的經(jīng)濟可行性，因為從生產(chǎn)的角度來看，可售的電力要少于可生產(chǎn)的電力。同時，不得不對發(fā)電裝置進行操作以向電網(wǎng)提供服務(wù)，而無需耗費或適當?shù)刂Ц蹲钚‰娏斎?，因為當電網(wǎng)上存在過剩電力時，市場上的電力價格將低于發(fā)電的邊際成本。出于這個原因以及可再生能源的節(jié)流，工業(yè)裝置中的需求側(cè)管理以及大型太陽能發(fā)電裝置和風電場的節(jié)流目前已被用于電網(wǎng)穩(wěn)定。
[0003]由于電力供給中的升高比例的可再生能源，經(jīng)常出現(xiàn)可用的熱力發(fā)電裝置必須大幅降低它們的負荷的情況，因為可再生能源具有輸入的優(yōu)選權(quán)。這減少了來自熱力發(fā)電裝置的年度電力銷售。此外，電力的局部生產(chǎn)過剩已引起市場上的電力價格的下降，這降低了此類常規(guī)發(fā)電裝置的收入至無法生存的程度。
[0004]通過如下事實另外加重了生產(chǎn)過剩:雖然電網(wǎng)仍不斷地對熱力發(fā)電裝置有所需求，例如用于初級控制，但對于電力生產(chǎn)而言，熱力發(fā)電裝置在它們的功率或負荷調(diào)節(jié)方面受到了所謂的最小負荷的限制，所述最小負荷出于技術(shù)原因而存在。例如，在大型褐煤發(fā)電裝置的情況下，這種最小負荷為標稱輸出的30%_50%，并且在硬燃煤發(fā)電裝置的情況下，這種最小負荷為標稱輸出的15%_30%。因此，該發(fā)電裝置對電網(wǎng)穩(wěn)定提供服務(wù)，但由于過低的市場價格而導(dǎo)致電力輸入賠錢。
[0005]這里為了提供補救，已知“電力轉(zhuǎn)熱”的應(yīng)用，其中，將過剩電力用于電熱水或蒸汽發(fā)生器。這可直接儲存在住宅建筑的加熱系統(tǒng)或發(fā)電裝置的大型熱儲存裝置中，以用于以后的集中供熱供給。這種應(yīng)用具有非常低的基本投資的優(yōu)勢。其缺點在于，由于熱量損失，僅能夠至多數(shù)天的短的儲存時間。此外，在該方法中，由電力以低放射本能(exergy)水平產(chǎn)生熱，而電力為高價值能量形式(純的放射本能)。
[0006]靈活化和降低發(fā)電裝置中的最小負荷的另一可能途徑是將所生成的熱能直接儲存在發(fā)電裝置的蒸汽回路中。這可在發(fā)電裝置的蒸汽回路中的所謂的Ruths蓄積器中以蒸汽形式完成。然而，能量的可儲存量和儲存時間相當?shù)?，尤其是低?0分鐘。
[0007]另一備選的可能是在發(fā)電裝置的蒸汽回路的預(yù)熱區(qū)中以熱水的形式儲存熱量。但是這里，能源的可儲存量也很小。另一備選是在相對高的溫度下以熱液態(tài)鹽(溫度變化)的形式、或者作為鹽或其它固體的相變能儲存熱量。然而這里，這些系統(tǒng)均未經(jīng)測試，并且均難以實施。
[0008]存在以在所謂的燃料氣化裝置中隨后制備的氫氣和/或甲烷和/或化學轉(zhuǎn)化產(chǎn)物制備合成氣的實際知識，其還可被關(guān)聯(lián)至給出用于發(fā)電的合適結(jié)構(gòu)的燃氣渦輪機發(fā)電裝置。然而，這些“整合的氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)”裝置相當復(fù)雜、昂貴且不靈活。具體而言，由于必須存在的組件(例如氣體純化/氣體加工操作或CO2分離)也是遲滯的工藝和裝置，該“整合的氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)”裝置在電力生產(chǎn)與化學品生產(chǎn)(如甲醇)的操作模式之間、并在所使用的燃料以及燃料氣化器之間的切換緩慢。此外，如果單個工藝的技術(shù)特性或所需的可用性并不會在實際上使高度動態(tài)的操作完全不可能，則在此類裝置的動態(tài)操作中裝置利用率降低。此外，在這些工藝中，基于來源于燃料的碳制備的化學轉(zhuǎn)化產(chǎn)物通過直接化學途徑生產(chǎn)，這通常會引起較高的碳轉(zhuǎn)化效率，并因此還會引起較高的能量轉(zhuǎn)化水平。例如，可將尚達多于50%的燃料碳轉(zhuǎn)化為甲燒廣品。但是同時，每kWeI裝機功率的基本投資尚于標準熱力發(fā)電裝置的50%-100%。此外，全世界只有極少數(shù)的IGCC裝置。由于這些原因，迄今為止，僅在以下情況全局使用燃料氣化，其中，在以基本負荷操作有效運行的裝置中，由固體含碳燃料(通常為煤)生產(chǎn)高價值化學產(chǎn)品，例如燃料或肥料。
[0009]還已知⑶^^是溫室氣體之一，而溫室氣體被認為是全球氣候變暖的原因之一。因此，存在眾多的環(huán)境政策和技術(shù)努力以減少CO2的排放。這些構(gòu)思中的一種關(guān)注通過將0)2轉(zhuǎn)化為甲燒氣體而儲存⑶2，例如，在論文“New technologies for separat1n,fixat1nand convers1n of carbon d1xide to mitigate global warming”(Hitachi，Vol.42(1993)，N0.6，第255-260頁)中進行了描述。在這一情況下，將化石燃料燃燒期間形成的CO2從煙氣中分離出并送去甲烷化，其中，形成合成的天然氣(甲烷)。甲烷化是將一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化成甲烷(CH4)的化學反應(yīng)。二氧化碳生成甲烷的反應(yīng)也被稱為Sabatier工藝，該工藝由Paul Sabatier和J.B.Sender sens在1902年發(fā)現(xiàn)。在該反應(yīng)中，一氧化碳或二氧化碳在300°C_700°C的溫度下與氫氣反應(yīng)生成甲烷和水。該反應(yīng)是放熱的，但需要通過催化劑促進。
[0010]此外，關(guān)于依靠風力或太陽能的可再生能源發(fā)電，會出現(xiàn)頻繁地將超過當前所需的過多電力輸送至電網(wǎng)的問題。這將導(dǎo)致大量的“過剩電力”，必須將其消耗或儲存以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定。甚至，獨立于將由可再生能源產(chǎn)生的電力輸送至電網(wǎng)，所出現(xiàn)的基本問題為如果需要如何能夠?qū)λa(chǎn)生的電力進行存儲，以能夠在任何期望的時間點使用該能量。
[0011 ]就此而言，發(fā)現(xiàn)“電能轉(zhuǎn)氣”的構(gòu)思是有利的，其中，以甲烷化的方式對能量進行化學轉(zhuǎn)化并儲存為甲烷(CH4)。在這一情況下，尤其是以電解的方式產(chǎn)生形成甲烷所需的氫氣，其從可再生能源(例如風力渦輪機或太陽能電池)獲得所需的電力。CO2或CO的可能來源為來自發(fā)電裝置或工業(yè)裝置的經(jīng)加工的煙氣流，其中，含碳燃料或含碳原料被轉(zhuǎn)化成含CO2或含CO的氣氛。
[0012]“電能轉(zhuǎn)氣”構(gòu)思是長期儲存能量并避免CO2直接排放到大氣中的可行的方法，這是因為在甲烷化中形成的甲烷(CH4)產(chǎn)品能夠長期作為合成天然氣儲存在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施(管道、天然氣倉儲)中數(shù)個月。可通過電解制備氫氣。或者，氫氣還可源自其它可選的來源。CO2可源自從富CO2流中的分離，例如來自發(fā)電裝置的煙氣流。在甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器中，通過合成將以這一方式獲得的出和0)2組分轉(zhuǎn)化為H2O和CH4。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供如下方案，該方案提供了燃燒含碳燃料的發(fā)電裝置的靈活的運行方式或操作模式，并且該方案尤其是使得能夠及時將發(fā)電裝置的輸出調(diào)整至電網(wǎng)側(cè)的電力需求。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，通過具有權(quán)利要求1的特征的發(fā)電裝置以及權(quán)利要求16中所請求保護的操作此類發(fā)電裝置的方法實現(xiàn)了這一目的。
[0015]本發(fā)明的有利發(fā)展和合適的配置是特定從屬權(quán)利要求的主題。
[0016]由此，以在開始詳細指定類型的發(fā)電裝置實現(xiàn)上述目的，其中，該發(fā)電裝置包含用于制備氫氣的至少一個電解裝置、以及用于由富CO2氣流的至少CO2組分和在電解裝置中生產(chǎn)的氫氣制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的至少一個合成裝置，并且其中，就傳導(dǎo)而言，用于生產(chǎn)富CO2氣流的至少一個單元、用于制備氫氣(H2)的至少一個電解裝置、以及用于由富CO2氣流的至少CO2組分和在電解裝置中生產(chǎn)的氫氣制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的至少一個合成裝置借助于電流傳導(dǎo)和介質(zhì)傳導(dǎo)管線以使得在發(fā)電裝置的操作過程中在發(fā)電裝置側(cè)生成的電力可根據(jù)需要全部或部分用來操作由如下所組成的單元和裝置的組中的一個、多于一個或全部的方式在物理學上和電學上彼此相連:用于生產(chǎn)富C02氣流的至少一個單元、用于制備氫氣(H2)的至少一個電解裝置、以及用于制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的至少一個合成裝置。
[0017]在對權(quán)利要求1-15中任一項所請求保護的發(fā)電裝置進行靈活操作的方法中，實現(xiàn)了上述目的，其中，就傳導(dǎo)而言，用于生產(chǎn)富CO2氣流的至少一個單元、用于制備氫氣(H2)的至少一個電解裝置以及用于由富CO2氣流的至少CO2組分和在電解裝置中產(chǎn)生的氫氣制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的至少一個合成裝置通過電流傳導(dǎo)和介質(zhì)傳導(dǎo)管線在物理學上和電學上彼此相連，從而使在發(fā)電裝置的操作過程中在發(fā)電裝置側(cè)生成的電力根據(jù)需要全部或部分用來操作由如下所組成的單元和裝置的組中的一個、多于一個或全部:用于生產(chǎn)富CO2氣流的單元、用于制備氫氣(H2)的電解裝置、以及用于制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的合成
目.ο
[0018]在第一方面，本發(fā)明的出發(fā)點是通過整合富CO2氣流的生產(chǎn)(特別是CO2分離)、產(chǎn)氫氣電解以及制備甲醇和/或甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物(例如二甲醚(DME)或汽油)的化學合成，使燃燒含碳燃料的發(fā)電裝置靈活化。
[0019]在本文中，靈活化被理解為是指發(fā)電裝置不僅(常規(guī)地)產(chǎn)生電力產(chǎn)品以及對電網(wǎng)的服務(wù)(例如初級控制和二級控制)，而且還生產(chǎn)了另外的產(chǎn)品(例如甲醇、DME、汽油或者用于化工或石化行業(yè)或運輸行業(yè)的其它原料)。除此之外，還存在需求側(cè)管理的產(chǎn)品(即，通過降低工藝電力需求而使得能夠降低電網(wǎng)負荷)。
[0020]此外，靈活化被理解為是指此類方法的組合可進一步降低發(fā)電裝置或發(fā)電裝置站點的最少供給，并且可將其降低到負值而不必關(guān)閉發(fā)電裝置。盡管在電網(wǎng)上具有足夠的可用的電力生產(chǎn)器(例如可再生發(fā)電機)，當發(fā)電裝置仍然保持連接至電網(wǎng)以用于電網(wǎng)控制和穩(wěn)定時(否則將不得不削減發(fā)電裝置)，這特別有利。
[0021]本發(fā)明涵蓋發(fā)電裝置，其中，用含碳的生物源可再生原料、硬煤、褐煤、來自工業(yè)的含碳廢棄材料、含碳氣態(tài)燃料(如天然氣、沼氣或含碳氣體(例如來自化工行業(yè)或鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)物氣體)的混合物)操作燃燒碳的燃燒器。可將本發(fā)明用于蒸汽發(fā)電裝置中，其中，燃料在蒸汽發(fā)生器、或者液態(tài)或氣態(tài)含碳燃料在其中燃燒的燃氣渦輪機裝置或燃氣發(fā)動機、或者這些發(fā)電裝置(例如燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機發(fā)電裝置)的組合(稱為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置)中燃燒。還可將本發(fā)明應(yīng)用于來自水泥爐、造紙行業(yè)和其它燃燒工藝中的裝置的廢氣，條件是相應(yīng)的裝置/設(shè)施包含下游的蒸汽產(chǎn)生和蒸汽渦輪機以利用至少一些用于發(fā)電的廢熱。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，如果通過內(nèi)部使用在“電力轉(zhuǎn)燃料”(PtF)工藝中在發(fā)電裝置側(cè)生成的電力或甚至是來自電網(wǎng)的過剩電力而進一步降低發(fā)電裝置的發(fā)電裝置最小負荷，則可能在電力的幫助下在水電解中(或者可替代地通過氯堿電解)制備氫氣(H2)以及另外從煙氣中分離出二氧化碳(Co2)，從而進一步降低了電力生成。根據(jù)本發(fā)明，將這種COdra2通過催化工藝用于化學合成中以制備甲醇，例如可隨后對甲醇進行進一步處理。