一种基于深海海上发电的甲醇合成运输系统及其工作方法与流程

本发明涉及海上发电，尤其涉及一种基于深海海上发电的甲醇合成运输系统及其工作方法。

背景技术：

1、随着全球对可再生能源需求的日益增长，海上风电作为一种清洁、高效的能源形式，其开发和利用受到越来越多国家的关注。然而，尽管海上风电场具有巨大的潜力，但其在实际运营中却面临着一系列技术和经济挑战。首先，由于海上风电场通常位于离岸较远的深海区域，其产生的电力输送到陆地电网时，输电网络架构无法支撑大规模、远距离海上风电的传输容量，使得大规模海上风电的传输受容量和距离的双重限制。此外，风能作为一种间歇性能源，其发电量的不稳定性给电网调度带来了额外的挑战，可能需要额外的储能设备或复杂的调度策略来平衡供需。

2、为了克服这些挑战，现有技术将海上风电产生的电能转化为易于储存和运输的燃料，如cn202122930429.9公开的一种海上风电机组制氢储能系统、cn202310215362.1公开的基于海上风电制氢的综合能源系统等，均是将海上风电转化为氢气。但是氢气的运输成本高且存在安全风险，尤其是在其物理性质(如低密度和易燃性)使得其在现有运输系统中难以高效、安全地运输的情况下。氢气的压缩、液化或储存过程需要大量的能源投入，进一步增加了整个能量转换和运输过程的成本。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于深海海上发电的甲醇合成运输系统及其工作方法，通过利用海上发电制备氢气，再利用氢气和二氧化碳合成甲醇，甲醇作为运输介质，具有更高的热值和更好的安全性，能够充分利用现有的化石燃料运输和储存基础设施，不仅有效缓解了大规模海上风电消纳难题，提高了能源的可携带性和运输效率，而且有望显著降低整个海上风电氢气供应链的经济成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于深海海上发电的甲醇合成运输系统，包括依次布置的海水提升淡化装置、电解水制氢装置、氢气压缩装置、甲醇合成装置、甲醇装卸装置和甲醇运输装置；

3、其中，海水提升淡化装置，用于提取海水并淡化；

4、电解水制氢装置，用于利用海上风力发电机组将风能转换为电能并通过电解淡化后的海水制备氢气；

5、氢气压缩装置，用于将产生的氢气进行压缩；

6、甲醇合成装置，用于利用氢气与二氧化碳之间发生反应合成甲醇；

7、甲醇装卸装置，用于将甲醇装载到甲醇运输装置上或者将甲醇从甲醇运输装置上卸载；

8、甲醇运输装置，用于利用船舶将甲醇运输至陆地接收港口。

9、优选的，海水提升淡化装置包括底端与海水连通的提升管、固定于提升管底端的提升泵和与提升管顶端连通的海水淡化器；

10、电解水制氢装置包括质子交换膜电解槽和变压吸附氢气提纯设备，质子交换膜电解槽的入液口与海水淡化器的排水口连通，质子交换膜电解槽的排氢气口与变压吸附氢气提纯设备的输入端连通；

11、氢气压缩装置包括依次与变压吸附氢气提纯设备的输出端依次连通的氢气缓冲罐和氢气压缩机；

12、甲醇合成装置包括依次与氢气压缩机连通的二氧化碳捕集器、二氧化碳压缩机、甲醇合成塔和甲醇储罐；

13、甲醇装卸装置，包括装卸臂和泵送设备，泵送设备用于将甲醇储罐内的甲醇抽至装卸臂，装卸臂用于将甲醇输送至甲醇运输装置上；

14、甲醇运输装置为石油或者化工用船舶。

15、优选的，海水淡化器为反渗透膜。

16、优选的，装卸臂包括依次与泵送设备的输出端连通的金属管、柔性管道连接器和柔性软管。

17、优选的，海水提升淡化装置、电解水制氢装置、氢气压缩装置、甲醇合成装置、甲醇装卸装置和甲醇运输装置均集成于海上制氢平台上。

18、一种基于深海海上发电的甲醇合成运输系统的工作方法，包括以下步骤：

19、s1、海水提升淡化：

20、利用海水提升淡化装置抽取海水，并进行海水淡化；

21、s2、电解制氢：

22、利用海上风力发电机组将风能转换为电能，并通过电解淡化后的海水制备氢气；

23、s3、压缩氢气：

24、利用氢气压缩装置压缩制备的氢气；

25、s4、合成甲醇：

26、基于甲醇合成装置利用氢气与二氧化碳之间发生反应合成甲醇；

27、s5、利用甲醇装卸装置将甲醇装载到甲醇运输装置；

28、s6、利用甲醇运输装置将甲醇运输至陆地接收港口；

29、s7、利用甲醇装卸装置将甲醇运输装置上的甲醇卸载至陆地接收港口。

30、优选的，在步骤s1中，利用提升泵将海水提升至海水淡化器中，过滤海水中的盐分，得到淡化后的海水；

31、在步骤s2中，利用海上风力发电机组获得的电能为质子交换膜电解槽供直流电，将通入质子交换膜电解槽内的淡化后的海水电解得到氢气，并利用变压吸附氢气提纯设备吸附氢气中的杂质气体，获得提纯后的氢气；

32、在步骤s3中，利用氢气缓冲罐调节氢气的流量，并使得氢气以恒定的流量、压力进入氢气压缩机，再利用氢气压缩机提高氢气的压力，使得氢气压力与甲醇所需压力匹配；

33、在步骤s4中，首先利用二氧化碳捕集器中的吸附剂直接捕集空气中的二氧化碳，并在吸附剂饱和后释放二氧化碳至二氧化碳压缩机内，而后利用二氧化碳压缩机将捕捉后的二氧化碳进行压缩，提高二氧化碳压力，并将压缩后的二氧化碳输出至甲醇合成塔内，同时将压缩后的氢气输送至甲醇合成塔内，在甲醇合成塔内，在znzrox固溶体催化剂、5mpa、320℃、2400h-1的条件下，二氧化碳与氢气反应生成甲醇，而后通过精馏分离技术排出水蒸气和甲醇，并将合成的甲醇缓存至甲醇储罐；

34、在步骤s5中，利用泵送设备将甲醇由甲醇储罐中抽出，并经装卸臂将甲醇输送至甲醇运输装置上；

35、在步骤s7中，利用泵送设备将甲醇由甲醇运输装置中抽出，并经装卸臂将甲醇输送至陆地接收港口。

36、优选的，在步骤s6中，考虑船舶航行约束和陆地接收港口装卸时间，以实现甲醇运输成本的最小化，应用如下所示目标函数和约束条件：

37、目标函数公式如下：

38、minc＝cp+ct+cl

39、

40、

41、cl＝lloa·tloa·ηloa+lunl·tunl·ηunl

42、其中，c为氢气合成甲醇的总成本；cp为生产成本；ct为运输成本；cl为装卸成本；cini为初始投资成本；为生产阶段的运行维护成本；cmat为原材料成本；cfue为船舶燃料成本；为运输阶段的运行维护成本；lloa、tloa和ηloa分别为装载的单位成本、时间和效率；lunl、tunl和ηunl分别为卸载的单位成本、时间和效率；

43、约束条件包括生产约束、运输约束和装卸约束，其中生产约束公式如下：

44、

45、其中，为氢气产量；ηp为氢气生产效率；ep为氢气生产能力；mma为合成甲醇的需求；

46、运输约束公式如下：

47、mship≥mma

48、

49、其中，mship为船舶载货量；tvoy为航行时间；d为运输距离；v为船舶航速；w为天气影响系数，0≤w≤1；tmax为最大航行时间；

50、装卸约束公式如下：

51、

52、其中，η为装卸效率；pport为港口作业能力；tport为港口工作时间。

53、本发明具有以下有益效果：

54、通过利用海上发电制备氢气，再利用氢气和二氧化碳合成甲醇，甲醇作为运输介质，具有更高的热值和更好的安全性，能够充分利用现有的化石燃料运输和储存基础设施，不仅有效缓解了大规模海上风电消纳难题，提高了能源的可携带性和运输效率，而且有望显著降低整个海上风电氢气供应链的经济成本。

55、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。