專利名稱：基于lng冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬 于高溫和中低溫熱能回收與動力工程領(lǐng)域，涉及一種基于冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的化石燃料包括煤、石油、天然氣等，其儲量有限，并大多數(shù)以燃燒的方式被利用，這樣不但使得能源利用效率有限從而導致能源的浪費，而且不可避免地產(chǎn)生大量的污染物排放。固體氧化物燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，燃料中的氫借助于電解質(zhì)與空氣中的氧直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)效率的限制，是一種能夠很好地解決化石燃料發(fā)電效率與環(huán)境污染這一矛盾的新型發(fā)電方式。另外，固體氧化物燃料電池的反應溫度較高，通常在1000°c左右，其排放的余熱品位較高，有很大的回收利用空間。因此，采用一種基于LNG(liquefied natural gas,液化天然氣)冷能利用的固體氧化物燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)將燃料電池燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)、有機朗肯循環(huán)和LNG冷能利用進行系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源的利用效率。圖I給出了現(xiàn)有技術(shù)中的一種固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意圖?？諝庖来谓?jīng)過空氣壓縮機I’升壓，氣體加熱器4’升溫，送入固體氧化物燃料電池8，的陰極。同時，燃料經(jīng)過燃料壓縮機2’升壓和氣體加熱器5’預熱；水在水泵3’中加壓，經(jīng)過加熱器6’加熱，與預熱后的燃料在混合器7’中充分混合之后，送入固體氧化物燃料電池8，的陽極。燃料和氧氣在固體氧化物燃料電池8，內(nèi)發(fā)生電化學反應后對外輸出直流電，經(jīng)過逆變器12’，轉(zhuǎn)換為交流電輸出。另一方面，燃料電池8’排放的未反應完的氧氣與陽極未反應完全的可燃氣體一同送入燃燒室9’中進行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，燃氣再進入燃氣輪機10’中做功，驅(qū)動發(fā)電機11’發(fā)電。最后，燃氣輪機10’的高溫排氣依次被送入加熱器4’、加熱器5’、加熱器6’，分別完成對空氣、燃料和水的預熱，最后排出系統(tǒng)。上述系統(tǒng)將固體氧化物燃料電池的高溫排氣通過燃氣輪機進行發(fā)電，同時利用燃氣輪機的排氣對燃料、空氣和水進行預熱，回收了高溫排氣的熱能，提高了系統(tǒng)的效率。但是由于燃氣輪機的排氣溫度很高，即使經(jīng)過換熱器之后仍然有很大的中低溫余熱利用空間。中低溫熱源發(fā)電可以采用有機朗肯循環(huán)技術(shù)。有機朗肯循環(huán)采用低沸點的有機工質(zhì)，如R123，R113，R245fa，異戊烷等。有機工質(zhì)在余熱鍋爐I”中被中低溫余熱的熱量加熱為飽和或者過熱蒸氣，進入有機工質(zhì)透平2”做功，驅(qū)動發(fā)電機3”輸出發(fā)電量，透平2”的排氣進入冷凝器4”中冷卻為液態(tài)，經(jīng)由增壓泵5”升壓后重新進入余熱鍋爐，形成一個完整的循環(huán)，系統(tǒng)如圖2所示
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，利用燃氣輪機的低溫余熱熱量，同時利用液化天然氣的冷能，大大增加了系統(tǒng)的發(fā)電量，實現(xiàn)了能量的梯級利用，提高了能源利用率，減少了大氣環(huán)境污染，符合國家節(jié)能減排的需求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中，空氣經(jīng)一級空氣壓縮機升壓后，進入間冷器進行冷卻降溫，然后進入二級空氣壓氣機，接著經(jīng)第一加熱器預熱后進入固體氧化物燃料電池的陰極電極板；燃料經(jīng)間冷器升溫后，依次經(jīng)過壓氣機和第二加熱器；水經(jīng)水泵加壓后，通過第三加熱器加熱，之后與預熱后的燃料在混合器中充分混合，最后一同進入固體氧化物燃料電池的陽極電極板；固體氧化物燃料電池陰極排放的未反應完的氧氣與陽極未反應完全的可燃氣體一同進入與之連接的后燃室進行完全燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣；燃氣輪機與后燃室相連接，燃氣輪機的高溫排氣依次被送入第一加熱器、第二加熱器、第三加熱器，依次預熱空氣、燃料和水；有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，包括依次連接的余熱鍋爐、有機工質(zhì)透平、冷凝器、增壓泵，其中，所述增壓泵的一端與冷凝器相連，另一端與余熱鍋爐相連，所述余熱鍋爐的余熱來自燃氣輪機的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水后排出的中低溫氣體；LNG冷能源，其存儲于LNG存儲罐中，與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器相連，用以冷凝有機工質(zhì)透平的排氣，然后通過冷庫換熱器釋放冷能，最后，一部分進入間冷器，作為燃料供給燃料電池，多余的部分供給燃氣管網(wǎng)。優(yōu)選的，后燃室產(chǎn)生高溫高壓燃氣進入燃氣輪機中做功，驅(qū)動與燃氣輪機連接的第一發(fā)電機發(fā)電。優(yōu)選的，燃氣輪機的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水后排出的中低溫氣體進入余熱鍋爐，將能量傳遞給有機工質(zhì)，使有機工質(zhì)達到飽和狀態(tài)或者過熱狀態(tài)，之后工質(zhì)進入有機工質(zhì)透平中做功，驅(qū)動與有機工質(zhì)透平同軸連接的第二發(fā)電機發(fā)電。優(yōu)選的，燃料和氧氣在固體氧化物燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學反應后對外輸出直流電，經(jīng)過與固體氧化物燃料電池連接的逆變器轉(zhuǎn)換為交流電輸出。優(yōu)選的，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可運行于亞臨界工況下，采用R123、R245fa、R600、R134a、異戊烷、正戊烷、Rl 13、Rll、R152a、R236fa、R236ea或R141b制冷劑作為系統(tǒng)運行的工質(zhì)。優(yōu)選的，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可運行于超臨界工況下，采用二氧化碳、R125或R227ea作為系統(tǒng)運行的工質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)至少具有以下優(yōu)點
I)顯著提高了能源轉(zhuǎn)化效率，減少了污染物排放。固體氧化物燃料電池與燃氣輪機的高溫排氣經(jīng)過預熱燃料、空氣和水之后，仍有很高的溫度等級，屬于中低溫余熱，采用有機朗肯循環(huán)將這些中低溫余熱進行回收利用，轉(zhuǎn)換為電能輸出，可以大大提高了能源轉(zhuǎn)換效率，減少了污染物向環(huán)境中的排放。有機朗肯循環(huán)的工作介質(zhì)選擇低沸點的有機工質(zhì)，較常規(guī)朗肯循環(huán)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、效率高、循環(huán)壓力高、在透平膨脹過程工質(zhì)不會進入兩相區(qū)等優(yōu)點，適合用于中 低溫余熱利用。2)LNG冷能的利用以及整個聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)性能的改善。LNG首先用來作為動力循環(huán)的冷源冷凝有機工質(zhì)透平的排氣，可以使有機工質(zhì)透平的背壓顯著降低，增加有機朗肯循環(huán)的功率輸出。經(jīng)過冷凝器出來的LNG仍然具有大量冷能，經(jīng)過冷庫換熱器釋放冷能后，進入空氣壓縮機的間冷器，冷卻一級空氣壓縮機的排氣，從而減小空氣壓縮機的耗功。


圖I是傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是傳統(tǒng)的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明基于冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中，圖中標號與元件的對應關(guān)系為
I~一級空氣壓縮機 ~ 間冷器Γ1 ~ 二級空氣壓縮機
~1 5 icl6第一加熱器
~第二加熱器 8 第三加熱器9
~ 0固體氧化物燃料電池 U 燃燒室12燃氣輪機
13第一發(fā)電機 1415余熱鍋爐
~ 6有機工質(zhì)透平 17 第二發(fā)電機18冷凝器
~T9WbM 20 冷庫換熱器P空氣壓縮機
燃料壓縮機37 iclV第一加熱器
^第二加熱器 61 第三加熱器V混合器
~8'固體氧化物燃料電池 97 燃燒室IO7燃氣輪機
TT1 ! 21P余熱鍋爐
有機工質(zhì)透平ml
^增壓泵 21 燃氣管網(wǎng)22LNG存儲罐
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明系統(tǒng)的一種實施例進行詳細描述本發(fā)明涉及一種基于LNG冷能利用的固體氧化物燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，采用富氫燃料天然氣作為固體氧化物燃料電池的燃料，有機工質(zhì)作為朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工作介質(zhì)，可以向外界輸出電能。本發(fā)明由固體氧化物燃料電池、后燃室、燃氣輪機、換熱器、透平、冷凝器、增壓泵泵、壓縮機等組成。固體氧化物燃料電池中未反應完的可燃氣體和空氣在后燃室中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，進入燃氣輪機做功輸出電能，燃氣輪機的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水，實現(xiàn)燃氣余熱利用；經(jīng)預熱后燃氣排氣仍然具有較高的溫度等級，屬于中低溫余熱，采用有機朗肯循環(huán)將這些中低溫余熱進行回收利用，轉(zhuǎn)換為電能輸出，實現(xiàn)能量的梯級利用；LNG用來作為有機朗肯循環(huán)的冷源冷凝有機工質(zhì)透平的排氣，可以使有機工質(zhì)透平的背壓顯著降低，增加有機朗肯循環(huán)的功率輸出，同時利用了 LNG的冷能。經(jīng)過冷凝器出來的LNG仍然具有大量冷能，經(jīng)過冷庫換熱器釋放冷能 后，一部分進入空氣壓縮機的間冷器，冷卻一級空氣壓縮機的排氣，從而減小空氣壓縮機的耗功，多余的部分供給燃氣管網(wǎng)。所發(fā)明的系統(tǒng)可以顯著提高了能源轉(zhuǎn)化效率，減少了污染物排放，改善系統(tǒng)的性能。圖3是本發(fā)明一種基于LNG冷能利用的固體氧化物燃料電池與有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)包括一級空氣壓縮機I、間冷器2、二級空氣壓縮機3、燃料壓縮機4、水泵5、第一加熱器6、第二加熱器7、第三加熱器8、混合器9、固體氧化物燃料電池10、后燃室11、燃氣輪機12、發(fā)電機I 13、逆變器14、余熱鍋爐15、有機工質(zhì)透平16、發(fā)電機II 17、冷凝器18、增壓泵19、冷庫換熱器20、燃氣管網(wǎng)21和LNG存儲罐22。實施方案為空氣經(jīng)過一級空氣壓縮機I升壓后，再通過間冷器2冷卻降溫，進入二級空氣壓縮機3，然后經(jīng)過加熱器I 6被燃氣透平的高溫排氣預熱，送入固體氧化物燃料電池10的陰極電極板；來自間冷器2升溫之后的燃料(天然氣)分別經(jīng)過燃料壓縮機4，第二加熱器7加熱；水在水泵5中加壓后，通過第三加熱器8加熱，與預熱后的燃料在混合器9中充分混合，一同送入固體氧化物燃料電池10的陽極電極。燃料和氧氣在固體氧化物燃料電池10內(nèi)發(fā)生電化學反應后對外輸出直流電，經(jīng)過逆變器14轉(zhuǎn)換為交流電輸出。之后，陰極排放的未反應的氧氣與陽極未反應完全的可燃氣體進入與之連接的后燃室11進行完全燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，燃氣輪機12與后燃室11相連接。高溫高壓燃氣進入燃氣輪機12中做功，驅(qū)動與其連接的第一發(fā)電機13發(fā)電。燃氣輪機12的高溫排氣依次被送入第一加熱器6、第二加熱器7、第三加熱器8，依次預熱空氣、燃料和水，最后排出的中低溫氣體進入余熱鍋爐15，將能量傳遞給有機工質(zhì)，使有機工質(zhì)達到飽和狀態(tài)或者過熱狀態(tài)，之后工質(zhì)進入有機工質(zhì)透平16中做功，驅(qū)動與其同軸連接的第二發(fā)電機17發(fā)電，有機工質(zhì)透平16的排氣在冷凝器18中被LNG冷凝成液態(tài)，然后經(jīng)過增壓泵19加壓后，送入余熱鍋爐15中被燃氣輪機的排氣加熱。液化天然氣(LNG)作為冷源從LNG存儲罐22中進入冷凝器18中冷凝有機工質(zhì)透平16的排氣，然后進入冷庫換熱器20中，釋放冷能，之后一部分進入空氣壓縮機的間冷器2，冷卻一級空氣壓縮機I的排氣，然后作為固體氧化物燃料電池10的燃料送到燃料壓縮機4 ;從冷庫換熱器20中排出的多余部分天然氣通入燃氣管網(wǎng)。本發(fā)明系統(tǒng)既可以提高能源轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)能量梯級利用，又可以利用LNG富含的大量冷能，實現(xiàn)能量梯級利用。以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),其特征在于包括固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)和LNG冷能源； 固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其中，空氣經(jīng)ー級空氣壓縮機(I)升壓后，進入間冷器(2)進行冷卻降溫，然后進入ニ級空氣壓氣機(3)，接著經(jīng)第一加熱器(6)預熱后進入固體氧化物燃料電池(10)的陰極電極板；燃料經(jīng)間冷器(2)升溫后，依次經(jīng)過壓氣機(4)和第二加熱器(7);水經(jīng)水泵(5)加壓后，通過第三加熱器(8)加熱后，與預熱后的燃料在混合器(9)中充分混合，最后一同進入固體氧化物燃料電池(10)的陽極電極板；固體氧化物燃料電池(10)陰極排放的未反應的氧氣與陽極未反應完全的可燃氣體一同進入與之連接的后燃室(11)進行完全燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，燃氣輪機(12)與后燃室(11)相連接；燃氣輪機(12)的高溫排氣依次被送入第一加熱器(6)、第二加熱器(7)、第三加熱器(8)，依次預熱空氣、燃料和水； 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，包括依次連接的余熱鍋爐(15)、有機エ質(zhì)透平(16)、冷凝器(18)、增壓泵(19)，其中，所述增壓泵(19)的一端與冷凝器(18)相連，另一端與余熱鍋爐(15)相連，所述余熱鍋爐(15)的余熱來自燃氣輪機(12)的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水后排出的中低溫氣體； LNG冷能源，其存儲于LNG存儲罐(22)中，與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器(18)相連，用來冷凝有機エ質(zhì)透平(16)的排氣，然后通過冷庫換熱器(20)釋放冷能，最后，一部分進入間冷器(2)作為燃料供給燃料電池，多余部分供給燃氣管網(wǎng)(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于后燃室(11)產(chǎn)生高溫高壓燃氣進入燃氣輪機(12)中做功，驅(qū)動與燃氣輪機(12)連接的第一發(fā)電機(13)發(fā)電。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于燃氣輪機(12)的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水后排出的中低溫氣體進入余熱鍋爐(15)，將能量傳遞給有機エ質(zhì)，使有機エ質(zhì)達到飽和狀態(tài)或者過熱狀態(tài)，之后進入有機エ質(zhì)透平(16)中做功，驅(qū)動與有機エ質(zhì)透平(16)同軸連接的第二發(fā)電機(7)發(fā)電。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在干燃料和氧氣在固體氧化物燃料電池(10)內(nèi)發(fā)生化學反應后對外輸出直流電，經(jīng)過與固體氧化物燃料電池(10)連接的逆變器(14)轉(zhuǎn)換為交流電輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可運行于亞臨界エ況下，采用R123、R245fa、R600、尺134&、異戊烷、正戊烷、1 113、1 11、1 152&、1 236デ&、1 2366&或1 14訃制冷劑作為系統(tǒng)運行的ェ質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可運行于超臨界エ況下，采用ニ氧化碳、R125或R227ea作為系統(tǒng)運行的エ質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于LNG冷能利用的燃料電池和有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)和LNG冷能源；SOFC中未反應完的燃料和空氣在后燃室中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，進入燃氣輪機做功輸出電能，燃氣輪機的高溫排氣依次預熱空氣、燃料和水；有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)將經(jīng)預熱空氣、燃料和水后的中低溫煙氣余熱進行回收利用，轉(zhuǎn)換為電能輸出，實現(xiàn)能量的梯級利用；LNG冷能源作為有機朗肯循環(huán)的冷源冷凝有機工質(zhì)透平的排氣，使有機工質(zhì)透平的背壓顯著降低，增加有機朗肯循環(huán)的功率輸出，同時回收利用了LNG的冷能。本發(fā)明系統(tǒng)可以顯著提高了能源轉(zhuǎn)化效率，減少了污染物排放，改善系統(tǒng)的性能。
文檔編號F02C6/00GK102628402SQ201210112919
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者戴義平, 李茂慶, 王江峰, 王漫, 趙攀, 閻哲泉 申請人:西安交通大學