本發(fā)明涉及動力工程領域，特別是一種動力產(chǎn)生方法及電力產(chǎn)生方法。

背景技術：

以燃料電池、有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)、熱電聯(lián)產(chǎn)為代表的一系列新興分布式能源技術逐漸成為國內(nèi)外關注的焦點，其中，固體氧化物燃料電池-燃氣輪機(solid oxide fuel cell-gas turbine,SOFC-GT)混合動力循環(huán)因其清潔、燃料多樣、發(fā)電規(guī)模靈活等特點備受青睞，然而單一的燃料電池-燃氣輪機混合動力循環(huán)的能源利用效率受限于乏汽的溫度，因此并不能實現(xiàn)熱量的高效利用，而有機朗肯循環(huán)(ORC)作為回收低品位熱能的一種重要方式，也在工業(yè)余熱發(fā)電及太陽能、地熱、生物質(zhì)能等低溫發(fā)電領域得到了廣泛應用，有機朗肯循環(huán)與料電池-燃氣輪機混合動力循環(huán)互補應用可以有效地回收低品位熱能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種將上述兩個循環(huán)體系進行耦合，既克服傳統(tǒng)單一循環(huán)體系能源利用效率低的問題，又能達到高效率、低碳排、規(guī)模靈活、適合聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的動力產(chǎn)生方法及電力產(chǎn)生方法。

本發(fā)明提供的技術方案如下：一種動力產(chǎn)生方法，包括燃料電池和燃氣輪機循環(huán)和有機朗肯循環(huán)，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)通過第一換熱器與所述有機朗肯循環(huán)結合。

其中，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)包括依次連接的燃料電池、燃燒器、第一透平和第一換熱器，第一透平的出口和第一換熱器連接，所述燃料電池中未反應的可燃氣體送入所述燃燒器中燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動所述第一透平做功。

其中，所述有機朗肯循環(huán)包括工質(zhì)和依次連接的第一換熱器、第二透平、冷凝器和泵，所述第一換熱器將所述工質(zhì)加熱產(chǎn)生壓強和內(nèi)能，推動所述第二透平做功，工質(zhì)進入所述冷凝器冷凝后，再由所述泵輸送入至所述第一換熱器。

在本發(fā)明的較佳實施例中，所述燃料電池為固體氧化物燃料電池。

在本發(fā)明的較佳實施例中，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)中還包括壓縮機，所述壓縮機將空氣壓入所述燃料電池的正極，所述壓縮機與所述第一透平同軸設置。

在本發(fā)明的較佳實施例中，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)還包括第一預熱器，所述第一預熱器利用所述第一換熱器的出口熱量預熱可燃氣體。。

一種動力產(chǎn)生方法，包括燃料電池和燃氣輪機循環(huán)和有機朗肯循環(huán)，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)通過第一換熱器與所述有機朗肯循環(huán)結合。

其中，所述燃料電池和燃氣輪機循環(huán)包括依次連接的燃料電池、燃燒器、第一透平、第一換熱器和第二換熱器，所述燃料電池中未反應的可燃氣體送入所述燃燒器中燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動所述第一透平做功。

其中，所述有機朗肯循環(huán)包括工質(zhì)和依次連接的第一換熱器、第二換熱器、第二透平、冷凝器、分流裝置、第一流體泵、第二流體泵和合流裝置，所述合流裝置連接在所述第一換熱器和第二換熱器之間，所述分流裝置將所述冷凝器流出的工質(zhì)分成第一路工質(zhì)和第二路工質(zhì)，所述第一路工質(zhì)通過所述第二換熱器與所述第一換熱器的出口熱量換熱。

在本發(fā)明的較佳實施例中，所述有機朗肯循環(huán)還包括第二預熱器，所述第二預熱器利用所述第二透平的出口熱量預熱所述第二路工質(zhì)，所述第一路工質(zhì)和所述第二路工質(zhì)在所述合流裝置中匯合，經(jīng)所述第一換熱器升溫后進入所述第二透平形成回路。。

一種電力產(chǎn)生方法，包括上述動力產(chǎn)生方法，分別在燃料電池和燃氣輪機循環(huán)和有機朗肯循環(huán)中分別設置第一發(fā)電機和第二發(fā)電機，使第一透平和第二透平膨脹做功分別驅(qū)動第一發(fā)電機和第二發(fā)電機發(fā)電。

由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明的動力產(chǎn)生方法及電力產(chǎn)生方法顯著提高了能源轉化效率，減少了污染物排放，由于燃料電池和燃氣輪機循環(huán)回路的高溫排氣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，可以大大提高了能源轉換效率，減少了污染物向環(huán)境中的排放，此外，本發(fā)明通過系統(tǒng)集成和流程改進實現(xiàn)能量的綜合梯級轉換與高效清潔利用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的實施例一中動力產(chǎn)生方法的系統(tǒng)圖；

圖2是本發(fā)明中的實施例二中動力產(chǎn)生方法的系統(tǒng)圖。

具體實施方式

實施例一，如圖1所示，構造成以便于余熱回收高效利用的三重復合動力系統(tǒng)燃料電池-燃氣輪機-有機朗肯循環(huán)的耦合方法，方法中包括構造成以用來產(chǎn)生混合動力的燃料電池-燃氣輪機混合動力循環(huán)系統(tǒng)，包括：燃料電池和燃氣輪機(SOFC-GT)循環(huán)回路和有機朗肯循環(huán)(ORC)回路，燃料電池和燃氣輪機(SOFC-GT)循環(huán)回路中包括燃料電池11，燃料電池11為固體氧化物燃料電池，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)適合在中高溫下將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效地轉化成電能。燃料電池11包括用以進行電化學反應的正極和負極，可燃氣體和空氣分別由燃料電池11正極和負極通入燃料電池11進行反應，可燃氣體可以是氫氣、一氧化碳、甲烷、煤氣、液化氣、生物質(zhì)氣體等，也可以是可燃性混合氣體，本實施例中系統(tǒng)中燃料電池11產(chǎn)生的電源自氫氣的電化學反應，甲烷通過水煤氣反應生成一氧化碳并進一步轉換成二氧化碳和氫氣，另外地，燃氣輪機包括壓縮機17、燃燒器12以及第一透平13三大部分，壓縮機17與第一透平13同軸設置，這樣可以利用第一透平13驅(qū)動壓縮機17做功，壓縮機17無需外部動力，從而起到簡化系統(tǒng)裝置、提高能效的作用。燃料電池11工作后其中未能充分反應的混合物被輸送到燃燒器12進行燃燒反應產(chǎn)生高溫高壓氣體，第一透平13接收來自燃燒器12的高溫高壓氣體，由此推動燃氣輪機膨脹做功，并帶動發(fā)電機(圖未示)產(chǎn)生電力，由于第一透平13流出的乏汽18仍具有很高的熱量，現(xiàn)有技術中單一的燃料電池和燃氣輪機循環(huán)通常是將乏汽直接排除，因此造成了大量的熱量損失，本發(fā)明將兩個循環(huán)通過換熱器14進行耦合，乏汽18通過換熱器與工質(zhì)進行熱交換，將熱量帶入有機朗肯循環(huán)，克服了傳統(tǒng)單一循環(huán)體系能源利用效率低的問題，實現(xiàn)高效率、低碳排、規(guī)模靈活、適合聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的能源系統(tǒng)，具體的乏汽18先通過換熱器14與有機朗肯循環(huán)(ORC)中的工質(zhì)27進行熱交換，接著通過預熱器15對上部燃料電池和燃氣輪機循環(huán)(SOFC-GT)回路中剛進入循環(huán)體系的氣體燃料進行加熱，產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過尾氣處理排放到大氣中，完成一個上部循環(huán)。

方法中還包括構造成以便于回收低品位熱能的有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)，有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)主要由第二透平21、冷凝器22和流體泵24組成，工質(zhì)27在各設備中不斷循環(huán)進行絕熱膨脹、等壓冷凝、絕熱壓縮、等壓加熱四個過程，將外部熱源的熱量通過換熱傳遞給工質(zhì)27，并在第二透平21設備中進一步轉換成機械能對外做功，本系統(tǒng)通過有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)對燃料電池-燃氣輪機混合動力循環(huán)系統(tǒng)排放的乏汽18進行再次利用，燃料電池-燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)通過換熱器14和預熱器15聯(lián)接成混合動力系統(tǒng)，提高了能源利用效率，該系統(tǒng)將原本效率有60％的燃料電池-燃氣輪機混合動力循環(huán)系統(tǒng)提高到85％以上的水平，本實施例提供了一種構造成以便高效、低排、靈活發(fā)電、聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的燃料電池-燃氣輪機-有機朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)。

實施例二，如圖2所示，構造成以便于余熱回收高效利用的三重復合動力系統(tǒng)固體氧化物燃料電池-燃氣輪機-有機朗肯循環(huán)的耦合方法，該方法包括固體氧化物燃料電池和燃氣輪機循環(huán)，以及有機朗肯循環(huán)，該系統(tǒng)包括固體氧化物燃料電池和燃氣輪機(SOFC-GT)循環(huán)回路，以及有機朗肯循環(huán)(ORC)回路。固體氧化物燃料電池和燃氣輪機(SOFC-GT)循環(huán)回路包括第一預熱器15、壓縮機17、固體氧化物燃料電池11、燃燒器12、第一透平13和第一換熱器14，固體氧化物燃料電池和燃氣輪機(SOFC-GT)循環(huán)回路通過第一換熱器14和預熱器15與有機朗肯循環(huán)(ORC)回路結合，固體氧化物燃料電池11適合在中高溫下將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效地轉化成電能，壓縮機17將空氣壓入固體氧化物燃料電池11的正極。壓縮機17與第一透平13同軸。這樣可以利用透平驅(qū)動壓縮機做功，壓縮機17無需外部動力，從而起到簡化系統(tǒng)裝置、提高能效的作用，固體氧化物燃料電池11的負極通入生物質(zhì)氣體，固體氧化物燃料電池11中未反應的生物質(zhì)氣體送入燃燒器12中燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動第一透平13做功，第一透平13推動燃氣輪機膨脹做功，并可以驅(qū)動與燃氣輪機連接的發(fā)電機(圖未示)發(fā)電，第一透平13流出的乏汽18仍然具有很高的熱量，第一透平13的出口和第一換熱器14連接，第一預熱器15利用第一換熱器14的出口熱量預熱生物質(zhì)氣體，并將產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過尾氣處理排放到大氣中，完成循環(huán)。

在實施例二中，有機朗肯循環(huán)(ORC)回路包括第一換熱器14、第二透平21、冷凝器22、分流裝置23、合流裝置26、第二換熱器16、第二預熱器28、第一流體泵24、第二流體泵25和工質(zhì)27，有機朗肯循環(huán)工作于超臨界狀態(tài)下，第一換熱器14將工質(zhì)27加熱產(chǎn)生壓強和內(nèi)能，推動第二透平21做功，第二透平21推動燃氣輪機膨脹做功，并可以驅(qū)動與燃氣輪機連接的發(fā)電機發(fā)電。能量降低的工質(zhì)27通過第二預熱器28對流經(jīng)第二流體泵25的工質(zhì)進行預熱。冷凝器22與第二預熱器28相聯(lián)接，余熱預熱后的工質(zhì)進入冷凝器22被冷凝，分流裝置23將冷凝器22流出的工質(zhì)分成第一路工質(zhì)和第二路工質(zhì)，第一路工質(zhì)由第一流體泵24輸送，通過第二換熱器16與第一換熱器14的出口熱量換熱。第二換熱器16將冷凝后的溫度較低工質(zhì)加熱，實現(xiàn)能量的梯級轉換，進一步提高能效，第二預熱器16利用第二透平21的出口熱量預熱第二路工質(zhì)，第一路工質(zhì)和第二路工質(zhì)在合流裝置26中匯合，經(jīng)第一換熱器14升溫后進入第二透平21形成回路，第二透平21的出口尾氣仍然具有熱量，通過第二預熱器28可將部分低溫工質(zhì)預熱，實現(xiàn)能量的梯級轉換，進一步提高能效。

本實施例中，有機朗肯循環(huán)運行在超臨界工況下，工質(zhì)27在冷凝器22出口處于飽和液態(tài)，隨后，工質(zhì)進入換熱器與熱源進行換熱，換熱過程中工質(zhì)跨過兩相區(qū)直接進入超臨界態(tài)。超臨界循環(huán)工質(zhì)的吸熱曲線與熱源的溫度曲線更為接近，使得系統(tǒng)的溫度匹配更好，換熱的不可逆性減小，系統(tǒng)效率更高。當工質(zhì)的臨界溫度遠低于熱源溫度時，通常循環(huán)在超臨界工況下運行。當工質(zhì)的臨界溫度低于熱源溫度但接近熱源溫度時，既可以設計成亞臨界有機朗肯循環(huán)也可以設計成超臨界有機朗肯循環(huán)。

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、R113、R11、R152a、R236fa、R236ea或R141b制冷劑作為系統(tǒng)運行的工質(zhì)。有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)也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)，本實施例的工質(zhì)27采用的是R245fa工質(zhì)。

綜上所述，本發(fā)明中的動力產(chǎn)生方法克服了傳統(tǒng)單一循環(huán)體系將乏汽直接排除，因此造成了大量的熱量損失，能源利用效率低的問題，將兩個循環(huán)回路通過換熱器進行耦合，乏汽通過換熱器與工質(zhì)進行熱交換，將熱量帶入有機朗肯循環(huán)回路，從而實現(xiàn)高效率、低碳排、規(guī)模靈活、適合聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的動力產(chǎn)生方法。

本文公開的所有范圍均包括端點，并且端點可彼此組合。如本文所用，用語“第一”、“第二”等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是相反，它們用來將元素彼此區(qū)分開。在描述本發(fā)明的語境(尤其是在所附權利要求的語境中)中所使用的用語“一個”和“一種”與“該”以及“所述”和類似的對象應理解為覆蓋單數(shù)和復數(shù)兩者，除非本文另有說明或語境有抵觸。

雖然結合了許多實施例來詳細地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這樣的公開的實施例。相反，可修改本發(fā)明，以結合此前未描述的但與本發(fā)明的范圍相當?shù)娜魏螖?shù)量的變型、變化、替代或等效布置。另外，雖然描述了本發(fā)明的多種實施例，但是應當理解，本發(fā)明的各方面可包括所描述的實施例中的僅一些。因此，本發(fā)明不應視為由前面的描述限制，而是僅由所附權利要求的范圍限制。