CN102088099B - 一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，其经过加压加热的燃料和升压加热后的水混合后，与升压加热后的空气在固体氧化物燃料电池内反应发电后，其过量的氧气与未反应的燃料进一步反应后，通过透平做功驱动发电机发电后，其排气通过预热空气、水和燃料用以制冷供热。本发明可以有效地利用燃料电池堆的高温余热，利用燃气的压力能，实现了能源的梯级利用，提高了化石燃料的利用率，与传统的发电效率相比，本发明系统的总发电效果可达70％以上，如果再考虑到制热量和制热量，则整体热效率可达80％以上，远高于一般的冷热电联供系统。
Description
技术领域
本发明属于中低温热能回收与动力工程领域，涉及一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统。
背景技术
传统的煤、石油、天然气等一次能源储量有限，这些化石燃料以燃烧的方式被直接利用，不但效率有限，而且不可避免地会产生大量的污染物。
燃料电池能够将燃料和氧气直接进行化学反应转化为电能，不受卡诺循环效率的限制，清洁高效，是能够较好的解决化石燃料发电效率与污染这一矛盾的新型发电方式。
固体氧化物燃料电池的反应温度较高，存在很大的余热利用空间。冷热电联产是实现能源梯级利用的高效能源利用形式，冷热电联供系统能够将制冷、供热、发电有机地结合到一起，以实现能源梯级利用，提高能源的综合利用效率。
图1示出了现有技术中一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统示意图。首先，燃料依次通过压气机102，气体加热器105；水经水泵103加压后，通过加热器106的加热，与预热后的燃料在混合器107中充分混合，一同进入固体氧化物燃料电池108的阳极电极。空气经压气机101升压，在加热器104中预热后送入固体氧化物燃料电池108的阴极电极。固体氧化物燃料电池108的阴阳极物质反应后输出发电量，经逆变器112后，转换为交流电输出；之后，阴极排放的过量氧气与阳极未反应的燃料进入与之连接的后燃室109中进行燃烧，产生高温高压燃气，该高温高压燃气进入燃气轮机110中做功，驱动发电机111发电；燃气轮机110的高温排气依次进入加热器104、加热器105和加热器106，依次预热空气、燃料和水，最后排出系统，完成一个循环系统。
上述系统利用了固体氧化物燃料电池的高温余热，提高了系统效率，但是由于燃气轮机的排烟温度很高，因此，经过换热器后的中低温余热还有很大的利用空间。而且此系统只能输出电能，无法满足用户对能源品种多样化的需求。
为了实现同时发电、制冷和供热的目的，并且进一步利用排烟的余热，国外现有技术中进一步提出了一种基于固体氧化物燃料电池和有机朗肯循环的冷热电联供系统，如图2所示。该系统有机朗肯循环的工质为正辛烷，单效吸收式制冷循环工质为溴化锂。首先，燃料依次通过压气机202，气体加热器205；水经水泵203加压后，通过加热器206的加热，与预热后的燃料在混合器207中充分混合，一同进入固体氧化物燃料电池208的阳极电极；空气经压气机201升压，在加热器204中预热后送入固体氧化物燃料电池208的阴极电极；固体氧化物燃料电池208的阴阳极物质反应后输出发电量，经逆变器226后，转换为交流电输出；之后，阴极排放的过量氧气与阳极未反应的燃料进入与之连接的后燃室209中进行燃烧，产生高温高压燃气；从后燃室209排出的高温高压燃气进入有机工质锅炉210换热后，进入锅炉211，与新加入的补燃燃料一起燃烧换热后，用于依次预热空气、燃料和水，最后排出系统；通有正辛烷的管道在锅炉210中加热蒸发后进入透平212做功，驱动发电机213产生发电量；从透平212排出的有机工质进入换热器214放热，通过热量输出管道217给用户供热；从换热器214排出的热工质进一步在解析塔215中放热，最后通过泵216加压进入锅炉210；在解析塔215中，一部分溴化锂稀溶液经过换热器224放热后，通过节流阀225，进入吸收器222；解析塔215中另一部分浓溴化锂蒸汽进入冷凝器218冷凝后，在节流阀219中膨胀，进入蒸发器220吸热，并通过冷量输出管道221提供制冷量；之后，溴化锂工质进入吸收器222冷凝成液态；从吸收器出来的液态工质经泵223加压后，进入换热器224预热，然后流回解析塔215，完成一个循环。
上述现有的基于固体氧化物燃料电池和有机朗肯循环的冷热电联供系统是将后燃室排出的高温高压燃气直接通入余热锅炉，没有充分利用燃气的压力能，而且在锅炉211处还需要加入燃料补燃，使得系统复杂化。其次，该系统采用背压式供热方式，不能对热负荷和电负荷的进行协调控制。另外，系统中的制冷循环部分采用溴化锂为工质，制冷温度有所限制，无法满足用户冷冻的需求。
发明内容
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，不但利用了后燃室后的中低温余热，而且充分利用了燃气的压力能，可以满足用户对冷冻的不同需求。
本发明采取的技术方案是：一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，包括第一压气机、第二压气机、水泵，分别与第一压气机、第二压气机、水泵的输出端相连的第一加热器、第二加热器、第三加热器，所述第二加热器和第三加热器的输出端连接有混合器；所述混合器与第一加热器的输出端连接有固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池输出端的一支通过逆变器输出交流电，另一支连接有后燃室，该后燃室的输出端连接有燃气透平，以驱动第一发电机发电；所述燃气透平输出端的一支还依次与第一加热器、第二加热器，以及第三加热器相连，所述第三加热器的输出端连接有制冷供热装置。
作为本发明的优选实施例，所述制冷供热装置包括与第三加热器相连的余热锅炉，该余热锅炉内安装有蒸发管道，该蒸发管道内装有氨水混合溶液，该蒸发管道的输出端连接有透平；所述透平的输出端的一支连接有第二发电机，所述透平的输出端的第二支通过管道连接有第一换热器，所述透平的输出端的第三支连接有第三换热器；所述第一换热器的输出端连接有精馏器，该第一换热器的输出端还连接有第二换热器，该第二换热器通过输出管道为用户供热，该第二换热器通过第一节流阀连接有第一吸收器，该第一吸收器内安装有第一冷却管道；该第一吸收器的一支与上述第三热换器相连，另一支通过第二节流阀与精馏器相连，所述第三换热器与精馏器相连。
作为本发明的优选实施例，所述第一吸收器的输出端的一支经第一泵与精馏器连接，另一支经第二泵连接有第二吸收器；所述精馏器的塔顶连接有冷凝器，该冷凝器内安装有冷凝管道，所述冷凝器的输出端经第三节流阀连接有蒸发器，该蒸发器通过冷量输出管道与冷用户管道相连；所述第二吸收器内安装有第二冷却管道，且该第二吸收器与前述蒸发器相连，同时，该第二吸收器通过第三泵与余热锅炉相连。
本发明固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统至少具有以下优点：本发明固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统有效地利用燃料电池堆的高温余热，利用燃气的压力能，实现了能源的梯级利用，提高了化石燃料的利用率。与传统的发电效率相比，SOFC的发电效率可达47％，加上余热利用的发电量使系统的总发电效率达70％以上，如果考虑制热量和制冷量，系统的整体热效率可达80％以上，远远高于一般的冷热电联供系统，可以创造巨大的经济效益和社会效益；另外，本发明实现了在联供系统中将制冷温度降到零度以下，满足用户对冷冻的要求。
附图说明
图1和图2是两种现有技术的固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统示意图。
图3是本发明系统的示意图。
图中标号与元件名称的对应关系如下：
| 301 | 第一压气机 | 302 | 第二压气机 |
| 303 | 水泵 | 306 | 第一加热器 |
| 305 | 第二加热器 | 304 | 第三加热器 |
| 307 | 混合器 | 308 | 固体氧化物燃料电池 |
| 335 | 逆变器 | 309 | 后燃室 |
| 310 | 燃气透平 | 311 | 第一发电机 |
| 312 | 余热锅炉 | 313 | 蒸发管道 |
| 314 | 透平 | 315 | 第二发电机 |
| 316 | 第一换热器 | 320 | 第三换热器 |
| 325 | 精馏器 | 317 | 第二换热器 |
| 318 | 热输出管道 | 319 | 第一节流阀 |
| 321 | 第一吸收器 | 322 | 第一冷却管道 |
| 334 | 第二节流阀 | 323 | 第一泵 |
| 324 | 第二泵 | 331 | 第二吸收器 |
| 326 | 冷凝器 | 327 | 冷凝管道 |
| 328 | 第三节流阀 | 329 | 蒸发器 |
| 330 | 冷量输出管道 | 332 | 第二冷却管道 |
| 333 | 第三泵 |
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统包括第一压气机301、第二压气机302、水泵303，分别与第一压气机301、第二压气机302、水泵303的输出端相连的第一加热器306、第二加热器305、第三加热器304，所述第二加热器305和第三加热器306的输出端连接有混合器307；所述混合器307与第一加热器306的输出端连接有固体氧化物燃料电池308，该固体氧化物燃料电池308输出端的一支通过逆变器335输出交流电，另一支连接有后燃室309，该后燃室309的输出端连接有燃气透平310，用来驱动第一发电机311发电；此外，所述燃气透平310输出端的一支还依次与第一加热器306、第二加热器305，以及第三加热器304相连，所述第三加热器304的输出端连接有制冷供热装置，为用户提供各种能源需求。
燃料依次通过第二压气机302加压，第二加热器305加热后，进入混合器307中；水依次通过水泵303加压，第三加热器304加热后，进入混合器307内，如此，被加热成的水蒸气和加热的燃料蒸气在混合器307中充分混合后，一同进入固体氧化物燃料电池308的阳极端进行重整，得到富氢重整气，进而送入固体氧化物燃料电池308的阳极电极板；空气经第一压气机301升压，利用燃气透平的废热在第一加热器306中预热后送入固体氧化物燃料电池308的阴极；这样，固体氧化物燃料电池308的阴阳极的物质反应后输出发电量，经逆变器335后，转换为交流电输出；之后，固体氧化物燃料电池308阴极排放的过量氧气与阳极未反应的燃料进入与之连接的后燃室309中进行完全燃烧，产生高温高压燃气，该高温高压燃气进入燃气透平310中做功，驱动第一发电机311发电。同时，燃气透平310的排气依次进入第一加热器306、第二加热器305和第三加热器304，依次预热空气、燃料和水，最后排气进入制冷供热装置。
所述制冷供热装置包括与第三加热器304相连的余热锅炉312，该余热锅炉312内安装有蒸发管道313，该蒸发管道313内装有氨水混合溶液，该蒸发管道313的输出端连接有透平314，如此，预热空气、燃料和水的排气在余热锅炉312内换热，加热蒸发管道313中的氨水混合溶液，余热锅炉产生的高温高压氨水蒸汽进入透平314。
所述透平314的输出端的一支连接有第二发电机315，所述透平314的输出端的第二支通过管道连接有第一换热器316，所述透平的输出端的第三支连接有第三换热器320；所述第一换热器316的输出端连接有精馏器325，同时，该第一换热器316的输出端还连接有第二换热器317，该第二换热器317通过输出管道318为用户供热，另外，该第二换热器317通过第一节流阀319连接有第一吸收器321，该第一吸收器321内安装有第一冷却管道322；另外，该第一吸收器321的一支与上述第三热换器320相连，另一支通过第二节流阀334与精馏器325相连，此外，所述第三换热器320还与精馏器325相连。这样，余热锅炉312内产生的高温高压氨水蒸汽进入透平314做功，驱动第二发电机315发电；而透平的一股抽气经过第一换热器316加热精馏器325内的釜液，保证精馏器325正常持续工作，而后进入第二换热器317内放热，其热量通过输出管道318为用户供热；而第二换热器317经换热后的气体经第一节流阀319降压后进入吸收器321内，同时，从透平314出口排出的氨水混合蒸汽经第三换热器320预热精馏器入口的基本溶液氨水溶液，而后经过第三换热器320进入第一吸收器321内，而精馏器325分离出来的贫氨溶液经第二节流阀334进入第一吸收器321内，如此，所述精馏器325分离出来的贫氨溶液与第三换热器320热侧出口的氨水蒸汽以及经第一节流阀319出来的氨水溶液一同汇入第一吸收器321内，并被第一吸收器321内安装的第一冷却管道322中的冷却水冷凝成一定浓度的氨水基本溶液。所述冷却管道322中可以使用常温水作为工质。
所述第一吸收器321的输出端的一支经第一泵323与精馏器325连接，而另一支经第二泵324与第二吸收器331连接；所述精馏器325的塔顶连接有冷凝器326，该冷凝器326内安装有冷凝管道327，所述冷凝器326的输出端经第三节流阀328连接有蒸发器329，该蒸发器329通过冷量输出管道330与用户用管道相连；所述第二吸收器331内安装有第二冷却管道332，且该第二吸收器331与前述蒸发器329相连，同时，该第二吸收器331通过第三泵333与余热锅炉312相连。这样，在第一吸收器321内冷凝成一定浓度的氨水基本溶液，一部分经第一泵323升压后，进入精馏器325蒸馏分离为富氨蒸汽，另一部分经第二泵324升压后进入第二吸收器331；所述精馏器325内形成的富氨蒸汽从塔顶进入冷凝器326中冷凝后，一部分流回精馏塔325，另一部分经过第三节流阀328降压节流后，进入蒸发器329中吸热，产生制冷量，并通过冷量输出管道330供给冷用户；从蒸发器329出来的富氨蒸汽进入第二吸收器331与一部分氨水基本溶液混合到氨水工作溶液浓度，并被第二冷却管道332冷凝后，经过第三泵333送入余热锅炉312，完成一个循环过程。
本发明系统采用天然气、甲烷、氢气等富氢燃料作为燃料电池的燃料，氨水混合溶液作为冷热电联供循环系统的工质，同时向外界输出电能、供热量和制冷量；所述供热采用透平抽气供热，实现热负荷和电负荷的协调控制；循环工质采用氨水混合物作为工质，由于非共沸点混合物在蒸发过程中，随着易挥发性成份氨的首先蒸发，氨水的浓度不断减小，混合物的沸点不断升高，所以氨水混合物在蒸发过程中是一个温度增加的过程，这使得工质的吸热温度曲线和热源的放热温度曲线达到很好的匹配，从而减少了不可逆损失，提高了整个循环的效率，同时，制冷循环中氨水为工质，可以实现较低的制冷温度，满足了用户对冷冻的需求。
本发明将制冷、供热和发电一体化，并且可以在冷热电联供循环系统中将制冷温度降到零度以下，实现冷冻的要求，以满足不同用户对能源品种多样化的需求。另外，本发明系统采用氨水混合物作为工质，使得工质吸热过程是在变温下进行的，这样可以减小换热过程的不可逆损失，同时氨水混合工质可以降低制冷温度，满足用户对冷冻的需求。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，其特征在于：包括第一压气机（301）、第二压气机（302）、水泵（303），分别与第一压气机（301）、第二压气机（302）、水泵（303）的输出端相连的第一加热器（306）、第二加热器（305）、第三加热器（304），所述第二加热器（305）和第三加热器（304）的输出端连接有混合器（307）；所述混合器（307）与第一加热器（306）的输出端连接有固体氧化物燃料电池（308），该固体氧化物燃料电池（308）输出端的一支通过逆变器（335）输出交流电，另一支连接有后燃室（309），该后燃室（309）的输出端连接有燃气透平（310），以驱动第一发电机（311）发电；所述燃气透平（310）输出端还依次与第一加热器（306）、第二加热器（305），以及第三加热器（304）相连，所述第三加热器（304）的输出端连接有制冷供热装置。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，其特征是：所述制冷供热装置包括与第三加热器（304）相连的余热锅炉（312），该余热锅炉（312）内安装有蒸发管道（313），该蒸发管道（313）的输出端连接有透平（314）；所述透平（314）的输出端的一支连接有第二发电机（315），所述透平（314）的输出端的第二支通过管道连接有第一换热器（316），所述透平（314）的输出端的第三支连接有第三换热器（320）；所述第一换热器（316）的输出端连接有精馏器（325），该第一换热器（316）的输出端还连接有第二换热器（317），该第二换热器（317）通过热输出管道（318）为用户供热，该第二换热器（317）通过第一节流阀（319）连接有第一吸收器（321），该第一吸收器（321）内安装有第一冷却管道（322）；该第一吸收器（321）的一支与上述第三热换器（320）相连，另一支通过第二节流阀（334）与精馏器（325）相连，所述第三换热器（320）与精馏器（325）相连。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池驱动的冷热电联供循环系统，其特征是：所述第一吸收器（321）的输出端的一支经第一泵（323）与精馏器（325）连接，另一支经第二泵（324）连接有第二吸收器（331）；所述精馏器（325）的塔顶连接有冷凝器（326），该冷凝器（326）内安装有冷凝管道（327），所述冷凝器（326）的输出端经第三节流阀（328）连接有蒸发器（329），该蒸发器（329）通过冷量输出管道（330）与冷用户管道相连；所述第二吸收器（331）内安装有第二冷却管道（332），且该第二吸收器（331）与前述蒸发器（329）相连，同时，该第二吸收器（331）通过第三泵（333）与余热锅炉（312）相连。
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