CN106523051A - 动力产生系统和电力产生系统 - Google Patents

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刘浩仑
张诗琪
朱兴仪
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Abstract

本发明公开了一种动力产生系统及电力产生系统，包括固体氧化物燃料电池和燃气轮机循环回路以及有机朗肯循环回路，由于燃料电池和燃气轮机循环回路的高温排气仍有很高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环将这些中低温余热进行回收利用，可以大大提高了能源转换效率，减少了污染物向环境中的排放，此外，本发明通过系统集成和流程改进实现能量的综合梯级转换与高效清洁利用。

Description

动力产生系统和电力产生系统
技术领域
本发明涉及动力工程领域，特别是一种动力产生系统及电力产生系统。
背景技术
以燃料电池、有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)、热电联产为代表的一系列新兴分布式能源技术逐渐成为国内外关注的焦点，其中，固体氧化物燃料电池-燃气轮机(solid oxide fuel cell-gas turbine,SOFC-GT)混合动力循环因其清洁、燃料多样、发电规模灵活等特点备受青睐，然而单一的燃料电池-燃气轮机混合动力循环的能源利用效率受限于乏汽的温度，因此并不能实现热量的高效利用，而有机朗肯循环(ORC)作为回收低品位热能的一种重要方式，也在工业余热发电及太阳能、地热、生物质能等低温发电领域得到了广泛应用，有机朗肯循环与料电池-燃气轮机混合动力循环互补应用可以有效地回收低品位热能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将上述两个循环体系进行耦合，既克服传统单一循环体系能源利用效率低的问题，又能达到高效率、低碳排、规模灵活、适合联产联供的动力产生系统及电力产生系统。
本发明提供的技术方案如下：一种动力产生系统，包括：
燃料电池和燃气轮机循环回路，其包括依次连接的燃料电池、第一透平、燃烧器和第一换热器，所述第一透平的出口和所述第一换热器连接；
有机朗肯循环回路，其包括工质和依次连接的第一换热器、第二透平、冷凝器和泵；
所述有机朗肯循环回路与所述燃料电池和燃气轮机循环回路之间通过所述第一换热器进行耦合。
在本发明的较佳实施例中，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。
在本发明的较佳实施例中，所述燃料电池和燃气轮机循环回路中还包括压缩机，所述压缩机将空气压入所述燃料电池的正极，所述压缩机与所述第一透平同轴设置。
在本发明的较佳实施例中，所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一预热器，所述第一预热器利用所述第一换热器的出口热量预热可燃气体。
一种动力产生系统，包括：
燃料电池和燃气轮机循环回路，其包括依次连接的燃料电池、第一透平、燃烧器第一换热器和第二换热器。
有机朗肯循环回路，其包括工质和依次连接的第一换热器、第二换热器、第二透平、冷凝器、分流装置、第一流体泵、第二流体泵和合流装置，所述合流装置连接在所述第一换热器和第二换热器之间，所述分流装置将所述冷凝器流出的工质分成第一路工质和第二路工质，所述第一路工质通过所述第二换热器与所述第一换热器的出口热量换热。
所述有机朗肯循环回路与所述燃料电池和燃气轮机循环回路之间通过所述第一换热器和第二换热器进行耦合。
在本发明的较佳实施例中，所述有机朗肯循环回路还包括第二预热器，所述第二预热器利用所述第二透平的出口热量预热所述第二路工质，所述第一路工质和所述第二路工质在所述合流装置中汇合，经所述第一换热器升温后进入所述第二透平形成回路。
一种电力产生系统，包括上述动力产生系统，所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一发电机，所述机朗肯循环回路还包括第二发电机，所述第一透平膨胀做功驱动所述第一发电机发电，所述第二透平膨胀做功驱动所述第二发电机发电。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放，由于燃料电池和燃气轮机循环回路的高温排气仍有很高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环将这些中低温余热进行回收利用，可以大大提高了能源转换效率，减少了污染物向环境中的排放，此外，本发明通过系统集成和流程改进实现能量的综合梯级转换与高效清洁利用。
附图说明
图1是本发明中的实施例一中动力产生系统的系统图；
图2是本发明中的实施例二中动力产生系统的系统图。
具体实施方式
实施例一，如图1所示，一种用来产生混合动力的燃料电池-燃气轮机混合动力循环系统，包括：燃料电池和燃气轮机(SOFC-GT)循环回路和有机朗肯循环(ORC)回路，燃料电池和燃气轮机(SOFC-GT)循环回路中包括燃料电池11，燃料电池11为固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)适合在中高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化成电能，燃料电池11包括用以进行电化学反应的正极和负极，可燃气体和空气分别由燃料电池11正极和负极通入燃料电池11进行反应，可燃气体可以是氢气、一氧化碳、甲烷、煤气、液化气、生物质气体等，也可以是可燃性混合气体，本实施例中系统中燃料电池11产生的电源自氢气的电化学反应，甲烷通过水煤气反应生成一氧化碳并进一步转换成二氧化碳和氢气，另外地，燃气轮机包括压缩机17、燃烧器12以及第一透平13三大部分，压缩机17与第一透平13同轴设置，这样可以利用第一透平13驱动压缩机17做功，压缩机17无需外部动力，从而起到简化系统装置、提高能效的作用，燃料电池11工作后其中未能充分反应的混合物被输送到燃烧器12进行燃烧反应产生高温高压气体，第一透平13接收来自燃烧器12的高温高压气体，由此推动燃气轮机膨胀做功，并带动发电机(图未示)产生电力，由于第一透平13流出的乏汽18仍具有很高的热量，单一的燃料电池和燃气轮机循环回路通常是将乏汽直接排除，因此造成了大量的热量损失，本发明将两个循环回路通过换热器进行耦合，乏汽18通过换热器15与工质进行热交换，将热量带入有机朗肯循环回路，克服了传统单一循环体系能源利用效率低的问题，实现高效率、低碳排、规模灵活、适合联产联供的能源系统，具体的，乏汽18先通过换热器14与有机朗肯循环(ORC)中的工质27进行热交换，接着通过预热器15对上部燃料电池和燃气轮机循环(SOFC-GT)回路中刚进入循环体系的气体燃料进行加热，产生的尾气经过尾气处理排放到大气中，完成一个上部循环。
在实施例一中，有机朗肯循环(ORC)系统主要由第二透平21、冷凝器22和流体泵24组成，工质27在各设备中不断循环进行绝热膨胀、等压冷凝、绝热压缩、等压加热四个过程，将外部热源的热量通过换热传递给工质27，并在第二透平21设备中进一步转换成机械能对外做功，本系统通过有机朗肯循环(ORC)系统对燃料电池-燃气轮机混合动力循环系统排放的乏汽18进行再次利用，燃料电池-燃气轮机循环系统与有机朗肯循环系统通过换热器14和预热器15联接成混合动力系统，提高了能源利用效率，该系统将原本效率有60％的燃料电池-燃气轮机混合动力循环系统提高到85％以上的水平，本实施例提供了一种构造成以便高效、低排、灵活发电、联产联供的燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统。
实施例二，如图2所示，一种便于余热回收高效利用的三重复合动力系统固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环的耦合系统，该系统包括固体氧化物燃料电池和燃气轮机(SOFC-GT)循环回路，以及有机朗肯循环(ORC)回路。固体氧化物燃料电池和燃气轮机(SOFC-GT)循环回路包括第一预热器15、压缩机17、固体氧化物燃料电池11、燃烧器12、第一透平13和第一换热器14，固体氧化物燃料电池和燃气轮机(SOFC-GT)循环回路通过第一换热器14和预热器15与有机朗肯循环(ORC)回路结合，固体氧化物燃料电池11适合在中高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化成电能，压缩机17将空气压入固体氧化物燃料电池11的正极。压缩机17与第一透平13同轴。这样可以利用透平驱动压缩机做功，压缩机17无需外部动力，从而起到简化系统装置、提高能效的作用，固体氧化物燃料电池11的负极通入生物质气体，固体氧化物燃料电池11中未反应的生物质气体送入燃烧器12中燃烧，产生的高温高压气体推动第一透平13做功，第一透平13推动燃气轮机膨胀做功，并可以驱动与燃气轮机连接的发电机(图未示)发电，第一透平13流出的乏汽18仍然具有很高的热量，第一透平13的出口和第一换热器14连接，第一预热器15利用第一换热器14的出口热量预热生物质气体，并将产生的尾气经过尾气处理排放到大气中，完成循环。
在实施例二中，有机朗肯循环(ORC)回路包括第一换热器14、第二透平21、冷凝器22、分流装置23、合流装置26、第二换热器16、第二预热器28、第一流体泵24、第二流体泵25和工质27，有机朗肯循环工作于超临界状态下，第一换热器14将工质27加热产生压强和内能，推动第二透平21做功，第二透平21推动燃气轮机膨胀做功，并可以驱动与燃气轮机连接的发电机发电。能量降低的工质27通过第二预热器28对流经第二流体泵25的工质进行预热。冷凝器22与第二预热器28相联接，余热预热后的工质进入冷凝器22被冷凝，分流装置23将冷凝器22流出的工质分成第一路工质和第二路工质，第一路工质由第一流体泵24输送，通过第二换热器16与第一换热器14的出口热量换热。第二换热器16将冷凝后的温度较低工质加热，实现能量的梯级转换，进一步提高能效，第二预热器16利用第二透平21的出口热量预热第二路工质，第一路工质和第二路工质在合流装置26中汇合，经第一换热器14升温后进入第二透平21形成回路，第二透平21的出口尾气仍然具有热量，通过第二预热器28可将部分低温工质预热，实现能量的梯级转换，进一步提高能效。
本实施例中，有机朗肯循环运行在超临界工况下，工质27在冷凝器22出口处于饱和液态，随后，工质进入换热器与热源进行换热，换热过程中工质跨过两相区直接进入超临界态。超临界循环工质的吸热曲线与热源的温度曲线更为接近，使得系统的温度匹配更好，换热的不可逆性减小，系统效率更高。当工质的临界温度远低于热源温度时，通常循环在超临界工况下运行。当工质的临界温度低于热源温度但接近热源温度时，既可以设计成亚临界有机朗肯循环也可以设计成超临界有机朗肯循环。
有机朗肯循环系统可运行于亚临界工况下，采用R123、R245fa、R600、R134a、异戊烷、正戊烷、R113、R11、R152a、R236fa、R236ea或R141b制冷剂作为系统运行的工质。有机朗肯循环系统也可运行于超临界工况下，采用二氧化碳、R125或R227ea作为系统运行的工质，本实施例的工质27采用的是R245fa工质。
综上所述，本发明中的动力产生系统克服了传统单一循环体系将乏汽直接排除，因此造成了大量的热量损失，能源利用效率低的问题，将两个循环回路通过换热器进行耦合，乏汽通过换热器与工质进行热交换，将热量带入有机朗肯循环回路，从而实现高效率、低碳排、规模灵活、适合联产联供的能源系统。
本文公开的所有范围均包括端点，并且端点可彼此组合。如本文所用，用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来将元素彼此区分开。在描述本发明的语境(尤其是在所附权利要求的语境中)中所使用的用语“一个”和“一种”与“该”以及“所述”和类似的对象应理解为覆盖单数和复数两者，除非本文另有说明或语境有抵触。
虽然结合了许多实施例来详细地描述本发明，但是本发明不限于这样的公开的实施例。相反，可修改本发明，以结合此前未描述的但与本发明的范围相当的任何数量的变型、变化、替代或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前面的描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种动力产生系统，其特征在于：包括：
燃料电池和燃气轮机循环回路，其包括依次连接的燃料电池、第一透平、燃烧器和第一换热器，所述第一透平的出口和所述第一换热器连接；
有机朗肯循环回路，其包括工质和依次连接的第一换热器、第二透平、冷凝器和泵；
所述有机朗肯循环回路与所述燃料电池和燃气轮机循环回路之间通过所述第一换热器进行耦合。
2.根据权利要求1所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。
3.根据权利要求1所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路中还包括压缩机，所述压缩机将空气压入所述燃料电池的正极，所述压缩机与所述第一透平同轴设置。
4.根据权利要求1所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一预热器，所述第一预热器利用所述第一换热器的出口热量预热可燃气体。
5.一种电力产生系统，包括权利要求1至4中任一项所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一发电机，所述机朗肯循环回路还包括第二发电机，所述第一透平膨胀做功驱动所述第一发电机发电，所述第二透平膨胀做功驱动所述第二发电机发电。
6.一种动力产生系统，其特征在于：包括：
燃料电池和燃气轮机循环回路，其包括依次连接的燃料电池、第一透平、燃烧器第一换热器和第二换热器；
有机朗肯循环回路，其包括工质和依次连接的第一换热器、第二换热器、第二透平、冷凝器、分流装置、第一流体泵、第二流体泵和合流装置，所述合流装置连接在所述第一换热器和第二换热器之间，所述分流装置将所述冷凝器流出的工质分成第一路工质和第二路工质，所述第一路工质通过所述第二换热器与所述第一换热器的出口热量换热；
所述有机朗肯循环回路与所述燃料电池和燃气轮机循环回路之间通过所述第一换热器和第二换热器进行耦合。
7.根据权利要求6所述的动力产生系统，其特征在于：所述有机朗肯循环回路还包括第二预热器，所述第二预热器利用所述第二透平的出口热量预热所述第二路工质，所述第一路工质和所述第二路工质在所述合流装置中汇合，经所述第一换热器升温后进入所述第二透平形成回路。
8.根据权利要求6所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路中还包括压缩机，所述压缩机将空气压入所述燃料电池的正极，所述压缩机与所述第一透平同轴设置。
9.根据权利要求6所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一预热器，所述第一预热器利用所述第一换热器的出口热量预热可燃气体。
10.一种电力产生系统，包括权利要求6至9中任一项所述的动力产生系统，其特征在于：所述燃料电池和燃气轮机循环回路还包括第一发电机，所述机朗肯循环回路还包括第二发电机，所述第一透平膨胀做功驱动所述第一发电机发电，所述第二透平膨胀做功驱动所述第二发电机发电。
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