CN106593651B - 天然气管道差压燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然气管道差压燃料电池发电系统。该系统包括加热装置，差压发电装置及燃料电池发电装置，加热装置的天然气进口管道与高压天然气管网相连，加热装置的天然气出口管道与调压装置的进口管道相连，且调压装置的出口管道与低压天然气管网相连；差压发电装置的天然气进口管道与加热装置的天然气出口管道相连，差压发电装置的天然气出口管道与低压天然气管网相连；燃料电池发电装置的燃料进口与低压天然气管网相连。本发明上述的发电系统很好地将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池发电技术相结合，利用燃料电池发电装置和差压发电装置形成的清洁能源发电系统有效地将天然气管网释放的压力能转换为电能，提高了天然气的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及发电领域，具体而言，涉及一种天然气管道差压燃料电池发置系统。
背景技术
能源问题近些年一直受到广泛的关注。随着三大化石能源的不断使用，能储备、过度开采，环境问题越来越严重。世界能源组织调查显示，包括煤、石油、天然气等在内的矿物质能源将在未来的100～200年内耗尽，新的能源利用技术将被不断的开发并利用起来。燃料电池就是一种潜力巨大的新能源。
未来20年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电装置将会有很大市场。燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，形成更高效率的发电方式。
目前世界上天然气的长输管道均采用高压，国内外多数天然气长输管道压力都在10MPa以上。各地区的天然气分输站和接收站，根据下游用户的供气压力要求将主干管道天然气进行调压后供应给城市燃气户。天然气在调压过程中释放出大量的压力能，这些压力能可以用于发电、制冷、液化、加热等方面的回收利用。
然而，关于天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池技术的联合应用，目前在高压天然气管网尚未提供有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种天然气管道差压燃料电池发电系统，以解决现有技术中无法将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池技术联合应用的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种天然气管道差压燃料电池发电系统，其包括加热装置，加热装置的天然气进口管道与高压天然气管网相连，加热装置的天然气出口管道与调压装置的进口管道相连，且调压装置的出口管道与低压天然气管网相连；差压发电装置，差压发电装置的天然气进口管道与加热装置的天然气出口管道相连，差压发电装置的天然气出口管道与低压天然气管网相连；以及燃料电池发电装置，燃料电池发电装置的燃料进口与低压天然气管网相连。
进一步地，发电系统还包括：燃气轮机发电装置，燃气轮机发电装置的燃料进口与低压天然气管网相连。
进一步地，差压发电装置为涡轮透平机。
进一步地，加热装置为余热锅炉。
进一步地，余热锅炉的烟气进口分别与燃料电池发电装置的烟气出口、燃气轮机发电装置的烟气出口相连。
进一步地，发电系统还包括：引风机，引风机的进口与余热锅炉的烟气出口相连；烟囱，烟囱与引风机的出口相连。
进一步地，余热锅炉的燃料气进口与低压天然气管网相连。
进一步地，发电系统还包括：电功率调节器，电功率调节器分别与差压发电装置的输出电路、燃料电池发电装置的输出电路及燃气轮机发电装置的输出电路相连。
进一步地，发电系统还包括：空气管道，空气管道分别与余热锅炉的进风口、燃料电池发电装置的进风口及燃气轮机发电装置的进风口相连。
进一步地，调压装置为调压阀。
应用本发明的技术方案，提供了一种天然气管道差压燃料电池发电系统，其包括加热装置，差压发电装置，以及燃料电池发电装置；加热装置的进口管道与高压天然气管网相连，加热装置的出口管道分别与调压装置的进口管道、差压发电装置的进口管道相连；调压装置的出口管道、差压发电装置的出口管道分别与低压天然气管网相连；燃料电池发电装置的燃料进口与低压天然气管网相连。
利用本发明提供的上述发电系统，高压天然气管网的天然气先进入加热装置进行加热。加热后的天然气中的一路经调压装置调压后进入低压天然气管网，另一路则进入差压发电装置做功发电，做功后的天然气继续进入低压天然气管网。另外，低压管网的一路天然气进入燃料电池发电装置，在阳极进行天然气的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。由此可见，本发明上述的发电系统很好地将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池发电装置技术相结合，利用燃料电池发电装置和差压发电装置形成的清洁能源发电系统有效地将天然气管网释放的压力能转换为电能，提高了天然气的综合利用率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的一种实施例的天然气管道差压燃料电池发电系统示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、加热装置；11、调压装置；20、差压发电装置；30、燃料电池发电装置；40、燃气轮机发电装置；50、引风机；60、烟囱；70、电功率调节器；a、高压天然气管网；b、低压天然气管网；c、城市电网；d、空气。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
正如背景技术部分所描述的，现有技术目前无法将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池发电技术联合应用，以至于天然气管网释放的压力能大大浪费。
为了解决这一问题，本发明提供了一种天然气管道差压燃料电池发电系统，如图1所示，其包括加热装置10，差压发电装置20以及燃料电池发电装置30，加热装置10的天然气进口管道与高压天然气管网a相连，加热装置10的天然气出口管道分别与调压装置11的进口管道、差压发电装置20的天然气进口管道相连；调压装置11的出口管道、差压发电装置20的天然气出口管道分别与低压天然气管网b相连；燃料电池发电装置30的燃料进口与低压天然气管网b相连。
利用本发明提供的上述发电系统，高压天然气管网a的天然气先进入加热装置10进行加热。加热后的天然气中的一路经调压装置11调压后进入低压天然气管网b，另一路则进入差压发电装置20做功发电，做功后的天然气继续进入低压天然气管网b。另外，低压天然气管网a的一路天然气进入燃料电池发电装置30，在阳极进行天然气的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。由此可见，本发明上述的发电系统很好地将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池技术相结合，利用燃料电池发电装置30和差压发电装置20形成的清洁能源发电系统有效地将天然气管网释放的压力能转换为电能，提高了天然气的综合利用率。
在一种优选的实施例中，如图1所示，发电系统还包括：燃气轮机发电装置40，燃气轮机发电装置40的燃料进口与低压天然气管网b相连。进一步设置燃气轮机发电装置40，低压管网的一路天然气进入燃气轮机发电装置40，燃气轮机发电装置40的压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的天然气混合后燃烧，成为高温燃气，并流入燃气透平中膨胀做功，驱动发电机一起旋转。这样，可以利用燃气轮机发电装置40进一步进行天然气发电，从而可以进一步提高天然气的利用率。
优选地，燃气轮机发电装置40、燃料电池发电装置30与低压天然气管网b的连接端位于差压发电装置20、调压装置11与低压天然气管网b连接端的下游。
在一种优选的实施例中，差压发电装置20为涡轮透平机。采用涡轮透平机作为差压发电装置20，加热后的天然气中的一路进入涡轮透平机膨胀做功，驱动发电机一起旋转，做功后的天然气进入低压管网。涡轮透平机的发电效率较高，有利于进一步提高天然气运输压力能的利用率。
上述加热装置可以采用常用类型，更优选地，加热装置10为余热锅炉。利用余热锅炉能够更有效地加热天然气。
在一种优选的实施例中，余热锅炉的烟气进口分别与燃料电池发电装置30的烟气出口、燃气轮机发电装置40的烟气出口相连。在燃料电池发电装置30和燃气轮机发电装置40的发电过程中，均会产生高温烟气。将这些高温烟气输送至余热锅炉，可以作为天然气的加热介质，从而达到节能的目的。
在一种优选的实施例中，发电系统还包括：引风机50和烟囱60，引风机50的进口与余热锅炉的烟气出口相连；烟囱60与引风机50的出口相连。燃料电池发电装置30和燃气轮机发电装置40的发电过程中产生的高温烟气，在经余热锅炉的热回收后，形成的低温烟气能够在引风机50的引送作用下进入烟囱60，待燃烧后排放至大气。
当然，为了弥补高温烟气的热量不足，在一种优选的实施例中，余热锅炉的燃料气进口与低压天然气管网相连。这样，可以在高温烟气无法满足余热锅炉加热高压天然气所需要的温度时，余热锅炉可以自动补充天然气进行燃烧，达到高压天然气所需要的加热温度。
在一种优选的实施例中，如图1所示，发电系统还包括：电功率调节器70，电功率调节器70分别与差压发电装置20的输出电路、燃料电池发电装置30的输出电路及燃气轮机发电装置40的输出电路相连。利用电功率调节器70，可以对差压发电装置20、燃料电池发电装置30及燃气轮机发电装置40所输出的电力进行电功率调节，从而可以将调解后的电送入城市电网c。
在一种优选的实施例中，发电系统还包括：空气管道，空气管道分别与余热锅炉的进风口、燃料电池发电装置30的进风口及燃气轮机发电装置40的进风口相连。空气管道可以为余热锅炉、燃料电池发电装置30及燃气轮机发电装置40提供助燃气，可以是空气d，也可以是氧气。
在一种优选的实施例中，调压装置11为调压阀。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
利用本发明提供的上述发电系统，高压天然气管网的天然气先进入加热装置进行加热。加热后的天然气中的一路经调压装置调压后进入低压天然气管网，另一路则进入差压发电装置做功发电，做功后的天然气继续进入低压天然气管网。另外，低压天然气管网的一路天然气进入燃料电池发电装置，在阳极进行天然气的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。由此可见，本发明上述的发电系统很好地将天然气管网释放的压力能和新能源燃料电池技术相结合，利用燃料电池发电装置和差压发电装置形成的清洁能源发电系统有效地将天然气管网释放的压力能转换为电能，提高了天然气的综合利用率。更优选地，进一步设置燃气轮机发电装置，低压管网的一路天然气进入燃气轮机发电装置，燃气轮机发电装置的压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的天然气混合后燃烧，成为高温燃气，并流入燃气透平中膨胀做功，驱动发电机一起旋转。这样，可以利用燃气轮机发电装置进一步进行天然气发电，从而可以进一步提高天然气的利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种天然气管道差压燃料电池发电系统，其特征在于，包括：
加热装置(10)，所述加热装置(10)的天然气进口管道与高压天然气管网相连，所述加热装置(10)的天然气出口管道与调压装置(11)的进口管道相连，且所述调压装置(11)的出口管道与低压天然气管网相连；
差压发电装置(20)，所述差压发电装置(20)的天然气进口管道与所述加热装置(10)的天然气出口管道相连，所述差压发电装置(20)的天然气出口管道与所述低压天然气管网相连；以及
燃料电池发电装置(30)，所述燃料电池发电装置(30)的燃料进口与所述低压天然气管网相连；
所述发电系统还包括：燃气轮机发电装置(40)，所述燃气轮机发电装置(40)的燃料进口与所述低压天然气管网相连；
所述差压发电装置(20)为涡轮透平机；
所述加热装置(10)为余热锅炉；
所述余热锅炉的烟气进口分别与所述燃料电池发电装置(30)的烟气出口、所述燃气轮机发电装置(40)的烟气出口相连；
所述发电系统还包括：引风机(50)，所述引风机(50)的进口与所述余热锅炉的烟气出口相连；烟囱(60)，所述烟囱(60)与所述引风机(50)的出口相连；
所述余热锅炉的燃料气进口与所述低压天然气管网相连。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括：
电功率调节器(70)，所述电功率调节器(70)分别与所述差压发电装置(20)的输出电路、所述燃料电池发电装置(30)的输出电路及所述燃气轮机发电装置(40)的输出电路相连。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括：
空气管道，所述空气管道分别与所述余热锅炉的进风口、所述燃料电池发电装置(30)的进风口及所述燃气轮机发电装置(40)的进风口相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述调压装置(11)为调压阀。
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- 2017-01-16 CN CN201710030167.6A patent/CN106593651B/zh active Active
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