CN108798898B - 质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统及方法。目前质子交换膜燃料电池和燃气轮机组合式系统的余热利用环节尚未充分挖掘。本发明包括燃气轮机，其特点是：还包括余热锅炉、烟气热交换器、冷凝式热交换器、溴化锂吸收式热泵、质子交换膜燃料电池、汽水闪蒸器，燃气轮机烟气出口与余热锅炉烟气进口连接，余热锅炉烟气出口与烟气热交换器烟气进口连接，烟气热交换器烟气出口与冷凝式热交换器烟气进口连接，烟气热交换器水侧出口与溴化锂吸收式热泵制热进口连接，冷凝式热交换器水侧出口与溴化锂吸收式热泵低温热源水侧进口连接。本发明的能源利用效率高，经济效益好，消除热污染的同时还提升了系统的收益。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统及方法，是一种能够回收余热供应蒸汽和热水的系统，属于余热回收利用技术领域。
背景技术
分布式能源站能够供应冷、热、电、蒸汽等多种形式的能量，调节灵活，适应性强。能源站内的主机种类较多，如燃气轮机、内燃机、微燃机等，也有示范性电站将燃料电池用作电源。分布式电站的发展日趋成熟，但是针对分布式能源站内各环节余热的利用研究还不充分，存在着可利用的余热未被有效利用的现象。
燃气轮机是一种通过燃烧天然气产生高温高压气体，带动叶轮旋转发电的热力发动机，具有体积小、重量轻、启动快等特点，在发电的同时产生大量的中低温烟气，温度一般在400—600℃，配合使用余热锅炉可以制备大量蒸汽，但是余热锅炉排出的中低温烟气的热量往往得不到充分有效的利用。
余热锅炉制备蒸汽后向外供汽，损失的水需要及时补充，补水温度的提高对提升机组的经济效益是有意义的。传统的燃煤发电锅炉，提高锅炉补水温度，可以减少燃料耗量，对余热锅炉来说，供应同等的废热烟气，补水温度的提高使得余热锅炉能生产更多的蒸汽或热水供用户使用，使得余热锅炉的经济效益得到了提升。
质子交换膜燃料电池是一种能够将工质化学能转化为电能的发电装置，具有高效环保等优点。在质子交换膜燃料电池工作时，需要向外散热，以保持电池工作在合理的温度区间，一般以60—80℃之间为宜。针对质子交换膜燃料电池的余热利用研究还不充分，利用方式也比较简单。
吸收式热泵广泛应用于余热回收领域，尤其适用于200℃以下的废热回收。根据回收目的不同，分为升温型和增热型两大类，可以回收余热制备采暖热水、生活热水、高温热水，配合汽水闪蒸器便可以制备低压蒸汽，因此广泛应用于分布式能源站系统中。
现在也有将质子交换膜燃料电池和燃气轮机组合使用的技术，如公开日为2017年09月19日，公开号为CN107178424A的中国专利中，公开了一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统，采用质子交换膜燃料电池作为飞机的电力能源，质子交换膜燃料电池为飞机提供电力，且燃料电池剩余尾气在内未利用的能量通过燃烧室为涡轮做功提供动力，另外涡轮所连同轴压气机压比与燃料电池压比相匹配，整体通过质子交换膜燃料电池与燃气轮机的混合动力，该系统的适用面较窄，且该系统各环节的余热难以得到充分利用。目前质子交换膜燃料电池和燃气轮机组合式系统的余热利用环节尚未充分挖掘，系统的能源利用效率尚需进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种进一步挖掘利用质子交换膜燃料电池和燃气轮机组合式系统各环节余热，提升能源利用效率，增加经济收益，减少废热污染的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统及方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统包括燃气轮机，其结构特点在于：还包括余热锅炉、烟气热交换器、冷凝式热交换器、烟气排出管道、低温送水管、溴化锂吸收式热泵、低温回水管、质子交换膜燃料电池、驱动热源送水管、驱动热源回水管、软化水管、中温水管、高温水管、汽水闪蒸器、低压蒸汽管道、高温热水管道、高压蒸汽管道、低温补水阀门和高温补水阀门，所述燃气轮机的烟气出口与余热锅炉的烟气进口连接，所述余热锅炉的烟气出口与烟气热交换器的烟气进口连接，所述烟气热交换器的烟气出口与冷凝式热交换器的烟气进口连接，所述冷凝式热交换器的烟气出口与烟气排出管道连接，所述冷凝式热交换器的水侧出口通过低温送水管与溴化锂吸收式热泵的低温热源进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的低温热源出口通过低温回水管与冷凝式热交换器的水侧进口连接，所述质子交换膜燃料电池的冷却水出口通过驱动热源送水管与溴化锂吸收式热泵的驱动热源进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的驱动热源出口通过驱动热源回水管与质子交换膜燃料电池的冷却水进口连接，所述软化水管与烟气热交换器的水侧进口连接，所述烟气热交换器的水侧出口通过中温水管与溴化锂吸收式热泵的制热进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的制热出口通过高温水管与汽水闪蒸器的进口连接，所述汽水闪蒸器的蒸汽出口与低压蒸汽管道连接，所述汽水闪蒸器的热水出口与高温热水管道连接，所述余热锅炉的蒸汽出口与高压蒸汽管道连接，所述低温补水阀门的进口旁接在中温水管上，所述低温补水阀门的出口与余热锅炉的补水进口连接，所述高温补水阀门的进口旁接在高温水管上，所述高温补水阀门的出口与余热锅炉的补水进口连接。
作为优选，本发明所述烟气热交换器与冷凝式热交换器均为高效防腐热交换器。
作为优选，本发明所述低温补水阀门和高温补水阀门均为联锁控制阀门。
作为优选，本发明所述溴化锂吸收式热泵为升温型热泵。
一种质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的方法，其特点在于：采用所述的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统，所述方法的步骤如下：
（1）冬季时，低温补水阀门打开，高温补水阀门联锁关闭；燃气轮机工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器加热后送往溴化锂吸收式热泵工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中排出，进入溴化锂吸收式热泵工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器加热，一部分进入溴化锂吸收式热泵继续升温，然后经汽水闪蒸器汽水分离后送给所需用户，另一部分加热后的软化水则送往余热锅炉作为锅炉补水；
（2）夏季时，低温补水阀门关闭，高温补水阀门联锁打开；燃气轮机工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器加热后送往溴化锂吸收式热泵工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中排出，进入溴化锂吸收式热泵工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器加热，然后全部进入溴化锂吸收式热泵继续升温，随后部分高温水送往余热锅炉作为锅炉补水，剩余部分高温水经汽水闪蒸器汽水分离后分别送给所需用户。
作为优选，本发明包括以下通道：烟气从燃气轮机中排出，进入余热锅炉，随后经过烟气热交换器，最后从冷凝式热交换器排出，形成烟气余热利用通道；低温热源水从冷凝式热交换器流出，经过溴化锂吸收式热泵后返回冷凝式热交换器，形成热泵低温热源通道；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中流出，经溴化锂吸收式热泵后返回质子交换膜燃料电池，形成热泵驱动热源通道；软化水先进入烟气热交换器，在经过溴化锂吸收式热泵，之后进入汽水闪蒸器后以高温热水和低品质蒸汽两种形式分别排出；软化水进入烟气热交换器，由低温补水阀门旁通进入余热锅炉，最后以高压蒸汽排出，形成冬季软化水加热通道；软化水进入烟气热交换器，由高温补水阀门旁通进入余热锅炉，最后以高压蒸汽排出，形成夏季软化水加热通道。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）逐级利用燃气轮机的废热烟气，减少了热污染，提高了系统的能源利用效率；（2）利用废热加热补水，余热锅炉的燃料耗量减少，经济效益得到提升；（3）省去了质子交换膜燃料电池冷却系统，回收电池余热的同时节省了冷却设备投资；（4）系统各部分余热被吸收式热泵有机整合利用，提升了系统的整体能源效率；（5）系统可以提供不同品质的蒸汽和热水，适用范围广；（6）结构设计合理，构思独特，运行平稳，可靠性好；（7）能源利用效率高，经济效益好，消除热污染的同时还提升了系统的收益。
附图说明
图1是本发明实施例中的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统的结构示意图。
图中：1、燃气轮机；2、余热锅炉；3、烟气热交换器；4、冷凝式热交换器；5、烟气排出管道；6、低温送水管；7、溴化锂吸收式热泵；8、低温回水管；9、质子交换膜燃料电池；10、驱动热源送水管；11、驱动热源回水管；12、软化水管；13、中温水管；14、高温水管；15、汽水闪蒸器；16、低压蒸汽管道；17、高温热水管道；18、高压蒸汽管道；19、低温补水阀门；20、高温补水阀门。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例
参见图1，本实施例中的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统包括燃气轮机1、余热锅炉2、烟气热交换器3、冷凝式热交换器4、烟气排出管道5、低温送水管6、溴化锂吸收式热泵7、低温回水管8、质子交换膜燃料电池9、驱动热源送水管10、驱动热源回水管11、软化水管12、中温水管13、高温水管14、汽水闪蒸器15、低压蒸汽管道16、高温热水管道17、高压蒸汽管道18、低温补水阀门19和高温补水阀门20。其中，烟气热交换器3与冷凝式热交换器4均为高效防腐热交换器，低温补水阀门19和高温补水阀门20均为联锁控制阀门，溴化锂吸收式热泵7为升温型热泵。
本实施例中的燃气轮机1的烟气出口与余热锅炉2的烟气进口连接，余热锅炉2的烟气出口与烟气热交换器3的烟气进口连接，烟气热交换器3的烟气出口与冷凝式热交换器4的烟气进口连接，冷凝式热交换器4的烟气出口与烟气排出管道5连接，冷凝式热交换器4的水侧出口通过低温送水管6与溴化锂吸收式热泵7的低温热源进口连接，溴化锂吸收式热泵7的低温热源出口通过低温回水管8与冷凝式热交换器4的水侧进口连接，质子交换膜燃料电池9的冷却水出口通过驱动热源送水管10与溴化锂吸收式热泵7的驱动热源进口连接，溴化锂吸收式热泵7的驱动热源出口通过驱动热源回水管11与质子交换膜燃料电池9的冷却水进口连接。
本实施例中的软化水管12与烟气热交换器3的水侧进口连接，烟气热交换器3的水侧出口通过中温水管13与溴化锂吸收式热泵7的制热进口连接，溴化锂吸收式热泵7的制热出口通过高温水管14与汽水闪蒸器15的进口连接，汽水闪蒸器15的蒸汽出口与低压蒸汽管道16连接，汽水闪蒸器15的热水出口与高温热水管道17连接，余热锅炉2的蒸汽出口与高压蒸汽管道18连接，低温补水阀门19的进口旁接在中温水管13上，低温补水阀门19的出口与余热锅炉2的补水进口连接，高温补水阀门20的进口旁接在高温水管14上，高温补水阀门20的出口与余热锅炉2的补水进口连接。
本实施例中的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统包括以下通道：烟气从燃气轮机1中排出，进入余热锅炉2，随后经过烟气热交换器3，最后从冷凝式热交换器4排出，形成烟气余热利用通道；低温热源水从冷凝式热交换器4流出，经过溴化锂吸收式热泵7后返回冷凝式热交换器4，形成热泵低温热源通道；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池9中流出，经溴化锂吸收式热泵7后返回质子交换膜燃料电池9，形成热泵驱动热源通道；软化水先进入烟气热交换器3，在经过溴化锂吸收式热泵7，之后进入汽水闪蒸器15后以高温热水和低品质蒸汽两种形式分别排出；软化水进入烟气热交换器3，由低温补水阀门19旁通进入余热锅炉2，最后以高压蒸汽排出，形成冬季软化水加热通道；软化水进入烟气热交换器3，由高温补水阀门20旁通进入余热锅炉2，最后以高压蒸汽排出，形成夏季软化水加热通道。
本实施例中的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的方法的步骤如下。
（1）冬季时，低温补水阀门19打开，高温补水阀门20联锁关闭；燃气轮机1工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉2产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器3加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器4继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器4加热后送往溴化锂吸收式热泵7工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器4继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池9中排出，进入溴化锂吸收式热泵7工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池9继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器3加热，一部分进入溴化锂吸收式热泵7继续升温，然后经汽水闪蒸器15汽水分离后送给所需用户，另一部分加热后的软化水则送往余热锅炉2作为锅炉补水。
（2）夏季时，低温补水阀门19关闭，高温补水阀门20联锁打开；燃气轮机1工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉2产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器3加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器4继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器4加热后送往溴化锂吸收式热泵7工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器4继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池9中排出，进入溴化锂吸收式热泵7工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池9继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器3加热，然后全部进入溴化锂吸收式热泵7继续升温，随后部分高温水送往余热锅炉2作为锅炉补水，剩余部分高温水经汽水闪蒸器15汽水分离后分别送给所需用户。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统，包括燃气轮机，其特征在于：还包括余热锅炉、烟气热交换器、冷凝式热交换器、烟气排出管道、低温送水管、溴化锂吸收式热泵、低温回水管、质子交换膜燃料电池、驱动热源送水管、驱动热源回水管、软化水管、中温水管、高温水管、汽水闪蒸器、低压蒸汽管道、高温热水管道、高压蒸汽管道、低温补水阀门和高温补水阀门，所述燃气轮机的烟气出口与余热锅炉的烟气进口连接，所述余热锅炉的烟气出口与烟气热交换器的烟气进口连接，所述烟气热交换器的烟气出口与冷凝式热交换器的烟气进口连接，所述冷凝式热交换器的烟气出口与烟气排出管道连接，所述冷凝式热交换器的水侧出口通过低温送水管与溴化锂吸收式热泵的低温热源进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的低温热源出口通过低温回水管与冷凝式热交换器的水侧进口连接，所述质子交换膜燃料电池的冷却水出口通过驱动热源送水管与溴化锂吸收式热泵的驱动热源进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的驱动热源出口通过驱动热源回水管与质子交换膜燃料电池的冷却水进口连接，所述软化水管与烟气热交换器的水侧进口连接，所述烟气热交换器的水侧出口通过中温水管与溴化锂吸收式热泵的制热进口连接，所述溴化锂吸收式热泵的制热出口通过高温水管与汽水闪蒸器的进口连接，所述汽水闪蒸器的蒸汽出口与低压蒸汽管道连接，所述汽水闪蒸器的热水出口与高温热水管道连接，所述余热锅炉的蒸汽出口与高压蒸汽管道连接，所述低温补水阀门的进口旁接在中温水管上，所述低温补水阀门的出口与余热锅炉的补水进口连接，所述高温补水阀门的进口旁接在高温水管上，所述高温补水阀门的出口与余热锅炉的补水进口连接；所述烟气热交换器与冷凝式热交换器均为高效防腐热交换器；所述溴化锂吸收式热泵为升温型热泵。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统，其特征在于：所述低温补水阀门和高温补水阀门均为联锁控制阀门。
3.一种质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的方法，其特征在于：采用如权利要求1～2任一权利要求所述的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的系统，所述方法的步骤如下：
（1）冬季时，低温补水阀门打开，高温补水阀门联锁关闭；燃气轮机工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器加热后送往溴化锂吸收式热泵工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中排出，进入溴化锂吸收式热泵工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器加热，一部分进入溴化锂吸收式热泵继续升温，然后经汽水闪蒸器汽水分离后送给所需用户，另一部分加热后的软化水则送往余热锅炉作为锅炉补水；
（2）夏季时，低温补水阀门关闭，高温补水阀门联锁打开；燃气轮机工作后排出烟气，烟气进入余热锅炉产生蒸汽，随后中温烟气进入烟气热交换器加热软化水，二次放热后的烟气进入冷凝式热交换器继续加热热泵低温热源水，随后排出系统；低温热源水在冷凝式热交换器加热后送往溴化锂吸收式热泵工作，降温后的低温热源水返回冷凝式热交换器继续加热完成循环；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中排出，进入溴化锂吸收式热泵工作，降温后的中温驱动热源水返回质子交换膜燃料电池继续加热完成循环；软化水进入烟气热交换器加热，然后全部进入溴化锂吸收式热泵继续升温，随后部分高温水送往余热锅炉作为锅炉补水，剩余部分高温水经汽水闪蒸器汽水分离后分别送给所需用户。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池与燃气轮机联合供应蒸汽和热水的方法，其特征在于：包括以下通道：烟气从燃气轮机中排出，进入余热锅炉，随后经过烟气热交换器，最后从冷凝式热交换器排出，形成烟气余热利用通道；低温热源水从冷凝式热交换器流出，经过溴化锂吸收式热泵后返回冷凝式热交换器，形成热泵低温热源通道；中温驱动热源水从质子交换膜燃料电池中流出，经溴化锂吸收式热泵后返回质子交换膜燃料电池，形成热泵驱动热源通道；软化水先进入烟气热交换器，在经过溴化锂吸收式热泵，之后进入汽水闪蒸器后以高温热水和低品质蒸汽两种形式分别排出；软化水进入烟气热交换器，由低温补水阀门旁通进入余热锅炉，最后以高压蒸汽排出，形成冬季软化水加热通道；软化水进入烟气热交换器，由高温补水阀门旁通进入余热锅炉，最后以高压蒸汽排出，形成夏季软化水加热通道。
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