CN109065914B - 以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统；燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；后燃室的出口与燃烧室的入口连通；燃烧室的出口与燃气透平的入口连通；余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一冷凝器的第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；第一冷凝器的第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。本发明提供的分布式能源系统，既优化了能源结构又节能环保，对中国LNG卫星站能源的合理利用具有重要的指导意义。

Description

以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统
技术领域
本发明涉及一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，具体涉及一种以液化天然气为原料的固体氧化物燃料电池-注蒸汽燃气轮机-液化天然气制冷分布式能源系统。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)的主要成分是甲烷，具有热值大、性能高等特点，是一种清洁、高效的能源。根据目前的LNG使用计划，到2020年，中国LNG需求量将达到4600万吨，届时将需要进口2500万吨LNG。近年来，随着液化天然气进口量的增加，为提高液化天然气的接收，储存、气化和运输能力，在中国内陆地区建立了许多LNG卫星站。
液化天然气气化时释放大量的冷能，约830kJ/kg。而中国兴建的LNG卫星站绝大部分是将LNG直接气化，所产生的大量冷能被海水或空气带走，这不仅造成了巨大的能源浪费，而且给环境带来严重的冷污染。
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、友好的转化为电能的装置。固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。工作时，在阴极一侧持续通入氧化气(氧气或空气)，O2吸附在多孔阴极表面，被催化还原为O2-并扩散到固体电解质与阳极的界面。同时，在阳极一侧持续通入的燃料气(氢气、一氧化碳或天然气等碳氢化合物)扩散到阳极与电解质的界面，并与O2-反应生成CO2和/或H2O，反应生成的电子通过外循环电路回到阴极，从而产生电流。固体氧化物燃料电池具有较高的电流密度且对环境零污染，因此可以作为小型家用和大型集中供电的固定电站，也可以用作移动电源。
典型的固体氧化物燃料电池系统的结构如图1所示，包括固体氧化物燃料电池、预重整器、预热器和后燃室。作为燃料气的焦炉煤气在预重整器中进行预重整后供给SOFC的阳极；同时，作为氧化气的空气经预热器预热后供给SOFC的阴极，二者在SOFC中反应产生的直流电再经DC-AC转换器转化为交流电。反应产物以及未完全反应的原料进入后燃室中充分燃烧，得到的高温燃气进入预热器与空气换热后排出。
典型的注蒸汽燃气轮机(Steam Injected Gas Turbine，STIG)系统结构如图2所示，包括压气机、燃烧室、燃气透平和余热锅炉。空气供入压气机，压缩成具有较高压力和温度的压缩空气，流入燃烧室与燃料混合燃烧，形成高温、高压、高速的高温高压燃气。高温高压燃气流入燃气透平并推动燃气透平旋转，经透平轴输出机械功并可转化为电能。透平排气可供给余热锅炉，与供给水发生换热，得到的水蒸气流入燃烧室中。
如何开发一种分布式能源系统，实现LNG冷能的有效利用，并且进一步提高SOFC和STIG的能源利用及转化效率，避免环境污染和能源浪费，使其更适合目前城市发展现状，是目前有待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，能够实现LNG冷能的有效利用，并且提高SOFC和STIG的能源利用及转化效率，避免环境污染和能源浪费。
为实现上述目的，本发明所提供的以液化天然气为原料的分布式能源系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆、燃料压缩机、预重整器、预热器和后燃室；固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机、燃气透平、燃烧室以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉，余热锅炉具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器，第一冷凝器具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；其中，固体氧化物燃料电池的阴极入口通过预热器与压气机的出口连通，阴极出口与后燃室的入口连通，阳极入口与预重整器的出口连通，阳极出口与后燃室的入口连通；燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；后燃室的出口与燃烧室的入口连通；燃烧室的出口与燃气透平的入口连通；余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。
具体的，可将空气、氧气等氧化气冷却后送入压气机中压缩，得到压缩氧化气；然后将压缩氧化气送入预热器中吸收热量后供给固体氧化物燃料电池的阴极；
同时，将燃料气在燃料压缩机中压缩得到加压燃料气；将部分加压燃料气送入预重整器中进行预重整，得到含有H2和CO2的预重整气并供给固体氧化物燃料电池的阳极，与吸热后的压缩氧化气在固体氧化物燃料电池中发生反应产生电能；
从固体氧化物燃料电池阳极出口排出的阳极尾气主要是未完全反应的燃料气，一般包括CO、H2O、H2、CO2，可将部分或全部的阳极尾气送入后燃室中；从阴极出口排出的阴极尾气一般是N2和O2，将其也送入后燃室中，与阳极尾气混合并进行充分燃烧。
后燃室出口燃气与剩余部分的加压燃料气送入燃烧室继续混合燃烧，形成高温、高压、高速的燃气流——高温燃气；该高温燃气随后流入燃气透平(或称为燃气轮机)中并推动燃气旋转，并经透平轴输出机械能，同时做功后的高温燃气形成透平排气排出。
燃气透平输出的机械能可用于驱动发送机产生电能，或者也可以作为远距离输送天然气气泵的动力。通常情况下，燃气透平与压气机同轴布置，且燃气透平与发电机组相连，使部分机械能(1/2至2/3左右)带动压气机运转，其余部分机械能用来驱动发电机发电。
从燃气透平中排出的透平排气随后流入到预热器中，与压缩氧化气发生换热后进入余热锅炉，与被送入到余热锅炉中的液态水发生换热，使液态水吸热变为水蒸气甚至过热水蒸气，而透平排气放热后从余热锅炉的热介质出口排出，即为余热锅炉排烟，而水蒸气则从冷介质出口排出并进入燃烧室中。
余热锅炉排烟随后进入第一冷凝器的第一放热通道中，与来自LNG卫星站的液化天然气换热，吸收LNG气化过程中所释放的大量冷能，得到低温高压气体排出；而LNG气化后得到的天然气则可送入燃料压缩机中压缩并作为固体氧化物燃料电池的燃料气以及燃烧室的补充燃料。
可以理解的是，燃气透平的补燃燃料可以使用但不局限于LNG重整氢气，也可使用甲醇、雾化燃油和生物气等多种类型的适应燃料。
采用上述分布式能源系统进行能源转化过程中：
(1)由于外置预重整器进行外重整，提高了SOFC阳极入口的温度，避免了单纯依赖在燃料电池中进行内重整反应大量吸热而导致的阳极气体通道入口处大幅度降温、电池内部产生温度梯度引起的能量损失和设备损耗。
(2)由于余热锅炉所产生的水蒸汽注入到燃烧室，不仅降低了系统的温度，而且也降低了对燃烧室的设备要求，降低了设备成本。
与常规的燃气轮机循环相比，由于燃烧室中所产生的高温燃气中含有水蒸气，因此无需单独配置蒸汽轮机发电机组，降低了设备投资额。并且由于水蒸汽以及部分加压燃料气的输入，还增加了燃气透平进口烟气流量，保证了燃气轮机的工作效率，使输出功也相应增大，发电量增加。
(3)后燃室和燃烧室联合，不仅容易实现该两个装置进料量和燃烧热量的控制和分配，而且也利于控制后燃室和燃烧室的电量及功耗，更接近实际生产的实际情况，也使整个分布式能源系统可控性和灵活性都更高。
(4)高温燃气除了在燃气透平中做功产生机械能外，而且得到的透平排气经过逐级能量交换，不仅获得理想的压缩氧化气，满足SOFC对于原料的实际需求，而且还用于换热产生水蒸气以供给燃烧室使用，同时还用于吸收LNG液化所产生的冷能，实现了能量的充分利用，也避免了LNG液化冷能释放所造成的环境污染以及资源浪费。
(5)以气化后的天然气作为固体氧化物燃料电池的燃料气以及燃气透平的补充燃料，不仅实现了LNG能源的合理利用，而且使整个分布式能源系统具有原料清洁、污染小的优势。
综上所述，本发明所提供的分布式能源系统通过将固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统巧妙合理组配，充分利用了液化天然气气化时所释放大量的冷能，以及梯级利用了固体氧化物燃料电池和注蒸汽燃气轮机子系统所产生的余热，不仅避免了LNG气化过程给环境带来的冷污染以及冷能浪费，有效提高了系统热效率并降低了能耗，系统的效率有了明显提高，而且增大了输出功和发电量。
实际上，上述分布式能源系统还包含了冷热电联产系统(Combined CoolingHeating and Power，CCHP)，其是以天然气为主要原料带动燃气轮机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备(比如余热锅炉等)向用户供冷、供热，具有能量效率高、用能结构合理和能够同时生产多种产品的特性。同时还可以与城市电网等联合使用进行能源互补，整个能源系统的经济效益和社会效益都相应增加。可以理解，冷能、热能和电能的供应与控制可根据需求关系、季节或经济要求等情况的变化而做成调整。当某一种能量的供应需求情况较大时可增加某一子系统的并联数量以满足供应；当某一种能量的供应需求情况较小或没有时，可在满足系统运行的前提下，减少或切断相应子系统的工质流入，完成系统的部分运行。
进一步的，固体氧化物燃料电池的阳极出口还可以与预重整器的入口连通。这样使部分阳极尾气参与到预重整反应中，还能在防止积碳的同时提高预重整温度，从而能够生成更多的氢气，使SOFC产生更多的电能。
在本发明具体实施过程中，固体氧化物燃料电池子系统还包括第一分离器和混合器，该第一分离器的入口与固体氧化物燃料电池的阳极出口连通；该第一分离器的一个出口与混合器的入口连通，该第一分离器的另一个出口与后燃室的入口连通。混合器的入口分别与阳极出口和燃料压缩机的出口连通，出口与预重整器的入口连通。
通过设置第一分离器，实现了阳极尾气的可控分离，因此可根据实际情况调整去向预重整器以及后燃室中阳极尾气的比例；通过设置混合器，使部分阳极尾气与部分加压燃料气能够首先在混合器中充分混合，从而有利于后续预重整反应的进行。
进一步的，上述分布式能源系统还可以包括第一发电装置和第二发电装置，第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，第二发电装置与燃气透平连接。
上述第一发电装置具体可以是直流交流转换器(DC-AC转换器)，以将固体氧化物燃料电池(或电池堆)所产生的直流电转换为交流电。上述第二发电装置具体可以是发电机组。
进一步的，上述液化天然气制冷子系统还可以包括干燥器和压缩机，其中：干燥器的入口与余热锅炉的热介质出口连通，干燥器的出口与压缩机的入口连通；压缩机的出口与第一放热通道的入口连通。
余热锅炉排烟首先在干燥器中干燥脱水，然后进入压缩机压缩成高温高压气体，然后在第一冷凝器中与来自于LNG卫星站的液化天然气换热，吸收LNG气化过程中所释放的大量冷能，得到低温高压气体从第一冷凝器中排出。
进一步的，上述液化天然气制冷子系统还可以包括第二冷凝器，第二冷凝器具有用于实现换热的第二放热通道和第二吸热通道，第二放热通道的两端分别与压缩机的出口和第一放热通道的入口连接，第二吸热通道内流动有循环水。
具体的，余热锅炉排烟首先在干燥器中干燥脱水，然后进入压缩机压缩成高温高压气体，高温高压气体首先进入第二冷凝器，与循环水发生换热，降温后的高温高压气体随后进入第一冷凝器，与来自于LNG卫星站的液化天然气换热，吸收LNG气化过程中所释放的大量冷能，得到低温高压气体从第一冷凝器中排出。
上述第二冷凝器的第二吸热通道中的循环水可以来自于城市水站，将循环水吸热得到的热水可以供给热用户，降温后的水返回至第二冷凝器中再次换热。
进一步的，上述液化天然气制冷子系统还可以包括第三冷凝器，第三冷凝器具有用于实现换热的第三放热通道和第三吸热通道，
第三吸热通道的入口和出口分别与第一吸热通道的出口和燃料压缩机的入口连通，第三吸热通道的出口用于与城市天然气管网连通。
进一步的，第三放热通道的出口与压气机的入口连通。
具体的，从第一冷凝器中排出的低温天然气进入第三冷凝器的吸热通道中，同时，氧化气进入第三冷凝器的放热通道中，二者换热，冷却降温后的氧化气进入压气机，降低压气机的功耗；而进一步释放冷能的天然气则从第三冷凝器中排出，根据实际供气需求，一部分作为燃料气进入SOFC子系统及STIG子系统的补充燃料，另一部分则可直接进入城市天然气管网。
通过上述液化天然气制冷子系统，实现了余热锅炉排烟中热能以及液化天然气中冷能的逐级释放和充分利用，有效避免液化天然气气化过程中冷能的浪费以及冷污染的发生，同时得到的天然气还可以作为分布式能源系统的原料使用，实现了液化天然气的合理、有效利用。
与此同时，该分布式能源系统具有一定的调峰功能，气化后的LNG可以根据实际需要，一部分作为燃料进入固体氧化物燃料电池子系统和注蒸汽燃气轮机子系统，另一部分则进入城市天然气管网。并可根据实际需求选择调整分给城市天然气管网的天然气体积。
进一步的，上述分布式能源系统还可以包括第二分离器，第二分离器的入口与第三吸热通道的出口连通，第二分离器的一个出口与燃料压缩机的入口连通，另一个出口用于与城市天然气管网连通。通过第二分离器的设置，能够更好的实现上述调峰功能。
进一步的，上述分布式能源系统还包括二氧化碳回收子系统，二氧化碳回收子系统至少包括气液分离器，气液分离器的入口与第一放热通道的出口连通。
具体的，从第一冷凝器中排出的低温高压气体可进入气液分离器中进行分离，得到高压低温的液态二氧化碳以及低温气体(含有氮气、氧气)，该液态二氧化碳可作为冷藏食品和人工降雨的制冷剂，也可以作为纯碱、尿素和汽水等的工业原料；而该低温气体可以直接排放，也可以用于城市供冷。比如可将气液分离器的气体出口用于与超低温冷库的入口连通，气液分离器的液体出口则用于与二氧化碳容置装置连通。
通过上述二氧化碳回收子系统的应用，使整个分布式能源系统有效利用了LNG冷能以及实现了尾气中二氧化碳的近乎零排放，既可以优化能源结构及节能环保，也符合中国向节能型社会发展的国策，具有极其深远的社会和战略意义，也对我国LNG卫星站合理利用冷能的未来发展方向具有一定的指导意义。
本发明提供的以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，具有以下积极效果：
①该分布式能源系统是一种有效又环保的能量利用系统，SOFC子系统有效提高系统热效率，降低了能耗，同时系统的效率有了较大提高；STIG子系统无需配备蒸汽轮机发电机组，在相同的发电能力下可以降低投资额。另外，和燃气轮机相比，由于注入了水蒸汽，使燃烧室温度降低，对设备的要求降低，还增加了燃气透平进口烟气流量，使输出功也相应增大，发电量增加。同时，还实现了LNG冷能的合理利用，避免了冷能的浪费及冷污染。
②该分布式能源系统能够有效结合冷热电联产系统，实现分布式供能的用户需求，并具有灵活控制，结构紧凑及耦合不同工业生产供能耗能的要求特点，能够满足如LNG多联产、化工产品制备等工艺复杂、种类繁多的能源工业的多项要求与发展需要。不仅能够优化能源结构及节能环保，而且符合中国向节能型社会发展的国策，对我国LNG卫星站合理利用冷能的未来发展方向具有一定的指导意义。
③该分布式能源系统，在加入二氧化碳回收子系统后，真正实现了尾气中二氧化碳的近乎零排放。
附图说明
图1为现有技术中典型的固体氧化物燃料电池系统的结构示意图；
图2为现有技术中典型的注蒸汽燃气轮机系统结构示意图；
图3为本发明一实施例所提供的以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统的结构示意图。
附图标记说明：
110-固体氧化物燃料电池； 111-阳极；
112-阴极； 113-电解质；
120-燃料压缩机； 130-预重整器；
140-预热器； 150-后燃室；
160-混合器； 170-第一分离器；
180-第一发电装置； 210-压气机；
220-燃气透平； 230-燃烧室；
240-余热锅炉； 250-第二发电装置；
310-干燥器； 320-压缩机；
330-第一冷凝器； 340-第二冷凝器；
350-第三冷凝器； 260-水泵；
370-第二分离器； 410-气液分离器；
420-冷库。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
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。在不冲突的情况下，下述实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
图3为本发明一实施例所提供的以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统的结构示意图。如图3所示，本实施例提供一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：
固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆(未图示)、燃料压缩机120、预重整器130、预热器140、后燃室150，固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池110，固体氧化物燃料电池110具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；
注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机210、燃气透平220、燃烧室230以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉240，余热锅炉240具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；
液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器330，第一冷凝器330具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；
其中，固体氧化物燃料电池110的阴极入口通过预热器140与压气机210的出口连通，阴极出口与后燃室150的入口连通，阳极入口与预重整器130的出口连通，阳极出口与后燃室150的入口连通；
燃料压缩机120的出口分别与预重整器130的入口和燃烧室230的入口连通；
后燃室150的出口与燃烧室230的入口连通；
燃烧室230的出口与燃气透平220的入口连通；
余热锅炉240的热介质入口经预热器140与燃气透平220的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室230的入口连通；
第一冷凝器330的第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机120的入口连通。
具体的，上述固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统中所用的装置和设备，均可以为领域常规的装置和设备。
其中，固体氧化物燃料电池堆(简称电池堆)是由多个固体氧化物燃料电池110(简称单电池)通过连接体(未图示)以各种方式(串联、并联、混联)组装而成。每个固体氧化物燃料电池110均包括阳极111、阴极112和电解质113，其中阳极111和阴极112位于电解质113的相对表面上，且固体氧化物燃料电池110具有供燃料气(或者预重整气)进入的阳极入口以及供阳极尾气排出的阳极出口，具有供空气、氧气等氧化气进入的阴极入口以及供阴极尾气排出的阴极出口。
燃料压缩机120具有供燃料气进入的入口，以及供加压燃料气排出的出口，燃料压缩机120的出口与预重整器130的入口连通；燃料压缩机120的出口还与燃烧室230的入口连通，以将一部分加压燃料气供给预重整器130，另一部分加压燃料气供给燃烧室230作为补充燃料。
预重整器130的出口与阳极入口连通，使从预重整器130排出的预重整气流入固体氧化物燃料电池110的阳极111。
压气机210具体可以是目前常用的空气压缩机，氧化气从压气机210的入口进入，经压缩后得到的压缩氧化气从压气机210的出口排出。压气机210的出口经过预热器140与阴极入口连通，使压缩氧化气在预热器140中吸热后进入阴极112，在固体氧化物燃料电池110中发生反应产生电流。
固体氧化物燃料电池110上还可以安装有第一发电装置180，该第一发电装置180具体可以是直流交流转换器(DC-AC转换器)，以将所产生的直流电转换为交流电。
阳极111未完全反应的气体从阳极出口排出，一部分阳极尾气可以与阴极尾气进入后燃室150进行充分燃烧，得到的后燃室出口燃气。
后燃室150的出口与燃烧室230的入口连接，后燃室出口燃气与部分加压燃料气在燃烧室230中混合燃烧，得到的高温燃气从燃烧室230排出。
燃烧室230的出口与燃气透平220的入口连通，从燃烧室230排出的高温燃气进入燃气透平220中，输出机械能并得到透平排气。
燃气透平220与压气机210同轴布置，且还可将燃气透平220与第二发电装置250连接，以使燃气透平220所输出的部分机械能用于带动压气机210运转，其余的机械能用于驱动第二发电装置250。
上述第二发电装置250具体可以是发电机组，以向外输出电能。
具体的，余热锅炉240具有热介质入口和热介质出口，冷介质入口和冷介质出口，其中热介质入口和出口分别供透平排气进入以及放热后的透平排气排出，冷介质入口和冷介质出口分别供水进入以及水蒸气排出。
其中，燃气透平220的出口通过预热器140与余热锅炉240的热介质入口连通，在余热锅炉240中，透平排气与水进行热交换，水吸热变成水蒸气并从冷介质出口排出，而透平排气换热后从余热锅炉240的热介质出口排出，得到余热锅炉排烟。
本实施例中，余热锅炉240可以采用但不局限于单压气液表面换热式，也可采用双压换热或多级换热等其他结构布置，不做特别限定。
进入余热锅炉240中的水可以通过水泵260加压进入，不做特别限定。
第一冷凝器330具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道，其中第一放热通道的入口与压缩机320的出口连通，第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机120的入口连通。
进一步参考图3，上述能源系统还包括混合器160和第一分离器170，其中，第一分离器170的入口与固体氧化物燃料电池110的阳极出口连通，第一分离器170的一个出口与混合器160的入口连通，另一个出口与后燃室150的入口连通。混合器160的入口分别与阳极出口和燃料压缩机120的出口连通，出口与预重整器130的入口连通。
通过设置第一分离器170，使部分阳极尾气送入后燃器150中，剩余部分阳极尾气进入混合器160，因此可根据实际情况调整两部分阳极尾气的比例；通过设置混合器160，使部分阳极尾气与部分加压燃料气能够首先在混合器160中充分混合，从而有利于后续预重整反应的进行。
进一步参考图3，余热锅炉240的冷介质出口与燃烧室230的入口连通，从而将产生的水蒸气、后燃室出口燃气以及加压燃料在燃烧室230中进行混合燃烧。或者，还可以将余热锅炉240的冷介质出口与燃气透平220的入口连通。
进一步参考图3，本实施例所提供的能源系统，其液化天然气制冷子系统还可以进一步包括干燥器310和压缩机320，其中：干燥器310的入口与余热锅炉240的热介质出口连通，干燥器310的出口与压缩机320的入口连通；压缩机320的出口与所述第一放热通道的入口连通。
余热锅炉排烟先首在干燥器310中进行脱水干燥，然后进入压缩机320中压缩成高温高压气体，经过第一冷凝器330时，与来自LNG卫星站的LNG换热，吸收LNG气化过程中所释放的大量冷能，得到低温高压气体。
LNG在第一冷凝器330中吸热气化，得到的天然气可排出进入城市天然气管网，或者将部分天然气作为燃料气输送给燃料压缩机120。
进一步参考图3，上述液化天然气制冷子系统还可以包括第二冷凝器340，第二冷凝器340具有用于实现换热的第二放热通道(未图示)和第二吸热通道(未图示)，第二放热通道的两端分别与压缩机230的出口和第一放热通道的入口连接，第二吸热通道内流动有循环水。
由于设置了第二冷凝器340，因此余热锅炉排烟首在干燥器310中进行脱水干燥，然后进入压缩机320中压缩成高温高压气体。该高温高压气体随后进入第二冷凝器340的第二放热通道内，将其热量传递给循环水。换热后的高温高压气体进入第一冷凝器330继续换热。
上述第二吸热通道中的循环水可以来自于城市水站，循环水吸热得到的热水可以用于给热用户供热，降温后的水返回至第二冷凝器340中再次换热。
经过上述对余热锅炉排烟中能量的逐级利用，不仅实现了其中热量的充分利用，而且还实现了LNG的气化并参与城市供热工作，有效利用了LNG气化过程中所释放的冷能并降低了城市供热水过程中的能耗。
进一步参考图3，上述液化天然气制冷子系统还可以包括第三冷凝器350，第三冷凝器350具有用于实现换热的第三放热通道(未图示)和第三吸热通道(未图示)，第三吸热通道的入口与第一吸热通道的出口连通；第三吸热通道的出口与燃料压缩机120的入口连通，第三吸热通道的出口还用于与城市天然气管网连通。
具体的，从第一冷凝器330中排出的低温天然气进入第三冷凝器350的吸热通道中，同时，氧化气进入第三冷凝器350的放热通道中，二者换热，冷却降温后的氧化气进入压气机210，从而能够降低压气机210的功耗；而进一步释放冷能的天然气则从第三冷凝器350中排出。根据实际供气需求，一部分作为燃料气进入固体氧化物燃料电池子系统，另一部分则可直接进入城市天然气管网。
具体的，可以在第三冷凝器350上连接第二分离器370，将从第三冷凝器350中排出的天然气分离，一部分进入城市天然气管网，另一部分送入燃料压缩机210中作为固体氧化物燃料电池110的燃料气。
通过上述液化天然气制冷子系统，实现了液化天然气中冷能的逐级释放和充分利用，避免液化天然气气化过程中冷能的浪费以及冷污染的发生，同时得到的天然气既可进入城市天然气管网，还可以作为能源系统的原料使用，实现了液化天然气的合理、有效利用。
进一步参考图3，本实施例提供的能源系统还可以包括二氧化碳回收子系统，该二氧化碳回收子系统至少包括气液分离器410，气液分离器410的入口与第一放热通道的出口连通。
具体的，从第一冷凝器330排出的低温高压气体在气液分离器410中进行分离，得到高压低温的液态二氧化碳以及低温气体。
该液态二氧化碳可作为冷藏食品和人工降雨的制冷剂，也可以作为纯碱、尿素和汽水等的工业原料；而该低温气体可以用于城市供冷，比如供给冷用户。具体的，可将气液分离器410的气体出口用于与冷库420的入口连通。
实施例二
采用实施例一中的分布式能源系统进行能源利用，该分布式能源系统在特定工况下的主要模拟条件如表1所示，相应的能量平衡表如表2所示；平衡表如表3所示。
表1能源系统模拟条件
表2系统能量平衡表
表3系统平衡表
根据上表计算结果表明，在设计工况下，该分布式能源系统的总电效率、总热效率和总效率分别为57.08％、72.77％和61.9％，同时回收了温度-69℃，压力为0.3MPa的液态CO2的质量流率12.46kmol/h。
由此可见，本发明提出的以LNG为燃料的SOFC-STIG新型分布式能源系统是一种有效又环保的能量利用方式，引入SOFC子系统有效提高系统热效率，降低了能耗，同时系统的效率有了较大提高；引入的STIG子系统不用配备蒸汽轮机发电机组，在相同的发电能力下可以降低投资额。另外，和燃气轮机相比，注蒸汽燃气轮机由于注入了蒸汽，使燃烧室温度降低，对设备的要求降低，且由于蒸汽的输入，还增加了透平进口烟气流量，使输出功也相应增大，发电量增加；同时利用LNG冷能及尾气中CO2的近乎零排放既可以优化能源结构及节能环保，也符合中国向节能型社会发展的国策，具有极其深远的社会和战略意义，对我国LNG卫星站合理利用冷能的未来发展方向具有一定的指导意义。
本发明中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：
所述固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆、燃料压缩机、预重整器、预热器和后燃室；所述固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；
所述注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机、燃气透平、燃烧室以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉，所述余热锅炉具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；
所述液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器，所述第一冷凝器具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；
其中，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口通过预热器与压气机的出口连通，阴极出口与后燃室的入口连通，阳极入口与预重整器的出口连通，阳极出口与后燃室的入口连通；
所述燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；
所述后燃室的出口与所述燃烧室的入口连通；
所述燃烧室的出口与所述燃气透平的入口连通；
所述余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；
所述第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通；
所述分布式能源系统还包括二氧化碳回收子系统，所述二氧化碳回收子系统包括气液分离器和二氧化碳容置装置，所述气液分离器的入口与所述第一放热通道的出口连通，所述气液分离器的液体出口与所述二氧化碳容置装置连通。
2.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口还与预重整器的入口连通。
3.根据权利要求2所述的分布式能源系统，其特征在于，还包括第一分离器和混合器，
所述第一分离器具有入口和两个出口，所述第一分离器的入口与固体氧化物燃料电池的阳极出口连通；所述第一分离器的其中一个出口与后燃室的入口连通；
所述混合器具有入口和出口，所述混合器的入口分别与第一分离器的另一个出口以及燃料压缩机的出口连通，所述混合器的出口与预重整器的入口连通。
4.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，还包括第一发电装置和第二发电装置，所述第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，所述第二发电装置与燃气透平连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的分布式能源系统，其特征在于，所述液化天然气制冷子系统还包括干燥器和压缩机，其中：
所述干燥器的入口与所述余热锅炉的热介质出口连通，所述干燥器的出口与所述压缩机的入口连通；所述压缩机的出口与所述第一放热通道的入口连通。
6.根据权利要求5所述的分布式能源系统，其特征在于，所述液化天然气制冷子系统还包括第二冷凝器，所述第二冷凝器具有用于实现换热的第二放热通道和第二吸热通道，
所述第二放热通道的两端分别与压缩机的出口和第一放热通道的入口连接，所述第二吸热通道内流动有循环水。
7.根据权利要求6所述的分布式能源系统，其特征在于，所述液化天然气制冷子系统还包括第三冷凝器，所述第三冷凝器具有用于实现换热的第三放热通道和第三吸热通道，
所述第三吸热通道的入口和出口分别与第一吸热通道的出口和燃料压缩机的入口连通，所述第三吸热通道的出口用于与城市天然气管网连通。
8.根据权利要求7所述的分布式能源系统，其特征在于，还包括第二分离器，所述第二分离器的入口与所述第三吸热通道的出口连通，所述第二分离器的一个出口与燃料压缩机的入口连通，另一个出口用于与城市天然气管网连通。
9.根据权利要求7所述的分布式能源系统，其特征在于，所述第三放热通道的出口与压气机的入口连通。
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