CN109252959B - 船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法 - Google Patents

船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统，它的压气机的空气输入口用于通入空气，压气机的空气输出口连接回热器，回热器气体输出端连接电池堆阴极，燃料瓶的燃料输出端连接预重整器的燃料输入端，蒸馏水预热器的输出端连接预重整器，预重整器的输出端连接电池堆阳极，固体氧化物燃料电池的阳极和阴极排放气体输出管路用于将电池堆阴极和电池堆阳极排放的气体导入燃烧室，燃烧室的尾气输出端连接透平的进气口，透平的出气口连接回热器的进气口，回热器的尾气排出口通过尾气传输管路连接余热锅炉，余热锅炉的过热蒸汽输出端连接燃烧室的过热蒸汽输入端；本发明实现了船舶辅锅炉的废热利用。

Description

船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及 方法
技术领域
本发明涉及供电系统技术领域，具体地指一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法。
背景技术
远洋船舶搭载的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种中高温燃料电池，其工作温度一般在600～1000℃，排气温度通常超过了600℃。由于不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率比普通热机高出很多，高达60～80％。由于燃料电池的工作特点，不能完全氧化燃料，即不能转换燃料中的全部能量，因此在系统排气中仍有部分氢气和一氧化碳存在，极大的浪费了能源。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统及方法，本发明不仅能利用SOFC的高品位废热，而且也实现了船舶辅锅炉的废热利用。同时，采用了注蒸汽燃气轮机，改善了燃烧情况，增加了输出功率，降低了NOx的排放。为船舶电网提供了另外一种供电方式，增加了船舶的航行安全，也起到了节能减排作用。
为实现此目的，本发明所设计的一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统，它包括压气机、回热器、固体氧化物燃料电池、燃料瓶、预重整器、燃烧室、透平、余热锅炉、蒸馏水预热器，其中，所述压气机的空气输入口用于通入空气，压气机的空气输出口连接回热器的气体输入端，回热器气体输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阴极，燃料瓶的燃料输出端连接预重整器的燃料输入端，蒸馏水预热器的输入端用于导入蒸馏水，蒸馏水预热器的输出端连接预重整器的蒸馏水输入端，预重整器的输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阳极，固体氧化物燃料电池的阳极和阴极排放气体输出管路用于将电池堆阴极和电池堆阳极排放的气体导入燃烧室，燃烧室的尾气输出端连接透平的进气口，透平的出气口连接回热器的尾气进气口，回热器的尾气排出口通过尾气传输管路连接余热锅炉，余热锅炉具有尾气排放口和蒸馏水输入口，余热锅炉的过热蒸汽输出端连接燃烧室的过热蒸汽输入端；
透平能向压气机提供驱动机械能，带动压气机工作，燃料瓶的燃料输出端还连接燃烧室的燃料输入端。
一种利用上述系统的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：燃料瓶输出的燃料与蒸馏水预热器输出的预热后的水蒸气在预重整器发生重整反应和水汽置换反应，反应后的产物进入固体氧化物燃料电池的电池堆阳极；
步骤2：空气由压气机送入回热器，回热器将加热空气送入固体氧化物燃料电池的电池堆阴极，固体氧化物燃料电池的电池堆阳极和电池堆阴极中的气体在固体氧化物燃料电池内进行电化学反应，电池堆阳极反应后产生的含有氢气和一氧化碳的阳极排气与电池堆阴极反应后产生的含有氧气的阴极排气通过阳极和阴极排放气体输出管路输入燃烧室；
同时，燃料瓶将燃料输入燃烧室，余热锅炉通过过热蒸汽传输管将过热蒸汽输入燃烧室；
步骤3：输入燃烧室内的含有氢气和一氧化碳的阳极排气、含有氧气的阴极排气、燃料和过热蒸汽发生氧化燃烧反应，充分消耗阳极排气和阴极排气中的可燃气体，排出燃烧尾气；
步骤4：燃烧室将燃烧尾气输送到透平膨胀做功，带动压气机和发电机工作，从透平出来的燃烧尾气进入回热器中与压气机输送的空气进行热交换，回热器中经过热交换后的燃烧尾气进入余热锅炉，经过热交换后的燃烧尾气的废热在余热锅炉中用于加热从蒸馏水输入口输入的蒸馏水，以产生注入燃烧室的过热蒸汽，对蒸馏水进行加热后的燃烧尾气最后从余热锅炉排出。
本发明的有益效果：
本发明中注蒸汽燃气轮机，即STIG(Steam-injected Gas Turbine)，通过注蒸汽方式提高燃气轮机循环的热效率。其利用燃气轮机排出的高温废气来加热水得到过热蒸汽，再把得到的过热蒸汽注入到燃烧室中，与燃料还有压缩空气进行混合，可以改善燃烧室的燃烧情况。由于燃烧室中回注蒸汽，机组的做功工质流量中增加了蒸汽流量，在保持燃气初温不变时燃料量要增加，而压气机压比不变，其耗功不增加，故机组的输出功率可大大增加，效率也相应提高。另外，还使得透平排出的高温气体得以利用，回收了废热。还有，燃气中注入一部分水蒸汽，使燃气初温降低，有利于增加涡轮的寿命，同时也会使混合气体的换热系数增大，有利于燃气透平的导叶和动叶的换热，减小了燃机转子的热惯性。也可以使燃气排气温度大幅度降低。还由于有一部分蒸汽被喷到燃烧室的燃烧区中去，因此可以适当地降低火焰的温度，从而有效地抑制了NOx的生成，其含量可降低90％以上。
远洋船舶，不限航区，常常采取经济航速或者航行于寒冷区域，其船上利用主机排烟余热的废气锅炉往往供气不足，需要辅锅炉连续运转。这样，才能为船舶设备和船员生活提供充足的供热。所发明的系统也利用到了辅锅炉的排烟废热。
本发明的一种固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统(SOFC-STIG)，安装在辅锅炉系统上。为船舶电网提供了另外一种供电方式，增加了船舶的航行安全。也为船舶的节能减排和保护生态环境起到了作用。
附图说明
图1为本发明结构框图。
其中，1-压气机、2-回热器、3-电池堆阴极、4-阳极和阴极排放气体输出管路、5-燃料瓶、6-预重整器、7-电池堆阳极、8-燃烧室、9-辅锅炉的烟道、10-透平、11-尾气传输管路、12-余热锅炉、13-蒸馏水输入口、14-过热蒸汽传输管、15-尾气排放口、16-蒸馏水预热器、17-辅锅炉烟道旁通管路、18-预热器温度及通断调节阀门、19-燃料电池预热器、20-废气排出口、21-发电机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统，如图1所示，它包括压气机1、回热器2、固体氧化物燃料电池、燃料瓶5、预重整器6、燃烧室8、透平10、余热锅炉12、蒸馏水预热器16，其中，所述压气机1的空气输入口用于通入空气，压气机1的空气输出口连接回热器2的气体输入端，回热器2气体输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阴极3(回热器2对空气进行加热)，燃料瓶5的燃料输出端连接预重整器6的燃料输入端，蒸馏水预热器16的输入端用于导入蒸馏水，蒸馏水预热器16的输出端连接预重整器6的蒸馏水输入端，预重整器6的输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阳极7，固体氧化物燃料电池的阳极和阴极排放气体输出管路4用于将电池堆阴极3和电池堆阳极7排放的气体导入燃烧室8，燃烧室8的尾气输出端连接透平10的进气口，透平10的出气口连接回热器2的尾气进气口，回热器2的尾气排出口通过尾气传输管路11连接余热锅炉12，余热锅炉12具有尾气排放口15和蒸馏水输入口13，余热锅炉12的过热蒸汽输出端连接燃烧室8的过热蒸汽输入端(由于燃烧室中回注过热蒸汽，机组的做功工质流量中增加了蒸汽流量，在保持燃气初温不变时燃料量要增加，而压气机压比不变，其耗功不增加，故机组的输出功率可大大增加，效率也相应提高)；
透平10能向压气机1提供驱动机械能，带动压气机1工作，压气机1具有空气输入端，压气机1的空气输出端连接回热器2的空气输入端，回热器2的加热空气输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阴极3的加热空气输入端，燃料瓶5的燃料输出端还连接燃烧室8的燃料输入端。
上述技术方案中，它还包括预热器温度及通断调节阀门18(通过调节阀门的开度，控制烟气流量，来调节温度)和燃料电池预热器19，所述燃料电池预热器19的气体输入端通过辅锅炉烟道旁通管路17连接预热器温度及通断调节阀门18的输出端，预热器温度及通断调节阀门18的输入端连接辅锅炉的烟道9，燃料电池预热器19用于对固体氧化物燃料电池进行预热，燃料电池预热器19具有废气排出口20。
上述技术方案中，所述透平10能向发电机21提供驱动机械能，带动发电机21工作。
本发明包括固体氧化物燃料电池系统，注蒸汽燃气轮机系统和辅锅炉余热利用系统。
固体氧化物燃料电池系统包括燃料瓶、预热器、预重整器、燃料电池预热器、固体氧化物燃料电池电堆。因为固体氧化物燃料电池操作温度在650～1000℃，为保护电池组件，升温速率不能太快，启动时间长。为减少预热时间，达到快速启动。可利用辅锅炉的排烟余热，为此在燃料电池电堆外围加装了预热器，预热器的热源来自辅锅炉排烟，并且在烟道管路上加装了排烟调节阀门，以控制电推预热器温度。燃料瓶可加装天然气。余热锅炉实际上是一个废热换热器，吸收涡轮排出废气余热。联合发电系统所需蒸馏水来自辅锅炉热水井。
一种利用上述系统的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，它包括如下步骤：
步骤1：燃料瓶5输出的燃料(天然气，主要含量甲烷)与蒸馏水预热器16输出的预热后的水蒸气在预重整器6中发生重整反应和水汽置换反应，反应后的产物(氢气)进入固体氧化物燃料电池的电池堆阳极7；
步骤2：空气由压气机1送入回热器2，回热器2将加热空气送入固体氧化物燃料电池的电池堆阴极3，固体氧化物燃料电池的电池堆阳极7和电池堆阴极3中的气体在固体氧化物燃料电池内进行电化学反应，电池堆阳极7反应后产生的含有氢气和一氧化碳的阳极排气(还含有二氧化碳和甲烷)与电池堆阴极3反应后产生的含有氧气的阴极排气通过阳极和阴极排放气体输出管路4输入燃烧室8；
同时，燃料瓶5将燃料输入燃烧室8，余热锅炉12通过过热蒸汽传输管14将过热蒸汽(290～500℃)输入燃烧室8；
步骤3：输入燃烧室8内的含有氢气和一氧化碳的阳极排气、含有氧气的阴极排气、燃料和过热蒸汽发生氧化燃烧反应，充分消耗阳极排气和阴极排气中的可燃气体，排出800～1300℃的高温燃烧尾气；
步骤4：燃烧室8将燃烧尾气输送到透平10膨胀做功，带动压气机1和发电机21工作，从透平10出来的燃烧尾气进入回热器2中与压气机1输送的空气进行热交换，回热器2中经过热交换后的燃烧尾气进入余热锅炉12，经过热交换后的燃烧尾气的废热在余热锅炉12中用于加热从蒸馏水输入口13输入的蒸馏水，以产生注入燃烧室8的过热蒸汽，对蒸馏水进行加热后的燃烧尾气最后从余热锅炉12排出。
上述技术方案的步骤3中，一般都将燃烧室的工作过程简化为两个阶段：第一个阶段是空气与燃料掺混燃烧；第二个阶段是燃烧的高温燃气与过热蒸汽掺混。过热蒸汽没有参与氧化燃烧反应，过热蒸汽作用是：
在机组的做功工质流量中增加了蒸汽流量。同时降低了燃烧室温度，在保持燃烧室温度不变时，增加了燃料量，而压气机压比不变，其耗功不增加，故机组的输出功率可大大增加，效率也相应提高。
上述技术方案中，所述步骤2中辅锅炉的烟道9输出的尾气通入燃料电池预热器19对固体氧化物燃料电池进行预热(固体氧化物燃料电池的工作温度在650～1000℃)。
上述技术方案的步骤1中，蒸馏水预热器16输出的预热后的水蒸气的温度范围为100～150℃，确保水的稳定汽化，预热器采用电加热，设定温度，自动控制；
所述步骤2中，回热器2送入固体氧化物燃料电池的电池堆阴极3的加热空气的温度范围为300～500℃，因为固体氧化物燃料电池工作温度在650～1000℃，通过对空气的预热，降低了空气温度对固体氧化物燃料电池工作温度的影响；所述余热锅炉12输送到燃烧室8的过热蒸汽的温度范围为290～500℃，使蒸馏水变为过热蒸汽，余热锅炉利用从回热器出来的燃烧尾气废热，此燃烧尾气进入余热锅炉的温度范围300～750℃，蒸馏水通过余热锅炉吸热，变为过热蒸汽，温度范围290～500℃。
上述技术方案的步骤3中，从燃烧室8排出的燃烧尾气的温度范围为800～1300℃，燃烧室的尾气将要进入燃气轮机的涡轮，尾气温度称为燃气初温。为保证涡轮叶片的使用寿命，目前实际采用燃气初温为600～1400℃，考虑到船舶的特殊工作环境，振动与摇晃，设计最高温度为1300℃，另外，燃气初温每提高100K，燃气轮机功率增加20～40％，为保障燃气轮机输出功率，燃气初温最低值设计为800℃；
上述技术方案的步骤4中，透平10输出到回热器2中的燃烧尾气的温度范围为450～950℃，为涡轮出口尾气排放温度，利用回热器吸收废热；回热器2输出的经过热交换后的燃烧尾气的温度范围为300～750℃，经过回热器尾气温度进一步降低。
上述技术方案的步骤4中余热锅炉12输出的加热蒸馏水的温度范围为290～500℃，蒸馏水通过余热锅炉变为过热蒸汽，余热锅炉利用燃烧尾气废热。
上述技术方案中，燃料电池预热器19将固体氧化物燃料电池预热到300～500℃，利用船舶辅锅炉的尾气废热，辅锅炉尾气温度为400～600℃。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统，其特征在于：它包括压气机(1)、回热器(2)、固体氧化物燃料电池、燃料瓶(5)、预重整器(6)、燃烧室(8)、透平(10)、余热锅炉(12)、蒸馏水预热器(16)，其中，所述压气机(1)的空气输入口用于通入空气，压气机(1)的空气输出口连接回热器(2)的气体输入端，回热器(2)气体输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阴极(3)，燃料瓶(5)的燃料输出端连接预重整器(6)的燃料输入端，蒸馏水预热器(16)的输入端用于导入蒸馏水，蒸馏水预热器(16)的输出端连接预重整器(6)的蒸馏水输入端，预重整器(6)的输出端连接固体氧化物燃料电池的电池堆阳极(7)，固体氧化物燃料电池的阳极和阴极排放气体输出管路(4)用于将电池堆阴极(3)和电池堆阳极(7)排放的气体导入燃烧室(8)，燃烧室(8)的尾气输出端连接透平(10)的进气口，透平(10)的出气口连接回热器(2)的尾气进气口，回热器(2)的尾气排出口通过尾气传输管路(11)连接余热锅炉(12)，余热锅炉(12)具有尾气排放口(15)和蒸馏水输入口(13)，余热锅炉(12)的过热蒸汽输出端连接燃烧室(8)的过热蒸汽输入端；
透平(10)能向压气机(1)提供驱动机械能，带动压气机(1)工作，燃料瓶(5)的燃料输出端还连接燃烧室(8)的燃料输入端；
它还包括预热器温度及通断调节阀门(18)和燃料电池预热器(19)，所述燃料电池预热器(19)的气体输入端通过辅锅炉烟道旁通管路(17)连接预热器温度及通断调节阀门(18)的输出端，预热器温度及通断调节阀门(18)的输入端连接辅锅炉的烟道(9)，燃料电池预热器(19)用于对固体氧化物燃料电池进行预热，燃料电池预热器(19)具有废气排出口(20)。
2.根据权利要求1所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电系统，其特征在于：所述透平(10)能向发电机(21)提供驱动机械能，带动发电机(21)工作。
3.一种利用权利要求1所述系统的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：燃料瓶(5)输出的燃料与蒸馏水预热器(16)输出的预热后的水蒸气在预重整器(6)中发生重整反应和水汽置换反应，反应后的产物进入固体氧化物燃料电池的电池堆阳极(7)；
步骤2：空气由压气机(1)送入回热器(2)，回热器(2)将加热空气送入固体氧化物燃料电池的电池堆阴极(3)，固体氧化物燃料电池的电池堆阳极(7)和电池堆阴极(3)中的气体在固体氧化物燃料电池内进行电化学反应，电池堆阳极(7)反应后产生的含有氢气和一氧化碳的阳极排气与电池堆阴极(3)反应后产生的含有氧气的阴极排气通过阳极和阴极排放气体输出管路(4)输入燃烧室(8)；
同时，燃料瓶(5)将燃料输入燃烧室(8)，余热锅炉(12)通过过热蒸汽传输管(14)将过热蒸汽输入燃烧室(8)；
步骤3：输入燃烧室(8)内的含有氢气和一氧化碳的阳极排气、含有氧气的阴极排气、燃料和过热蒸汽发生氧化燃烧反应，充分消耗阳极排气和阴极排气中的可燃气体，排出燃烧尾气；
步骤4：燃烧室(8)将燃烧尾气输送到透平(10)膨胀做功，带动压气机(1)和发电机(21)工作，从透平(10)出来的燃烧尾气进入回热器(2)中与压气机(1)输送的空气进行热交换，回热器(2)中经过热交换后的燃烧尾气进入余热锅炉(12)，经过热交换后的燃烧尾气的废热在余热锅炉(12)中用于加热从蒸馏水输入口(13)输入的蒸馏水，以产生注入燃烧室(8)的过热蒸汽，对蒸馏水进行加热后的燃烧尾气最后从余热锅炉(12)排出。
4.根据权利要求3所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：所述步骤2中辅锅炉的烟道(9)输出的尾气通入燃料电池预热器(19)对固体氧化物燃料电池进行预热。
5.根据权利要求3所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：所述步骤1中，蒸馏水预热器(16)输出的预热后的水蒸气的温度范围为100～150℃；
所述步骤2中，回热器(2)送入固体氧化物燃料电池的电池堆阴极(3)的加热空气的温度范围为300～500℃；所述余热锅炉(12)输送到燃烧室(8)的过热蒸汽的温度范围为290～500℃。
6.根据权利要求3所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：所述步骤3中，从燃烧室(8)排出的燃烧尾气的温度范围为800～1300℃。
7.根据权利要求3所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：所述步骤4中，透平(10)输出到回热器(2)中的燃烧尾气的温度范围为450～950℃；回热器(2)输出的经过热交换后的燃烧尾气的温度范围为300～750℃。
8.根据权利要求3所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：所述步骤4中余热锅炉(12)输出的加热蒸馏水的温度范围为290～500℃。
9.根据权利要求4所述的船用固体氧化物燃料电池与注蒸汽燃气轮机联合发电方法，其特征在于：燃料电池预热器(19)将固体氧化物燃料电池预热到300～500℃。
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