CN1151575C - 固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统 - Google Patents

固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统 Download PDF

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Abstract

一种固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，采用固体氧化物燃料电池和蒸汽轮机联合循环发电的方式，燃料气通过燃料气体风机加压后，首先利用热交换器加热，经过脱硫装置进行脱硫，然后送到蒸汽锅炉预热后送到燃料电池阳极发生电化学反应，产生的电能通过外电路送给用户，阳极排气经过热交换器预热燃料，热交换器管内流出的气体通入热交换器加热给水，热交换器的排气经过脱二氧化碳器后送入蒸汽锅炉和部分天然气一同送入蒸汽锅炉燃烧，燃烧的热量用来加热水产生高温高压蒸汽，锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机运转，带动发电机产生电能。本发明提高能源利用率，达到减少温室气体的排放，可减少10%左右的燃料使用量。

Description

固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统
技术领域：
本发明涉及一种发电系统，尤其涉及一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，属于能源利用技术领域。
背景技术：
燃料电池的概念源起于150年前的英国物理学家William Grove，他以还原水电解产生氢气及氧气的原理，设计用氢、氧气通过极板的电化学反应来合成水及放出电流，此概念即是燃料电池先驱的研究。但是，真正燃料电池被派上用场是在于美国登陆月球的太空计划。这项技术已被成功的使用了近五十年，但由于燃料电池的成本过于昂贵，经过长时间的努力，却始终没有商品化。之后，燃料电池的研发受到国防工业的重视，欧美、日本的一些电力或天然气公司亦曾积极投入研发大型发电用的燃料电池。这些公司希望于技术突破而能降低发电成本，并且改善环境污染的问题。但是这些大型燃料电池发电机几乎没有正式商品化，主要还是因为成本过高的问题且整个系统操作寿命也不如传统发电系统。然而过去十几年中，燃料电池在技术上起了革命性改变，使其逐渐走上了商业化的发展道路。燃料电池技术最有希望以集中和分散电源的形式进入电力市场。
燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxidant Carbonate Fuel Cell；SOFC)具有高效、低污染、模块化设计以及没有融盐腐蚀等优点，极大地受到人们关注。
目前中国的火力发电的效率只有40％，而且污染环境。大规模的火力发电还存在资源运输和战争破坏等问题。伴随着西气东输，天然气的利用量将成倍增加，天然气在我国将主要用于化工、发电等领域。对于一些特殊用途的单位，MW级的发电系统会得到广泛的应用。它一方面可以满足小型企业的用电需求，另一方面由于分散电源分布广，可以降低地震、战争等灾害对社会造成的冲击。
国外已经公布了一些燃料电池发电系统，大多数采用燃料电池和燃气轮机组成联合循环方式发电(Wei He.Numerical analysis of molten carbonate fuelcell systems.International Journal of Energy Research，1997，21：69-76.)。一方面由于燃气轮机的造价昂贵，且发展中国家没有这方面的技术，很难推广；另一方面，由于该种循环发电方式要求系统要达到一定的压力，因此对燃料电池性能的要求较高。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，进一步提高燃料电池联合循环发电技术的可行性，降低系统的技术难度。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，联合发电系统采用天然气为燃料，系统由固体氧化物燃料电池、蒸汽锅炉、蒸汽轮机、发电机、热交换器等设备构成，电能由燃料电池和发电机联合提供，系统除发电外，还可以为外界通过一定量的热水。
本发明的发电系统主要分为固体氧化物燃料电池和辅助发电系统两部分，燃料电池利用天然气和空气发生电化学反应，产生电能，辅助发电系统利用蒸汽锅炉和蒸汽轮机产生电能。
燃料采用天然气，燃料电池阳极后面的热交换器管外两端分别连接燃料气体风机和气体脱硫装置，脱硫装置出口端连接蒸汽锅炉的受热面，锅炉受热面的另一出口端连接燃料电池的阳极入口，用于生产热水的热交换器管内的人口端连接燃料电池阳极后面的热交换器管内出口，出口端连接脱碳器，脱碳器的出口端连接蒸汽锅炉，用于锅炉炉膛燃料。蒸汽轮机的一头连接炉膛的蒸汽加热管，另一头连到凝汽器，循环水泵的两端分别连接凝汽器和蒸汽锅炉内的蒸汽加热管，发电机和蒸汽轮机同轴连接。
空气风机的一端连接燃料电池阴极排气后面的热交换器管外入口，该热交换器的管外出口端连接蒸汽锅炉内的受热面，受热面的出口端连接燃料电池阴极入口端。燃料电池阴极出口后面的热交换器管内两端分别连接燃料电池阴极出口和用于生产热水的热交换器的管内入口，热交换器管内的出口端连接排空管。
系统的工作过程：燃料气通过燃料气体风机加压后，首先利用热交换器加热，经过脱硫装置进行脱硫，然后送到蒸汽锅炉预热后送到燃料电池阳极发生电化学反应，产生的电能通过外电路送给用户，阳极排气经过热交换器预热燃料，热交换器管内流出的气体通入热交换器加热给水，热交换器的排气经过脱二氧化碳器后送入蒸汽锅炉和部分天然气一同送入蒸汽锅炉燃烧，燃烧的热量用来加热水产生高温高压蒸汽，锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机运转，带动发电机产生电能。
其次，一定量的空气经风机被送入燃料电池阴后面的热交换器被加热，然后到蒸汽锅炉里面的受热面继续加热，将加热后的空气送到燃料电池阴极，阴极排气首先经过一个热交换器管内被降温，降温后的空气经过热交换器加热给水后排到大气中。
最后，将燃料电池和发电机产生的电能送到用户。
本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明采用了天然气到蒸汽锅炉受热的办法，使天然气获得较高的温度，满足燃料电池发生电化学反应的要求。蒸汽锅炉的燃料采用燃料电池排出的剩余燃料和一定量的天然气混合，目的是为了获得的保证锅炉燃烧必要的发热量。通过辅助发电设备，进一步提高能源转化效率，系统可以在常压下运行。
采用固体氧化物燃料电池和蒸汽轮机联合循环发电的方式，提高能源利用率，达到减少温室气体的排放。因为目前的火力发电效率在40％左右，而固体氧化物燃料电池联合循环发电系统的发电效率要达到50％左右，发电效率的提高，使得该种发电方式可以减少10％左右的燃料使用量。
附图说明：
图1为本发明的系统结构示意图。
图中，1为直交流变换器，2为燃料电池，3为气体脱硫装置，4为燃料电池阳极后面的热交换器，5为用于生产热水的第一个热交换器，6为燃料气体风机，7为空气风机，8为燃料电池阴极排气后面的热交换器，9为用于生产热水的第二个热交换器，10为蒸汽锅炉，11为循环水泵，12为发电机，13为凝汽器，14为蒸汽轮机，15为供热水泵，16为脱碳器。
具体实施方式：
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例作进一步描述。
图1为本发明的系统结构示意图。
如图所示，本发明的联合发电系统采用天然气为燃料，直交流变换器1连接燃料电池2的两个电极，燃料电池2阳极后面的热交换器4管外两端分别连接燃料气体风机6和气体脱硫装置3，脱硫装置3出口端连接蒸汽锅炉10的受热面，锅炉受热面的另一出口端连接燃料电池2的阳极入口，用于生产热水的第一个热交换器5管内的入口端连接燃料电池阳极后面的热交换器4管内出口，生产热水的第一个热交换器5和第二个热交换器9的管外侧分别与供热水泵15连接，生产热水的第一个热交换器5出口端连接脱碳器16，脱碳器的出口端连接蒸汽锅炉10，用于锅炉炉膛燃料。蒸汽轮机14的一端连接炉膛的蒸汽加热管，另一端连到凝汽器13，循环水泵11的两端分别连接凝汽器13和蒸汽锅炉10内的蒸汽加热管，发电机12和蒸汽轮机14同轴连接。
空气风机7的一端连接燃料电池2阴极排气后面的热交换器8管外入口，该热交换器的管外出口端连接蒸汽锅炉10内的受热面，受热面的出口端连接燃料电池2阴极入口端。燃料电池阴极排气后面的热交换器8管内两端分别连接燃料电池阴极出口和用于生产热水的第二个热交换器9的管内入口，生产热水的第二个热交换器9的管外出口端连接排空管。
系统的工作过程：燃料气通过燃料气体风机6加压后，首先利用燃料电池阳极后面的热交换器4加热，经过脱硫装置3进行脱硫，然后送到蒸汽锅炉10预热后送到燃料电池2阳极发生电化学反应，产生的电能通过外电路送给用户，阳极排气经过燃料电池阳极后面的热交换器4预热燃料，该热交换器4管内流出的气体通入生产热水的第一个热交换器5加热给水，生产热水的第一个热交换器5的排气经过脱二氧化碳器16和部分天然气混合后，一同送入蒸汽锅炉10燃烧，燃烧的热量用来加热水产生高温高压蒸汽，锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机14运转，带动发电机12产生电能。燃料电池2产生的电能经过直交流变换器1转换成交流电，和发电机12产生的电能一起送给用户。
其次，一定量的空气经风机7被送入燃料电池阴极排气后面的热交换器8中加热，然后到蒸汽锅炉10里面的受热面继续加热，将加热后的空气送到燃料电池2的阴极，阴极排气首先经过燃料电池阴极排气后面的热交换器8管内降温，降温后的空气经过生产热水的第二个热交换器9加热给水后排到大气中。
最后，将燃料电池和发电机产生的电能送到用户，由于发电效率较高，从而达到高效利用天然气发电的目的。
在本发明的一个实施例中，以天然气为燃料，对整个发电系统进行热平衡计算。燃料电池阴阳极气体的入口温度为950摄氏度，燃料和空气在燃料电池当中的利用率为60％和50％，系统工作压力为常压；燃料电池的工作电压为1.07V，热交换器的换热效率为99％，直交流变换器的效率为99％；蒸汽是在蒸汽锅炉中产生，通过小型的蒸汽轮机带动发电机发电，其发电效率取25％；四威远气田的天然气为燃料，其成分为甲烷86.80％、乙烷0.01％、二氧化碳4.437％、硫化氢0.31％、氮8.10％、氦0.316％、氩0.027％，燃料流量为482m3/h。可以得到2000kW的发电容量(燃料电池为1500kW，辅助发电系统为500kW)，固体氧化物燃料电池联合循环发电系统的发电效率为49％，该系统热效率为82％(含供热)。

Claims (1)

1、一种固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，其特征在于固体氧化物燃料电池(2)阳极后面的热交换器(4)管外两端分别连接燃料气体风机(6)和气体脱硫装置(3)，脱硫装置(3)出口端连接蒸汽锅炉(10)的受热面，锅炉受热面的另一出口端连接燃料电池(2)的阳极入口，用于生产热水的第一个热交换器(5)管内的入口端连接燃料电池阳极后面的热交换器(4)管内出口，生产热水的第一个热交换器(5)和第二个热交换器(9)的管外侧与供热水泵(15)连接，生产热水的第一个热交换器(5)出口端经脱碳器(16)连接蒸汽锅炉(10)，蒸汽轮机(14)的一端连接炉膛的蒸汽加热管，另一端连接凝汽器(13)，循环水泵(11)的两端分别连接凝汽器(13)和蒸汽锅炉(10)内的蒸汽加热管，发电机(12)和蒸汽轮机(14)同轴连接，空气风机(7)的一端连接燃料电池(2)阴极排气后面的热交换器(8)管外入口，该热交换器(8)的管外出口连接蒸汽锅炉(10)内的受热面，受热面的出口端连接燃料电池(2)阴极入口端，燃料电池阴极排气后面的热交换器(8)管内两端分别连接燃料电池阴极出口和用于生产热水的第二个热交换器(9)的管内入口，生产热水的第二个热交换器(9)的管外出口端连接排空管。
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