CN117052535A - 一种可调控的sofc-gt混合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调控的SOFC‑GT混合发电装置，以氢气或富氢燃料为燃料，将燃气轮机GT和固体氧化物燃料电池SOFC有机融合为一套紧凑发电装置，实现了高效、清洁发电，可用于分布式能源系统和全电驱动重型交通载运装备。混合发电装置主要包括：变几何燃气轮机、环形固体氧化物燃料电池电堆、用于调控SOFC电堆进口高压空气温度实现快速启动的前置燃烧室、大湿度低浓度后置燃烧室、环形回热器、经济器、电力转换装置和余热利用设备。与现有技术相比，本发明采用顶层循环，具有结构紧凑、清洁高效发电、启动快速、宽工况高效、调控灵活、能量梯级利用等优势。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统领域，尤其是涉及一种可调控的SOFC-GT混合发电装置。
背景技术
随着社会的发展和科技进步，人类对能源需求持续增长，目前面临日益严峻的能源和环境问题。分布式能源系统和全电驱重型交通载运能有效降低环境污染，是未来发展方向，当然对发电系统的功率等级、功率密度、系统效率提出了更高的要求。
在传统发电技术中，燃气轮机(GT)由于其效率受到“卡诺循环”的限制和燃烧效率的影响，其效率并不是很高，大部分的能量都以热能的形式散失了。燃料电池是一种把氢能等燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，具有无噪声、高效率、无污染等诸多优点。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度可达到600℃-1000℃，因此排气中热能品质较高，且固体氧化物燃料电池燃料利用率通常在80％-85％，如果对排气热量和未参与反应的燃料不加以利用，必然降低SOFC电堆整体能量利用率。另一方面，SOFC启动时间较长，不能满足车辆或其他能量系统快速供能的负荷需求。
中国专利申请201910234734.9公开了一种燃气轮机与燃料电池联合发电系统及其运行方法，利用富燃燃烧室对碳氢燃料进行处理，在预热燃料电池温度的同时利用燃气轮机与余热利用装置进行发电，能够实现发电系统的快速启动。但该方案存在着如下问题：1.压气机出口高压空气被分为3股，各股之间流量分配策略复杂，使得该发电系统调控策略复杂，调控难度大幅增加，大幅降低发电系统的可靠性；2.电堆、富燃室、贫燃室的结构无法被紧凑设置，势必会造成发电系统庞大，降低调控灵活性；3.电堆阳极入口为富燃室排气造成电堆阳极燃料组分浓度低，从而造成电堆发电效率低下；4.电堆阳极和阴极出口与其他气体混合后进入贫燃室，使得气体中可燃成分稀薄，从而使得贫燃室内燃烧很难组织，极易造成熄火；5.采用常规的压气机和涡轮，无法应对大负荷变工况，压气机容易出现喘振问题，燃气轮机整体效率偏低。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调控的SOFC-GT混合发电装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，所述混合发电装置采用顶层循环，将燃气轮机GT与固体氧化物燃料电池SOFC融合为一套装置，包括：燃气涡轮系统、燃料电池发电系统、燃料供给系统以及空气供给系统；
所述燃气涡轮系统包括：压气机、透平和发电机；
所述燃料电池发电系统包括：固体氧化物燃料电池SOFC电堆与后置燃烧室；
所述SOFC电堆的阳极入口与阴极入口分别与燃料供给系统与空气供给系统连接；SOFC电堆阳极出口的高湿燃料与SOFC电堆阴极出口的高温空气进入后置燃烧室燃烧；后置燃烧室出口与透平入口相连；
所述燃料供给系统包括：高压气瓶，用于存储氢气或富氢燃料，为空气供给系统与燃料电池发电系统提供高压燃料；
所述空气供给系统包括：回热器和前置燃烧室；
所述回热器的热流体入口与透平出口相连，回热器的冷流体入口与压气机相连，冷流体出口与前置燃烧室相连；所述前置燃烧室内燃烧由燃料供给系统供给燃料以调控SOFC电堆进口高压空气温度，前置燃烧室出口与SOFC电堆阴极入口相连。
进一步的，所述的压气机分别与发电机、透平通过刚性轴连接，所述压气机，用于压缩空气，为混合发电装置提供高压高温空气；所述透平，用于将高温高压燃气热能转化为机械能，并与压气机同轴连接，拖动压气机和发电机，产生电能；所述发电机，用于将燃气轮机输出机械能转化为电能，并与压气机同轴连接。
进一步的，所述的压气机为可变几何压气机，通过调控静叶改变压气机几何通道；
所述透平为可变几何带空冷透平，通过调节透平可变几何机构，控制燃气轮机进气流量以及排气温度；所述可变几何带空冷透平带空气冷却，通过从压气机直接引气到透平叶片，实现对透平叶片的冷却。
进一步的，所述的前置燃烧室采用环形结构。
进一步的，所述的SOFC电堆采用环形结构，并在高压下运行。
进一步的，所述的SOFC电堆阳极与后置燃烧室之间设置有混合阀，用于将燃料供给系统提供的补充燃料与SOFC电堆阳极出口中未反应燃料混合，提供给后置燃烧室。
进一步的，所述的后置燃烧室采用环形结构，通过双路燃料控制调控透平进口温度。
进一步的，所述的混合发电装置还设置有与SOFC电堆连接的电力转换装置，用于将SOFC产生直流电转化为交流电。
进一步的，所述的高压气瓶出口设置有经济器，用于利用透平排气余热提升燃料温度；
所述经济器冷流体入口与高压气瓶相连，出口分别与前置燃烧室、SOFC以及混合阀相连；热流体入口与回热器热流体出口相连。
进一步的，所述的经济器出口设置有余热回收设备，所述的余热回收设备包括但不限于有机朗肯循环发电机组、溴化锂吸收式制冷机以及集水净水设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提供的灵活调控的紧凑型SOFC-GT混合发电装置，采用顶层循环方式，SOFC电堆在高压环境下运行，相比常压工作的SOFC，具有更高的发电效率，因此具有相对更高的系统效率；SOFC电堆采用环形结构，和燃气轮机燃烧室可以紧密连接，也可以与压气机出口和透平入口相匹配，实现了混合发电装置紧凑，降低了发电装置容积惯性，提升了调控灵活性；
2)本发明采用前置燃烧室调控SOFC电堆进口空气温度，并通过空气量和温度控制SOFC电堆内温度分布。发电系统调控策略简单易于实现，保证了发电系统的可靠性；并且相较于现有方案能够进一步提升电堆动态响应速度，并与燃气轮机配合，实现了发电功率0-60％，启动小于3分钟。
3)本发明在SOFC阳极出口与后置燃烧室之间设置混合阀，将补充燃料与SOFC阳极出口未反应的高湿燃料混合，提供给后置燃烧室，提高了后置燃烧的效率与燃料的利用率；后置燃烧室采用变工况自适应稳定燃烧控制技术实现了大湿度低浓度高效稳定低排放燃烧。
4)本发明中燃气轮机的压气机和透平均采用变几何技术，通过调节静叶角度改变气路通过几何结构，提升了压气机喘振裕度，实现了燃气轮机宽工况范围内高效发电，同时也提升了燃气轮机调控的灵活性。
5)本发明中，SOFC与先进动力循环结合的混合动力系统，充分考虑了SOFC与涡轮排气的热回收，科学充分地实现了能量梯级利用。
附图说明
图1为本发明实施例中混合动力发电系统原理示意图；
图中标号所示：1、压气机，2、透平，3、回热器，4、高压气瓶，5、经济器，6，前置燃烧室、7、SOFC电堆，8、混合阀，9、后置燃烧室，10、发电机，11、电力转换装置，12、余热利用设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本发明提供一种可灵活调控的紧凑型SOFC-GT混合发电装置，将燃气轮机与固体氧化物燃料电池电堆深度融合为一套发电装置，该装置具有结构紧凑、功率密度高、发电效率高、调控灵活、动态响应快速、重量功率比小等优点。
固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作温度范围为600-1000℃，离开SOFC的气流的温度非常适合先进的涡轮机械所需的涡轮入口温度(TIT)，这使其可以与其他常规热循环结合使用以提高热效率。在燃料电池和燃气轮机(具有简单、回热或再热循环)形成的热力学系统(SOFC-GT)中，SOFC来代替燃烧器来氧化燃料，发电并产生热气流，该热气流用于涡轮机发电。SOFC可以在常压或加压条件下工作，并通过热交换器与燃气轮机循环进行热交换。
为了进一步提高系统效率，本发明将SOFC置于加压条件下工作，从微型燃气轮机压气机出口得到的高压空气，经回热器与前置燃烧室加热升温之后，进入SOFC的阴极，相应的高压燃料进入SOFC阳极，完成电化学反应。SOFC排出的高温高湿燃料与补燃燃料，以及SOFC阴极排出的空气在后置燃烧室中燃烧，燃气进入微型燃气轮机透平中，将内能转化为机械能驱动压气机和发电机发电。为了适应不同的负荷需求和提升系统在变负荷变工况下的工作范围和能量效率，微型燃气轮机压气机与透平均采用可变几何技术。以及采用固体氧化物燃料电池前置燃烧的方式提升系统快速启动性能。
本发明一种可灵活调控的紧凑型SOFC-GT混合发电装置具体方案如下：
如图1所示，为本发明混合发电装置的其中一种实施例，该装置包括依次连接的部件：
变几何高效压气机1，用于压缩空气，为混合发电装置提供高压高温空气；
高压气瓶4，用于存储氢气或富氢燃料，为混合发电装置提供高压燃料；
经济器5，用于利用透平2排气余热，提升燃料温度；
环形回热器3，用于梯度利用透平2排气余热，进一步提升压气机1出口高压空气温度；
前置燃烧室6，用于调控SOFC电堆7进口高压空气温度，保证电堆安全运行前提下提升SOFC电堆7快速动态响应特性；
环形固体氧化物燃料电池SOFC电堆7，用于将燃料化学能转化为电能；
混合阀8，用于将补充燃料与SOFC未反应燃料混合，提供给后置燃烧室9；
大湿度低浓度后置燃烧室9，用于燃烧混合阀8提供的燃料，将燃料化学能转化为热能，进一步提高燃气温度，达到透平2入口温度条件；
变几何空冷透平2，用于将高温高压燃气热能转化为机械能，并与压气机1同轴连接，拖动压气机1和发电机10，产生电能；
发电机10，用于将微型燃气轮机输出机械能转化为电能，并与压气机1同轴连接；
电力转换装置11，用于将SOFC产生直流电转化为交流电；
余热利用设备12选配，当应用于分布式能源系统时，用于回收经济器5出口余热，可进一步提升发电装置的发电效率。
所述压气机1分别与发电机10、透平2通过刚性轴连接，出口高压空气与回热器3相连。所述回热器3冷流体入口与压气机1相连，出口与前置燃烧室6相连；热流体入口与透平2出口相连，出口与经济器5相连。前置燃烧室6中燃烧少量燃料，对空气进行加热。前置燃烧室6出口与SOFC阴极入口相连，加热后的空气通入SOFC电堆7阴极；SOFC电堆7与电力转换装置11相连，将电化学反应所产生的直流电转换为交流电；SOFC电堆7阳极出口的高湿燃料与补燃燃料在混合阀8混合，与阴极出口高温空气一起进入后置燃烧室9燃烧，使燃气温度达到透平2入口温度。后置燃烧室9出口与透平2入口相连，高温燃气在透平2中膨胀做功，用于驱动压气机1和发电机10发电。透平出口依次与回热器3、经济器5相连，利用燃气热量初步提升高压空气和燃料温度。剩余燃气热量在余热利用设备12中进一步被回收，并可以通过有机朗肯循环发电机组发电，或通过溴化锂吸收式制冷机供给系统冷热负荷，或通过集水净水设备回收燃气中的水资源等完成多种功能，提高系统能量利用率；最后余热被充分利用的燃气从余热利用设备出口排入大气，完成循环。
压气机1是一种可变几何压气机，可以通过调控静叶改变压气机几何通道，使得压气机在宽工况范围具有高性能，扩宽喘振裕度。
透平2是一种可变几何带空冷透平，可以通过调节透平静叶角度等可变几何机构，实现对燃气轮机进气流量以及排气温度的控制，提高燃气轮机效率和机动性；带空气冷却透平是指通过从压气机直接引气到透平叶片，实现对透平叶片的冷却，可以提高透平入口温度上限，提高燃机运行安全性和效率。
回热器3冷流体入口与压气机1相连，出口与前置燃烧室6相连；热流体入口与透平2出口相连，出口与经济器5相连。
混合发电装置采用了前置燃烧室6控制进去SOFC电堆7的进口空气温度，该前置燃烧室6具有环形结构，且实现了低NOx燃烧技术，有效控制了SOFC电堆7内部温度，在系统启动阶段，为了避免单纯采用回热的方式使SOFC达到工作温度，通过控制进入前置燃烧室6的燃料量控制空气温度和控制经过前置燃烧室6后通入SOFC7内的空气量，帮助SOFC7更快达到工作温度，提升系统快速启动性能。并且在全工况下实现SOFC电堆7的快速动态响应，响应时间小于3分钟。
固体氧化物燃料电池SOFC电堆7在高压下运行，实现了高效发电，并采用环形结构实现了与前置燃烧室6和后置燃烧室9紧凑配合，有效地将SOFC电堆7和燃气轮机融合为一套装置。
后置燃烧室9采用环形结构，有效实现了大湿度、低浓度条件的高效稳定燃烧，通过双路燃料控制，调控透平2进口温度，在宽工况范围内高效稳定发电，并提高燃气轮机的动态响应特性，实现了全工况快速启动、灵活调控。
经济器5冷流体入口与高压气瓶4相连，出口与前置燃烧室6相连；热流体入口与回热器3热流体出口相连，出口与余热回收设备12相连。
余热回收设备12，是指具有回收燃气轮机排气中的较低品味热能，来完成进一步发电，或满足系统冷热负荷，或收集净化燃气中的水资源等功能的一类设备，包括但不限于有机朗肯循环发电机组、溴化锂吸收式制冷机、集水净水设备等。排出经济器5的燃气仍然具有较高温度，将燃气通入余热回收设备12，进一步利用燃气余热，提升系统能量利用率。
完成余热回收的废气最终排入大气，完成系统循环。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述混合发电装置采用顶层循环，将燃气轮机GT与固体氧化物燃料电池SOFC融合为一套装置，包括：燃气涡轮系统、燃料电池发电系统、燃料供给系统以及空气供给系统；
所述燃气涡轮系统包括：压气机(1)、透平(2)和发电机(10)；
所述燃料电池发电系统包括：固体氧化物燃料电池SOFC电堆(7)与后置燃烧室(9)；
所述SOFC电堆(7)的阳极入口与阴极入口分别与燃料供给系统与空气供给系统连接；SOFC电堆(7)阳极出口的高湿燃料与SOFC电堆(7)阴极出口的高温空气进入后置燃烧室(9)燃烧；后置燃烧室(9)出口与透平(2)入口相连；
所述燃料供给系统包括：高压气瓶(4)，用于存储氢气或富氢燃料，为空气供给系统与燃料电池发电系统提供高压燃料；
所述空气供给系统包括：回热器(3)和前置燃烧室(6)；
所述回热器(3)的热流体入口与透平(2)出口相连，回热器(3)的冷流体入口与压气机(1)相连，冷流体出口与前置燃烧室(6)相连；所述前置燃烧室(6)内燃烧由燃料供给系统供给燃料以调控SOFC电堆(7)进口高压空气温度，前置燃烧室(6)出口与SOFC电堆(7)阴极入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的压气机(1)分别与发电机(10)、透平(2)通过刚性轴连接，所述压气机(1)，用于压缩空气，为混合发电装置提供高压高温空气；所述透平(2)，用于将高温高压燃气热能转化为机械能，并与压气机(1)同轴连接，拖动压气机(1)和发电机(10)，产生电能；所述发电机(10)，用于将燃气轮机输出机械能转化为电能，并与压气机(1)同轴连接。
3.根据权利要求2所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的压气机(1)为可变几何压气机，通过调控静叶改变压气机几何通道；
所述透平(2)为可变几何带空冷透平，通过调节透平可变几何机构，控制燃气轮机进气流量以及排气温度；所述可变几何带空冷透平带空气冷却，通过从压气机(1)直接引气到透平叶片，实现对透平叶片的冷却。
4.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的前置燃烧室(6)采用环形结构。
5.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的SOFC电堆(7)采用环形结构，并在高压下运行。
6.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的SOFC电堆(7)阳极与后置燃烧室(9)之间设置有混合阀(8)，用于将燃料供给系统提供的补充燃料与SOFC电堆(7)阳极出口中未反应燃料混合，提供给后置燃烧室(9)。
7.根据权利要求6所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的后置燃烧室(9)采用环形结构，通过双路燃料控制调控透平进口温度。
8.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的混合发电装置还设置有与SOFC电堆(7)连接的电力转换装置(11)，用于将SOFC产生直流电转化为交流电。
9.根据权利要求1所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的高压气瓶(4)出口设置有经济器(5)，用于利用透平(2)排气余热提升燃料温度；
所述经济器(5)冷流体入口与高压气瓶(4)相连，出口分别与前置燃烧室(6)、SOFC(7)以及混合阀(8)相连；热流体入口与回热器(3)热流体出口相连。
10.根据权利要求9所述的一种可调控的SOFC-GT混合发电装置，其特征在于，所述的经济器(5)出口设置有余热回收设备(12)，所述的余热回收设备(12)包括但不限于有机朗肯循环发电机组、溴化锂吸收式制冷机以及集水净水设备。
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