CN209687551U - 一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，用于解决传统的燃料电池发电系统热效率不高的技术问题。本实用新型实施例包括管道和燃料电池；燃料电池的阴极连接有用于储存空气的第一储气罐；第一储气罐与燃料电池之间连接有热交换器；燃料电池的阳极连接有重整反应器；重整反应器连接有用于储存天然气的第二储气罐和用于储存去离子水的储液罐；天然气和去离子水通过重整反应器进行重整反应，并生成含氢混合气体；含氢混合气体通过管道进入到燃料电池的阳极；燃料电池还连接有增压锅炉；增压锅炉用于将燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧；增压锅炉连接有蒸汽涡轮；蒸汽涡轮连接有发电机。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池发电技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种新型清洁高效的发电设备，具有燃料适应性广等优点，可以广泛的用于天然气、煤制气等燃料的高效发电，由于其在高温下(800-1000℃)运行，经过阳极反应排放出的未完全反应的燃料尾气可以联合燃气轮机及蒸汽轮机联合发电，并可以实现热量的联合利用。目前应用最为广泛的为气体燃料CH4和H2，对于 H2需要复杂的制备工艺，而CH4储量丰富可以用于SOFC的燃料实现清洁高效发电。
上述的固体氧化物燃料电池的尾气温度较高，但是在利用该固体氧化物电池的发电系统当中并没有很好地对这些高温尾气进行利用，导致整个发电系统的热效率较低。
因此，为解决上述的技术问题，寻找一种热效率更高的供能系统成为本领域技术人员所研究的重要课题。
实用新型内容
本实用新型实施例公开了一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，用于解决传统的燃料电池发电系统热效率不高的技术问题。
本实用新型实施例提供了一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，包括管道和燃料电池；
所述燃料电池的阴极连接有用于储存空气的第一储气罐；所述第一储气罐与所述燃料电池之间连接有热交换器；
所述燃料电池的阳极连接有重整反应器；所述重整反应器连接有用于储存天然气的第二储气罐和用于储存去离子水的储液罐；所述天然气和所述去离子水通过所述重整反应器进行重整反应，并生成含氢混合气体；所述含氢混合气体通过管道进入到所述燃料电池的阳极；
所述燃料电池还连接有增压锅炉；所述增压锅炉用于将所述燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧；所述增压锅炉连接有蒸汽涡轮；所述蒸汽涡轮连接有发电机。
可选地，所述第一储气罐与所述热交换器之间还依次连接有空气压缩机、用于储存压缩后的空气的第三储气罐、空气干燥机以及质量流量计。
可选地，所述第三储气罐中的空气还通过管道输入到所述增压锅炉中。
可选地，所述储液罐与所述重整反应器之间还依次连接有增压水泵、压力水柜以及除氧加热器。
可选地，所述储液罐中的去离子水还通过所述管道输入到所述增压锅炉中。
可选地，所述第二储气罐与所述重整反应器之间还依次连接有过滤器、脱硫装置以及天然气增压器。
可选地，所述第二储气罐中的天然气还通过管道输入到所述增压锅炉中。
可选地，所述增压锅炉还设置有用于排放烟气的第一排放端；所述第一排放端用于将所述增压锅炉内的烟气进行排放；
所述烟气的流动路径包括第一流动路径和第二流动路径；
所述第一流动路径依次与所述热交换器和所述除氧加热器进行连接；所述第一流动路径经过所述除氧加热器后，还连接有第一冷凝器，所述第一冷凝器连接有生活用水流动路径；
所述第二流动路径依次与所述重整反应器、所述除氧加热器以及所述第一冷凝器进行连接；
所述第一流动路径和所述第二流动路径的烟气经所述第一冷凝器后排放到大气中。
可选地，所述增压锅炉还设置有用于排放蒸汽的第二排放端；所述蒸汽涡轮设置有用于排放蒸汽的第三排放端；所述第二排放端与所述第三排放端共同连接有第二冷凝器；
其中，所述第二冷凝器通过所述生活用水流动路径连接有生活用水单元；
所述生活用水单元、所述第二冷凝器、所述第一冷凝器通过所述生活用水流动路径依次进行连接。
可选地，所述第二冷凝器还通过管道与所述压力水柜进行连接。
从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
本实施例中，增压锅炉利用燃料电池内部未完全利用的含氢混合气体进行燃烧，产生带有一定压力的过热蒸汽驱动蒸汽涡轮进行工作，从而带动发电机进行发电，通过上述的设计，能够充分利用供能系统中的热量，进一步提高燃料的利用率，也大大提高了供能系统的热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型实施例中提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统启动时的结构示意图；
图3为本实用新型实施例中提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统还原时的结构示意图；
图4为本实用新型实施例中提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统运行时的结构示意图；
图示说明：燃料电池1；重整反应器2；蒸汽涡轮3；发电机4；增压锅炉5；热交换器6；除氧加热器7；第二冷凝器8；第一冷凝器9；生活用水单元10；空气压缩机11；第三储气罐12；增压水泵13；压力水柜14；过滤器 15；脱硫装置16；天然气增压器17；第一流动路径18；第二流动路径19。
具体实施方式
本实用新型实施例公开了一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，用于解决传统的燃料电池发电系统热效率不高的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1至图4，本实用新型实施例中提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统的一个实施例包括：
多条管道和燃料电池1；
燃料电池1的阴极连接有用于储存空气的第一储气罐；第一储气罐与燃料电池1之间连接有热交换器6；
需要说明的是，空气进入燃料电池1之前通过热交换器6加热至750℃。
燃料电池1的阳极连接有重整反应器2；重整反应器2连接有用于储存天然气的第二储气罐和用于储存去离子水的储液罐；天然气和去离子水通过重整反应器2进行重整反应，并生成含氢混合气体；含氢混合气体通过管道进入到燃料电池1的阳极；
需要说明是，天然气和去离子水通入到重整反应器2中，产生含氢混合气体，其中，含氢混合气体主要包括一氧化碳和氢气，重整反应温度为600～ 650℃，需要去离子水量为150～170g/min。
燃料电池1还连接有增压锅炉5；增压锅炉5用于将燃料电池1内未利用的含氢混合气体进行燃烧；增压锅炉5连接有蒸汽涡轮3；蒸汽涡轮3连接有发电机4。
需要说明的是，增压锅炉5将未利用的含氢混合气体进行燃烧后，产生高温的烟气。
本实施例中的蒸汽涡轮3为单级径流高速透平，进气为0.6Mpa的过热蒸汽，透平为定速运行，可在50～110％范围内变化负荷，透平与发电机4同轴并悬挂于发电机4侧，电机输出通过变频器输出三相50/60Hz、220V的电压。
进一步地，第一储气罐与热交换器6之间还依次连接有空气压缩机11、用于储存压缩后的空气的第三储气罐12、空气干燥机以及质量流量计。
需要说明的是，空气经过空气压缩机11后，空气的最低压力为0.3Mpa，其中，最大空气用量为2.5立方米/分钟。
进一步地，第三储气罐12中的空气还通过管道输入到增压锅炉5中。
需要说明的是，为了控制增压锅炉5内的烟气温度，空气作为调节气体输入到增压锅炉5中。
进一步地，储液罐与重整反应器2之间还依次连接有增压水泵13、压力水柜14以及除氧加热器7。
进一步地，储液罐中的去离子水还通过管道输入到增压锅炉5中。
需要说明的是，供能系统需要持续补水，任何时候都需要保持压力水柜 14的水位满足要求，去离子水量根据燃料电池1用水量和蒸汽涡轮3蒸汽循环的泄露量确定，重整用去离子水节流后通入重整反应器2，并保持相对天然气过量，其余水量通过管道输入到增压锅炉5，使剩余水量蒸发以驱动蒸汽涡轮3，增压水泵13作为驱动去离子水流动的动力来源，增压水泵13使水的压力提升为0.8～1Mpa。
进一步地，第二储气罐与重整反应器2之间还依次连接有过滤器15、脱硫装置16以及天然气增压器17。
需要说明的是，天然气在进入重整反应器2之前，还需经过过滤器15进行过滤，经过脱硫装置16进行脱硫处理，然后经过天然气增压器17进行增压，最后才通过管道通入到重整反应器2中。
进一步地，第二储气罐中的天然气还通过管道输入到增压锅炉5中。
需要说明的是，当增压锅炉5内的温度不足时，可通过燃烧天然气获取高温。
进一步地，增压锅炉5还设置有用于排放烟气第一排放端；第一排放端用于将增压锅炉5内的烟气进行排放；
烟气的流动路径包括第一流动路径18和第二流动路径19；
第一流动路径18依次与热交换器6和除氧加热器7进行连接；第一流动路径18经过除氧加热器7后，还连接有第一冷凝器9，第一冷凝器9连接有生活用水流动路径；
需要说明的是，第一流动路径18将高温烟气带到热交换器6中，为空气提供热量，高温烟气经过热交换器6后进入到除氧加热器7中，用于为去离子水去除氧气并加热，最后高温烟气进入到第一冷凝器9，为生活用水提供热量。
第二流动路径19依次与重整反应器2、除氧加热器7以及第一冷凝器9 进行连接；
第一流动路径18和第二流动路径19的烟气经第一冷凝器9后排放到大气中。
需要说明的是，第二流动路径19将高温烟气带到重整反应器2中，为重整反应器2提供热量，接着高温烟气也通入到除氧加热器7中，为去离子水去除氧气并加热，最后也通入到第一冷凝器9中，为生活用水提供热量。
需要说明的是，第一排放端连接有一个三通阀，该三通阀将烟气的流动路径分为第一流动路径18和第二流动路径19。
进一步地，增压锅炉5还设置有用于排放蒸汽的第二排放端；蒸汽涡轮3 设置有用于排放蒸汽的第三排放端；第二排放端与第三排放端共同连接有第二冷凝器8；
其中，第二冷凝器8通过生活用水流动路径连接有生活用水单元10；
生活用水单元10、第二冷凝器8、第一冷凝器9通过生活用水流动路径依次进行连接。
进一步地，第二冷凝器8还通过管道与压力水柜14进行连接。
需要说明的是，增压涡炉中的第二排放端所排放出的蒸汽用于驱动蒸汽涡轮3运行，蒸汽涡轮3中的第三排放端所排放出的多余的蒸汽通过到第二冷凝器8中，这些蒸汽在第二冷凝器8中冷却成为供能系统中的循环水，再次流回到压力水柜14中。进一步地，生活用水单元10、第二冷凝器8、第一冷凝器9依次连接，蒸汽涡轮3所排出的剩余蒸汽可将通过第二冷凝器8将生活用水加热至72.6℃，接着带有一定温度的水通过第一冷凝器9再次加热，使得热水可供更远距离的居民使用。
进一步地，本实施例中的增压锅炉5配备两组燃烧器，一组燃烧燃料电池1排出未反应的含氢混合气体，另一组用来启动燃烧及系统热量不足时补燃使用，产生压力为0.6～0.7Mpa的过热蒸汽进入蒸汽涡轮3，锅炉排烟温度为800～900℃。
进一步地，本实施例中的供能系统在燃料电池1启动之前，需要通入一定量的保护气，燃料电池1达到预设温度后，需要通入氢气进行还原，再通入天然气，让系统平稳运行。
进一步地，本实施例中，空气、去离子水、天然气、氢气及保护气体前端均通过球阀、电磁阀、质量流量计、止回阀控制；改变天然气的流量来调整电堆与热箱内的热平衡，空气和去离子水量与天然气保持一定的比例即可。
本实施例中的供能系统具有下列优点：
1.采用该技术可提高系统效率和燃料电池1的一次燃料利用率，并保持稳定运行，天然气的平均一次利用率达到68％，在燃料利用率在72％时，燃料电池1的核心温度维持在850～860℃稳定发电；在电子负载状态下，系统的直流发电效率为48.5％；
2.将燃料电池1系统和蒸汽涡轮3系统的汽水循环及烟气回热循环结合起来，可用给水蒸发取代过量空气调节锅炉出口的烟气温度，减少了烟气的损，可将系统效率提升3％～5％；
3.多次利用烟气的阶梯温度，提高了烟气的利用效率，并利用循环水作采暖水和生活用水，有效效率了蒸汽涡轮3的乏汽，使系统效率再次提升。
上述是对本实用新型实施例提供的一种基于燃料电池1和蒸汽涡轮3联合循环的分布式供能系统的具体结构进行详细的描述，下面将以另一个实施例对本供能系统进行进一步地说明，本实用新型提供的一种基于燃料电池1 和蒸汽涡轮3联合循环的分布式供能系统的第二个实施例包括：
请参阅图2，燃料电池1在启动之前需要对电池内部预热至额定反应温度 800℃，采用天然气直接燃烧产生烟气加热阴极换热器及重整器，此时要投入调节空气确保锅炉出口烟气温度不超限，重整器通入保护气(氮气和氢气)，采用阴阳极通气加热垫对，控制气体流量确保升温速度不能过快，待升至额定温度后，撤出保护气(氮气)，请参阅图3，接着供能系统中需通入氢气还原，然后通入燃料(天然气)，切换锅炉燃烧喷嘴，逐步减少空气量以提高燃料利用率；
进一步地，燃料电池1在启动和还原阶段为保证增压锅炉5的稳定运行，维持去离子水的最低稳定循环，此时蒸汽旁路排放冷凝器。不论是启动阶段还是运行阶段，循环水需要不间断投入使用。
以上对本实用新型所提供的一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (10)
1.一种基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，包括管道和燃料电池；
所述燃料电池的阴极连接有用于储存空气的第一储气罐；所述第一储气罐与所述燃料电池之间连接有热交换器；
所述燃料电池的阳极连接有重整反应器；所述重整反应器连接有用于储存天然气的第二储气罐和用于储存去离子水的储液罐；所述天然气和所述去离子水通过所述重整反应器进行重整反应，并生成含氢混合气体；所述含氢混合气体通过管道进入到所述燃料电池的阳极；
所述燃料电池还连接有增压锅炉；所述增压锅炉用于将所述燃料电池内未利用的含氢混合气体进行燃烧；所述增压锅炉连接有蒸汽涡轮；所述蒸汽涡轮连接有发电机。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述第一储气罐与所述热交换器之间还依次连接有空气压缩机、用于储存压缩后的空气的第三储气罐、空气干燥机以及质量流量计。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述第三储气罐中的空气还通过管道输入到所述增压锅炉中。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述储液罐与所述重整反应器之间还依次连接有增压水泵、压力水柜以及除氧加热器。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述储液罐中的去离子水还通过所述管道输入到所述增压锅炉中。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述第二储气罐与所述重整反应器之间还依次连接有过滤器、脱硫装置以及天然气增压器。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述第二储气罐中的天然气还通过管道输入到所述增压锅炉中。
8.根据权利要求4所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述增压锅炉还设置有用于排放烟气的第一排放端；所述第一排放端用于将所述增压锅炉内的烟气进行排放；
所述烟气的流动路径包括第一流动路径和第二流动路径；
所述第一流动路径依次与所述热交换器和所述除氧加热器进行连接；所述第一流动路径经过所述除氧加热器后，还连接有第一冷凝器，所述第一冷凝器连接有生活用水流动路径；
所述第二流动路径依次与所述重整反应器、所述除氧加热器以及所述第一冷凝器进行连接；
所述第一流动路径和所述第二流动路径的烟气经所述第一冷凝器后排放到大气中。
9.根据权利要求8所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述增压锅炉还设置有用于排放蒸汽的第二排放端；所述蒸汽涡轮设置有用于排放蒸汽的第三排放端；所述第二排放端与所述第三排放端共同连接有第二冷凝器；
其中，所述第二冷凝器通过所述生活用水流动路径连接有生活用水单元；
所述生活用水单元、所述第二冷凝器、所述第一冷凝器通过所述生活用水流动路径依次进行连接。
10.根据权利要求9所述的基于燃料电池和蒸汽涡轮联合循环的分布式供能系统，其特征在于，所述第二冷凝器还通过管道与所述压力水柜进行连接。
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| TR01 | Transfer of patent right |