CN218918960U - 多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统 - Google Patents

Abstract

一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，属于能源综合利用技术领域。本实用新型解决了现有的地热发电系统供电与区域内电力需求波动不匹配以及地热发电效率低的问题。燃料压缩机、混合器、燃料电池的阳极、分离器、混合器依次通过燃料管路连接形成燃料循环，分离器与后燃器之间通过燃料管路连接；空气压缩机、第一换热器、燃料电池的阴极、后燃器、第一换热器、燃气轮机依次通过气体管路连接形成气体循环；地热井与第二换热器通过水管路形成地热水循环；第二换热器、第三换热器、膨胀机、第一温差发电装置及第二换热器依次通过工质管路连接形成有机朗肯循环；燃气轮机排出的废气经第一废气管路连接至第三换热器进行换热。

Description

多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，属于能源综合利用技术领域。

背景技术

地热能是一种非碳可再生可持续能源，具有输出热流稳定、全天候持续供能、零排放、无污染且储量巨大的特点，在缓解气候变化威胁方面具有尚未开发的潜力。地热能作为一种可再生能源近年来受到了广泛关注，其中地热发电技术凭借地热能的上述特点而被视为一种有广阔前景的区域供电方案。地热发电的一般原理是将循环水通入地下井，在充分吸收地热后抽出热水，之后利用热力循环(如有机朗肯循环)将循环水吸收的地热能转化为机械能，从而实现发电。

大型的地热发电厂的运行工况相对稳定，其发电量较为平稳。然而，实际区域内的用电负荷随时间变化存在较大波动，单一的地热发电系统不足以实现供电量与区域耗电量的良好匹配，用电高峰期存在电力供应不足的问题。另一方面，多数地热资源为低温地热，热量品位较低，发电效率有限，也制约了地热发电技术的进一步广泛应用。如何实现地热能源系统的灵活供能与发电效率的提升，是目前地热开发与利用中亟需解决的难题。

在此背景下，对天然气调峰保证城市稳定供电的需求显著增加。天然气可用于燃料电池中，通过能量转换过程进行较高效率的发电，对完善城市供电体系有至关重要的作用。但燃料电池系统排出的尾气温度高，尾气中余热被直接排出或仅被用为加热空气，未能转换为电能，造成能量的浪费。受限于上述问题，目前燃料电池尾气处理效率不高，全系统输出特性亟待提高。

现有技术中，中低温的地热资源通过加热不同循环的工质进行发电。例如在有机朗肯循环中，可通过将水热型地热资源的地热水抽取出地面后，通过地热水加热有机工质，再利用有机工质对外做功，进行发电。此类方案只通过单一循环系统利用地热能，回水温度高，地热能利用不充分，并且存在中低温地热水的热源条件下发电效率低，难以选择合适循环工质匹配热源等问题。受限于上述问题，目前中低温地热发电量占比很小，发电方式亟待突破。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有地热发电系统供电与区域内电力需求波动不匹配以及地热发电效率低的问题，进而提供了一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池子系统及地热子系统，其中：

所述固体氧化物燃料电池子系统包括燃料压缩机、混合器、燃料电池、分离器、后燃器、第一换热器、燃气轮机及空气压缩机，燃料压缩机、混合器、燃料电池的阳极、分离器、混合器依次通过燃料管路连接形成燃料循环，分离器与后燃器之间通过燃料管路连接；空气压缩机、第一换热器、燃料电池的阴极、后燃器、第一换热器、燃气轮机依次通过气体管路连接形成气体循环；

所述地热子系统包括地热井、第二换热器、第三换热器、膨胀机、工质泵及第一温差发电装置，地热井与第二换热器通过水管路形成地热水循环；第二换热器、第三换热器、膨胀机、第一温差发电装置及第二换热器依次通过工质管路连接形成有机朗肯循环；燃气轮机排出的废气经第一废气管路连接至第三换热器进行换热，经第三换热器换热后的废气经第二废气管路排出。

进一步地，地热水循环中，第二换热器与地热井之间的水管路上设置有第二温差发电装置。

进一步地，第二废气管路上设置有第三温差发电装置。

进一步地，混合器与燃料电池的阳极进口之间的燃料管路上设置有预重整器。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池子系统还包括第四换热器，所述第四换热器连接设置在空气压缩机与第一换热器之间的气体管路上，燃气轮机与第四换热器之间通过第一废气管路连接，第四换热器与第三换热器之间通过第三废气管路连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下效果：

通过本申请的联合发电系统，能够实现低温地热能发电系统的灵活供电与效率提升，通过将地热发电系统与高温燃料电池系统集成组合，在稳定地热发电量的条件下调整燃料电池系统工况与输出电量，可使系统整体供电量跟随区域用电负荷快速调整，解决了供能与耗能不匹配造成的能源浪费问题；同时多梯度利用了高温燃料电池系统的产热，使用燃料电池废气提高地热发电有机朗肯循环系统的循环温度，从而实现地热发电效率的提升。

对于低温地热资源，在开采出的地热源温度低于150℃时，该循环通过地热和燃料电池废气对有机工质的两次加热，等价地使地热源的低品位热量提升为温度较高的优质热源，提升了有机朗肯循环的循环发电效率；同时，加入第一温差发电装置，对被有机朗肯循环利用过后的地热能二次利用，实现高效的地热梯级利用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的两个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据该附图获得其他的附图。

图1为本申请中具体实施方式一中的系统组成示意图；

图2为本申请中具体实施方式二中的系统组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请中的附图，对本申请具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，除非另有明确规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池子系统1及地热子系统2，其中：

所述固体氧化物燃料电池子系统1包括燃料压缩机1-1、混合器1-2、燃料电池1-3、分离器1-4、后燃器1-5、第一换热器1-6、燃气轮机1-7及空气压缩机1-8，燃料压缩机1-1、混合器1-2、燃料电池1-3的阳极、分离器1-4、混合器1-2依次通过燃料管路连接形成燃料循环，分离器1-4与后燃器1-5之间通过燃料管路连接；空气压缩机1-8、第一换热器1-6、燃料电池1-3的阴极、后燃器1-5、第一换热器1-6、燃气轮机1-7依次通过气体管路连接形成气体循环；

所述地热子系统2包括地热井2-1、第二换热器2-2、第三换热器2-3、膨胀机2-4、工质泵2-5及第一温差发电装置2-6，地热井2-1与第二换热器2-2通过水管路形成地热水循环；第二换热器2-2、第三换热器2-3、膨胀机2-4、第一温差发电装置2-6及第二换热器2-2依次通过工质管路连接形成有机朗肯循环；燃气轮机1-7排出的废气经第一废气管路3连接至第三换热器2-3进行换热，经第三换热器2-3换热后的废气经第二废气管路4排出。

固体氧化物燃料电池子系统1的核心部件为燃料电池1-3及燃气轮机1-7。

燃料为天然气。

混合器1-2为气体混合气。

温差发电装置的冷端连接设置有冷却水进水管路和冷却水回水管路。

在燃料循环中，天然气由燃料压缩机1-1增压后进入系统，燃料电池1-3的阳极出口废气包含未被充分利用的燃料，一部分废气再循环到混合器1-2，为进口天然气的重整提供蒸汽和热量，另一部分废气进入后燃器1-5与燃料电池1-3的阴极出口流出的气体混合形成高温废气，高温废气经过第一换热器1-6换热后，在燃气轮机1-7内膨胀发电。

在气体循环中，空气通过空气压缩机1-8进入系统，经第一换热器1-6中的高温废气预热后，进入燃料电池1-3的阴极，燃料电池1-3的阴极出口气体与阳极出口气体在后燃器1-5混合形成高温废气。

循环水从地层中提取热量，经第二换热器2-2换热后，将热量转移至有机朗肯循环中的有机工质，有机朗肯循环利用吸收的地热发电。具体的：

地热水循环中，循环水经地热井2-1从地层中提取热量，再经第二换热器2-2放热后，流回地热井2-1进行热量提取；

有机朗肯循环中，有机工质先由工质泵2-5加压至蒸发压力，然后通过第二换热器2-2吸收循环水的热量，达到饱和气体状态；饱和气体在第三换热器2-3中进一步吸收固体氧化物燃料电池子系统1排出的废气热量，达到过饱和状态；之后，从地热水和废气中吸收的大部分热量被膨胀机2-4转化为对外做的机械功，剩余的低品位热量由第三温差发电装置6进一步回收发电，构建温差发电-有机朗肯联合循环复合热回收系统。

通过本申请的联合发电系统，能够实现低温地热能发电系统的灵活供电与效率提升，通过将地热发电系统与高温燃料电池1-3系统集成组合，地热水循环与有机朗肯循环系统保持稳定运行工况，输出功率保存不变，在用电高峰时提高燃料电池1-3的发电量，用电低谷时降低燃料电池1-3的发电量，从而实现联合系统与区域用电波动的匹配，在稳定地热发电量的条件下调整燃料电池1-3系统工况与输出电量，可使系统整体供电量跟随区域用电负荷快速调整，解决了供能与耗能不匹配造成的能源浪费问题；

同时多梯度利用了高温燃料电池1-3系统的产热，使用燃料电池1-3废气提高地热发电有机朗肯循环系统的循环温度，从而实现地热发电效率的提升。高温燃料电池1-3产生的废气经过燃烧处理后可达到极高的温度，废气高温余热首先预热燃料电池1-3进气，之后经过汽轮机回收大部分废气余热能，最后再将其用于有机朗肯循环过热气的加热。

具体地，对于燃料电池1-3中废热的梯级利用，能够提高组合系统的整体能源效率。首先，利用燃料电池1-3的高品味余热将阴极入口空气预热到所需温度，使燃料电池1-3温度稳定均匀；然后，通过燃气轮机1-7将中档余热转化为电能。最后利用低品位尾气余热提高有机朗肯循环的有机工质温度，配合第一温差发电装置2-6一起发电。在该系统中，固体氧化物燃料电池子系统1和地热子系统2和增强型有机朗肯循环集成，对天然气、地热和系统废热进行梯级利用，提高了能源利用效率。

对于低温地热资源，在开采出的地热源温度低于150℃时，该循环通过地热和燃料电池1-3废气对有机工质的两次加热，等价地使地热源的低品位热量提升为温度较高的优质热源，提升了有机朗肯循环的循环发电效率；同时，加入第一温差发电装置2-6，对被有机朗肯循环利用过后的地热能二次利用，实现高效的地热梯级利用。

地热水循环中，第二换热器2-2与地热井2-1之间的水管路上设置有第二温差发电装置2-7。如此设计，在地热水循环中增加第二温差发电装置2-7，实现对系统中热品位最低余热的回收利用，进而实现更加高效的地热梯级利用。

第二废气管路4上设置有第三温差发电装置6。如此设计，在第二废气管路4上增加第三温差发电装置6，进一步实现对系统中热品位最低余热的回收利用，提高热能转换效率，减少热能浪费。

混合器1-2与燃料电池1-3的阳极进口之间的燃料管路上设置有预重整器1-9。如此设计，分离器1-4分离出的一部分废气与燃料压缩机1-1送入的天然气在混合器1-2内混合，形成混合燃料气体，混合燃料气体首先在外部预重整器1-9中进行预转化，再进入燃料电池1-3中进一步转化消耗。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，所述固体氧化物燃料电池子系统1还包括第四换热器1-10，所述第四换热器1-10连接设置在空气压缩机1-8与第一换热器1-6之间的气体管路上，燃气轮机1-7与第四换热器1-10之间通过第一废气管路3连接，第四换热器1-10与第三换热器2-3之间通过第三废气管路5连接。如此设计，空气经空气压缩机1-8压缩进入系统，在第四换热器1-10处与燃气轮机1-7排出的高温废气进行预热，然后空气继续进入第一换热器1-6中进行第二次加热，进一步提高进入燃料电池1-3阴极的气体温度。

第一换热器1-6为高温换热器，第二换热器2-2为低温蒸发器，第三换热器2-3为高温蒸发器，第四换热器1-10为低温换热器。

具体实施方式三：结合图1～2说明本实施方式，一种采用上述联合发电系统的发电方法，在燃料循环中，天然气由燃料压缩机1-1增压后进入系统，燃料电池1-3的阳极出口废气包含未被充分利用的燃料，一部分废气再循环到混合器1-2，为进口天然气的重整提供蒸汽和热量，另一部分废气进入后燃器1-5与燃料电池1-3的阴极出口流出的气体混合，混合气体经过第一换热器1-6换热后，在燃气轮机1-7内膨胀发电；

在气体循环中，空气通过空气压缩机1-8进入系统，经第一换热器1-6中的高温废气预热后，进入燃料电池1-3的阴极，燃料电池1-3的阴极出口气体与阳极出口气体在后燃器1-5混合后进入第一换热器1-6换热；

循环水从地层中提取热量，经第二换热器2-2换热后，将热量转移至有机朗肯循环中的有机工质，有机朗肯循环利用吸收的地热能发电。

Claims (5)

1.一种多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池子系统(1)及地热子系统(2)，其中：

所述固体氧化物燃料电池子系统(1)包括燃料压缩机(1-1)、混合器(1-2)、燃料电池(1-3)、分离器(1-4)、后燃器(1-5)、第一换热器(1-6)、燃气轮机(1-7)及空气压缩机(1-8)，燃料压缩机(1-1)、混合器(1-2)、燃料电池(1-3)的阳极、分离器(1-4)、混合器(1-2)依次通过燃料管路连接形成燃料循环，分离器(1-4)与后燃器(1-5)之间通过燃料管路连接；空气压缩机(1-8)、第一换热器(1-6)、燃料电池(1-3)的阴极、后燃器(1-5)、第一换热器(1-6)、燃气轮机(1-7)依次通过气体管路连接形成气体循环；

所述地热子系统(2)包括地热井(2-1)、第二换热器(2-2)、第三换热器(2-3)、膨胀机(2-4)、工质泵(2-5)及第一温差发电装置(2-6)，地热井(2-1)与第二换热器(2-2)通过水管路形成地热水循环；第二换热器(2-2)、第三换热器(2-3)、膨胀机(2-4)、第一温差发电装置(2-6)及第二换热器(2-2)依次通过工质管路连接形成有机朗肯循环；燃气轮机(1-7)排出的废气经第一废气管路(3)连接至第三换热器(2-3)进行换热，经第三换热器(2-3)换热后的废气经第二废气管路(4)排出。

2.根据权利要求1所述的多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，其特征在于：地热水循环中，第二换热器(2-2)与地热井(2-1)之间的水管路上设置有第二温差发电装置(2-7)。

3.根据权利要求1或2所述的多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，其特征在于：第二废气管路(4)上设置有第三温差发电装置(6)。

4.根据权利要求1所述的多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，其特征在于：混合器(1-2)与燃料电池(1-3)的阳极进口之间的燃料管路上设置有预重整器(1-9)。

5.根据权利要求1、2或4所述的多梯度余热利用的燃料电池与地热联合发电系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池子系统(1)还包括第四换热器(1-10)，所述第四换热器(1-10)连接设置在空气压缩机(1-8)与第一换热器(1-6)之间的气体管路上，燃气轮机(1-7)与第四换热器(1-10)之间通过第一废气管路(3)连接，第四换热器(1-10)与第三换热器(2-3)之间通过第三废气管路(5)连接。

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