CN219472201U - 一种双模态多工质联合循环系统 - Google Patents
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Abstract
一种双模态多工质联合循环系统，属于氢能利用设备技术领域。包括压气机、透平、燃烧室、蓄电池、发电机、水泵、水泵电机、燃料电池、氢气储罐、氧气储罐及回热器，其中发电机与透平之间、透平与压气机之间以及水泵电机与水泵之间分别通过转动轴传递动力，透平的燃气出口与回热器的热端入口连通，回热器的热端出口连通设置有第一排气管路，燃料电池连通设置有第二排气管路，利用燃气轮机子系统的余热对燃料加热，再将高温燃料送入高温燃料电池，改善了高温燃料电池内的反应条件，提高了高温燃料电池的发电效率。本实用新型的双模态多工质联合循环系统集成化高、系统启动迅速、可在不同工质条件下安全稳定运行，运行操作灵活简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双模态多工质联合循环系统，属于氢能利用设备技术领域。
背景技术
进入二十一世纪，随着工业和交通行业发展，对能源的需求量大大提升。传统的不可再生化石燃料会带来一系列的环境问题。而氢能作为一种清洁、高效、安全且可持续发展的能源，具有能量密度大、热值高、来源广泛、转化效率高、零碳排放等优点。氢燃烧后的绝大部分产物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的技术，因此其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，其净发电效率显著高于热力循环发电。但燃料电池存在启停时间长、随负荷变化慢的问题。
燃料电池-燃气轮机联合循环技术，可以克服上述燃料电池存在的缺陷。但是现有的燃料电池-燃气轮机联合循环技术存在结构复杂及氢能发电系统的总体净发电效率较低的问题，并且，现有的燃料电池-燃气轮机联合循环系统无法实现在不同模态和工质条件下的稳定运行。
实用新型内容
本实用新型是为了解决上述技术问题，进而提供了一种双模态多工质联合循环系统。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种双模态多工质联合循环系统，包括压气机、透平、燃烧室、蓄电池、发电机、水泵、水泵电机、燃料电池、氢气储罐、氧气储罐及回热器，其中发电机与透平之间、透平与压气机之间以及水泵电机与水泵之间分别通过转动轴传递动力，透平的燃气出口与回热器的热端入口连通，回热器的热端出口连通设置有第一排气管路，燃料电池连通设置有第二排气管路，
回热器的冷端包括第一至第三冷端管路，氢气储罐的一个出口通过管路连接至第一冷端管路的入口端，所述第一冷端管路的入口端通过管路连通至燃料电池的阳极，氧气储罐的一个出口通过管路连通至第二冷端管路的入口端，第二冷端管路的出口端通过管路连通至燃料电池的阴极，压气机的出口通过管路连通至第三冷端管路的入口端，第三冷端管路的出口端、氢气储罐的另一个出口以及氧气储罐的另一个出口分别通过管路连通至燃烧室，燃烧室的出口通过管路连接至透平的燃气进口，
水泵的进口连通有进水管路，水泵的出口通过管路连通至压气机，压气机还连通设置有进气管路，
水泵与压气机之间的连通管路上设置有第一截止阀，氧气储罐与燃烧室之间的连通管路上设置有第二截止阀，所述进气管路上设置有第三截止阀，
燃料电池与蓄电池之间、蓄电池与发电机之间以及蓄电池与水泵电机之间分别电连接。
进一步地，水泵通过进水管路连接至储水箱。
进一步地，发电机与蓄电池之间为双向电连接。
进一步地，压气机与第三冷端管路之间、氢气储罐与第一冷端管路之间以及氧气储罐与第二冷端管路之间的连通管路上依次设置有第四至第六截止阀。
进一步地，第一冷端管路与燃料电池阳极之间、第二冷端管路与燃料电池的阴极之间以及第三冷端管路与燃烧室之间的连通管路上依次设置有第七至第九截止阀。
进一步地，氢气储罐与燃烧室之间的连通管路上设置有第十截止阀。
本实用新型与现有技术相比具有以下效果：
本申请中的双模态多工质联合循环系统将高温燃料电池与燃气轮机系统结合，通过高温燃料电池子系统和燃气轮机子系统的共同发电，提高了氢能发电系统的总体净发电效率。利用燃气轮机子系统的余热对燃料加热，再将高温燃料送入高温燃料电池，改善了高温燃料电池内的反应条件，提高了高温燃料电池的发电效率。
本申请的双模态多工质联合循环系统集成化高、系统启动迅速、可在不同模态和工质条件下安全稳定运行，运行操作灵活简单。
附图说明
图1为本申请中双模态多工质联合循环系统的主视示意图；
图2为本申请中双模态多工质联合循环系统在模态一下的运行流程示意图；
图3为本申请中双模态多工质联合循环系统在模态二下的运行流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，一种双模态多工质联合循环系统，包括压气机1、透平2、燃烧室3、蓄电池4、发电机5、水泵6、水泵电机7、燃料电池8、氢气储罐9、氧气储罐10及回热器11，其中发电机5与透平2之间、透平2与压气机1之间以及水泵电机7与水泵6之间分别通过转动轴传递动力，透平2的燃气出口与回热器11的热端入口连通，回热器11的热端出口连通设置有第一排气管路12，燃料电池8连通设置有第二排气管路13，
回热器11的冷端包括第一至第三冷端管路，氢气储罐9的一个出口通过管路连接至第一冷端管路11-1的入口端，所述第一冷端管路11-1的入口端通过管路连通至燃料电池8的阳极，氧气储罐10的一个出口通过管路连通至第二冷端管路11-2的入口端，第二冷端管路11-2的出口端通过管路连通至燃料电池8的阴极，压气机1的出口通过管路连通至第三冷端管路11-3的入口端，第三冷端管路11-3的出口端、氢气储罐9的另一个出口以及氧气储罐10的另一个出口分别通过管路连通至燃烧室3，燃烧室3的出口通过管路连接至透平2的燃气进口，
水泵6的进口连通有进水管路，水泵6的出口通过管路连通至压气机1，压气机1还连通设置有进气管路14，
水泵6与压气机1之间的连通管路上设置有第一截止阀15，氧气储罐10与燃烧室3之间的连通管路上设置有第二截止阀16，所述进气管路14上设置有第三截止阀17，
燃料电池8与蓄电池4之间、蓄电池4与发电机5之间以及蓄电池4与水泵电机7之间分别电连接。
发电机5的输出端与透平2的输入端之间、透平2的输出端与压气机1的输入端之间以及水泵电机7的输出端与水泵6的输入端之间分别通过转动轴连接。
在双模态多工质联合循环系统启动时，压气机1、透平2、燃烧室3、氢气储罐9、氧气储罐10、回热器11、发电机5和蓄电池4组成燃气轮机子系统；氢气储罐9、氧气储罐10、回热器11、燃料电池8和蓄电池4组成燃料电池子系统。
所述发电机5在双模态多工质联合循环系统工作过程中，根据工况的不同可以作为发电机5或起动机工作，当开始工作时，发电机5被通电，作为起动机工作；当透平2输出功大于压气机1耗功时，起动机转变为发电机5，向蓄电池4输出电功。
本申请的双模态多工质联合循环系统可以实现在不同特殊环境下的运行应用，如氢-空气条件(模态一)或氢-氧-水条件(模态二)。
本申请中的双模态多工质联合循环系统将高温燃料电池8与燃气轮机系统结合，通过高温燃料电池8和燃气轮机子系统的共同发电，提高了氢能发电系统的总体净发电效率。利用燃气轮机子系统的余热对燃料加热，再将高温燃料送入高温燃料电池8，改善了高温燃料电池8内的反应条件，提高了高温燃料电池8的发电效率。
本申请的双模态多工质联合循环系统集成化高、系统启动迅速、可在不同工质条件下安全稳定运行，运行操作灵活简单。
水泵通过进水管路连接至储水箱18。
发电机5与蓄电池4之间为双向电连接。如此设计，当发电机作为起动机时，通过蓄电池向发电机通电，当透平2输出功大于压气机1耗功时，起动机转变为发电机5，向蓄电池4输出电功。
压气机1与第三冷端管路11-3之间、氢气储罐9与第一冷端管路11-1之间以及氧气储罐10与第二冷端管路11-2之间的连通管路上依次设置有第四至第六截止阀。如此设计，通过设置截止阀，便于控制管路通断。
第一冷端管路11-1与燃料电池8阳极之间、第二冷端管路11-2与燃料电池8的阴极之间以及第三冷端管路11-3与燃烧室3之间的连通管路上依次设置有第七至第九截止阀。如此设计，通过设置截止阀，便于控制管路通断。
氢气储罐9与燃烧室3之间的连通管路上设置有第十截止阀。如此设计，通过设置截止阀，便于控制管路通断。
具体实施方式二：结合图1～3说明本实施方式，一种采用上述系统的双模态多工质联合循环方法，当双模态多工质联合循环系统处于模态一时，第一截止阀15及第二截止阀16关闭，第三截止阀17开启：
对于燃气轮机子系统，发电机5被通电，作为起动机工作，通过转动轴带动压气机1和透平2转动；压气机1转动、吸入空气，并将空气加压；加压后的空气通过回热器11的第三冷端管路11-3进入燃烧室3，与来自氢气储罐9的氢气燃烧，生成高温高压的燃气；该燃气进入透平2，经过膨胀做功，燃气的压力和温度降低，再通过管路进入回热器11的热端，最终通过第一排气管路12排入外部环境。随着转动轴的转速增加，空气和氢气的流量也一并增加，进入透平2膨胀做功的燃气也一并增加。当透平2输出功大于压气机1耗功时，起动机转变为发电机5，向蓄电池4输出电功。
对于燃料电池子系统，来自氢气储罐9的氢气进入回热器11的第一冷端管路11-1，利用燃气轮机子系统中燃气余热对氢气进行加热，然后送进燃料电池8的阳极；来自氧气储罐10的氧气进入回热器11的第二冷端管路11-2，利用燃气轮机子系统中燃气余热对氧气进行加热，然后送进燃料电池8的阴极；燃料电池8内部通过电化学反应产生电能并输出到蓄电池4，同时产生的气体通过第二排气管路13排入外部环境。
当双模态多工质联合循环系统处于模态二时，第三截止阀17关闭，第一截止阀15及第二截止阀16开启：
对于燃气轮机子系统，发电机5被通电，作为起动机工作，通过转动轴带动压气机1和透平2转动；同时水泵6被通电，液态水经过水泵6加压后，通过压气机1通道进入回热器11的第三冷端管路11-3；氢气储罐9中的氢气和氧气储罐10中的氧气进入燃烧室3燃烧，生成高温高压的燃气；燃气进入透平2，经过膨胀做功，燃气的压力和温度降低，然后燃气进入回热器11热端，对前述一同进入回热器11的加压液态水进行加热，最后通过第一排气管路12排入外部环境；液态水经回热器11加热后进入到燃烧室3中，与氢、氧一同燃烧；此时，进入透平2膨胀做功的燃气也一并增加，透平2输出功大于压气机1耗功，起动机转变为发电机5，向蓄电池4输出电功。
对于燃料电池子系统，来自氢气储罐9的氢气进入回热器11的第一冷端管路11-1，利用燃气轮机子系统中燃气余热对氢气进行加热，然后送进燃料电池8的阳极；来自氧气储罐10的氧气进入回热器11的第二冷端管路11-2，利用燃气轮机子系统中燃气余热对氧气进行加热，然后送进燃料电池8的阴极；燃料电池8内部通过电化学反应产生电能并输出到蓄电池4，同时产生的气体通过第二排气管路13排入外部环境。
其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1～3说明本实施方式，当双模态多工质联合循环系统处于模态一时，
燃气轮机子系统的各参数如下：压气机进口压力为1bar，温度为15℃，空气质量流量为1.869kg/s；氢气质量流量为0.00986kg/s；燃烧室进口空气压力为4.95bar，温度为500℃，质量流量为1.878kg/s；燃烧室出口蒸汽压力为4.75bar，温度为1000℃；透平出口压力为1.212bar，温度为695.1℃；回热器热端蒸汽出口压力1.2bar，温度423.8℃；压气机等熵效率为85％，机械效率为98％；透平等熵效率为85％，机械效率为98％；发电机效率为96.8％；回热器回热度为59.7％；
燃料电池子系统的各参数如下：氧气压力为1.2bar，温度为200℃，质量流量为0.03333kg/s；氢气压力为1.2bar，温度为200℃，质量流量为0.00417kg/s；燃烧电池电转化率为60％。
燃气轮机子系统和燃料电池子系统的发电功率均为300kW，系统总发电效率为35.6％。
当双模态多工质联合循环系统处于模态二时，
燃气轮机子系统的各参数如下：水泵进口压力为1bar，温度为15℃，液态水质量流量为0.388kg；氢气质量流量为0.0156kg/s；氧气质量流量为0.1248kg/s；燃烧室进口水蒸气压力为4.95bar，温度为150℃；燃烧室出口蒸汽压力为4.75bar，温度为1000℃；透平出口压力为1.212bar，温度为748.8℃；回热器热端蒸汽出口压力为1.2bar，温度为530.9℃；透平等熵效率为85％，机械效率为98％；发电机效率为96.8％；回热器回热度为18.4％；
燃料电池子系统的各参数如下：氧气压力为1.2bar，温度为200℃，质量流量为0.03333kg/s；氢气压力为1.2bar，温度为200℃，质量流量为0.00417kg/s；燃烧电池电转化率为60％。
燃气轮机子系统和燃料电池子系统的发电功率均为300kW，系统总发电效率为25.3％。
其它组成与连接关系与具体实施方式一或二相同。
Claims (6)
1.一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：包括压气机(1)、透平(2)、燃烧室(3)、蓄电池(4)、发电机(5)、水泵(6)、水泵电机(7)、燃料电池(8)、氢气储罐(9)、氧气储罐(10)及回热器(11)，其中发电机(5)与透平(2)之间、透平(2)与压气机(1)之间以及水泵电机(7)与水泵(6)之间分别通过转动轴传递动力，透平(2)的燃气出口与回热器(11)的热端入口连通，回热器(11)的热端出口连通设置有第一排气管路(12)，燃料电池(8)连通设置有第二排气管路(13)，
回热器(11)的冷端包括第一至第三冷端管路，氢气储罐(9)的一个出口通过管路连接至第一冷端管路(11-1)的入口端，所述第一冷端管路(11-1)的入口端通过管路连通至燃料电池(8)的阳极，氧气储罐(10)的一个出口通过管路连通至第二冷端管路(11-2)的入口端，第二冷端管路(11-2)的出口端通过管路连通至燃料电池(8)的阴极，压气机(1)的出口通过管路连通至第三冷端管路(11-3)的入口端，第三冷端管路(11-3)的出口端、氢气储罐(9)的另一个出口以及氧气储罐(10)的另一个出口分别通过管路连通至燃烧室(3)，燃烧室(3)的出口通过管路连接至透平(2)的燃气进口，
水泵(6)的进口连通有进水管路，水泵(6)的出口通过管路连通至压气机(1)，压气机(1)还连通设置有进气管路(14)，
水泵(6)与压气机(1)之间的连通管路上设置有第一截止阀(15)，氧气储罐(10)与燃烧室(3)之间的连通管路上设置有第二截止阀(16)，所述进气管路(14)上设置有第三截止阀(17)，
燃料电池(8)与蓄电池(4)之间、蓄电池(4)与发电机(5)之间以及蓄电池(4)与水泵电机(7)之间分别电连接。
2.根据权利要求1所述的一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：水泵通过进水管路连接至储水箱(18)。
3.根据权利要求1所述的一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：发电机(5)与蓄电池(4)之间为双向电连接。
4.根据权利要求1所述的一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：压气机(1)与第三冷端管路(11-3)之间、氢气储罐(9)与第一冷端管路(11-1)之间以及氧气储罐(10)与第二冷端管路(11-2)之间的连通管路上依次设置有第四至第六截止阀。
5.根据权利要求1所述的一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：第一冷端管路(11-1)与燃料电池(8)阳极之间、第二冷端管路(11-2)与燃料电池(8)的阴极之间以及第三冷端管路(11-3)与燃烧室(3)之间的连通管路上依次设置有第七至第九截止阀。
6.根据权利要求1所述的一种双模态多工质联合循环系统，其特征在于：氢气储罐(9)与燃烧室(3)之间的连通管路上设置有第十截止阀。
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