CN220796812U - 一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统，包括：自热重整单元，用于将柴油蒸汽中的多碳化合物转变为富氢气体；发电单元，与自热重整单元连接，用于将自热重整单元产生的富氢气体进行电化学反应产生电能；储能单元，与发电单元电连接，用来储存发电单元所产生的电能并将电能分配到油田开采所需的区域；热处理单元，与自热重整单元和发电单元连接，用来将自热重整单元和发电单元内反应产生的尾气和热量进行热转换；空气供给单元，与本自热重整单元和发电单元连接，用来提供自热重整反应和电化学反应所需的空气。该热电联供能源系统具有高效率、低成本、余热利用效率高的优点，能够为野外石油开采工作进行高效的供能。
Description
技术领域
本实用新型属于固体氧化物燃料电池应用的技术领域，尤其涉及一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统。
背景技术
目前，在野外油田开采过程中，石油工人及技术人员的开采和生活由于供能不足和效率较低等因素受到诸多限制。而油田开采过程中的发电系统较为单一，传统柴油机只能输出低效率的电能，无其他能量产物；柴油等化石燃料的低能效及处理过程能源消耗过高以及低经济性的处理技术，只能进行简单吸附和燃烧，最后进行排放处理，无法将可利用热值较高的柴油尾气进行高效利用及排放。因此需要开发一种高效率、低成本、余热利用效率高的综合热电联供能源系统为野外石油开采工作进行高效的供能。
实用新型内容
本实用新型目的是针对现有技术的不足提供一种高效率、低成本、余热利用效率高的综合热电联供能源系统为野外石油开采工作进行高效的供能。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统，包括：
自热重整单元，用于将柴油蒸汽中的多碳化合物转变为富氢气体；
发电单元，与所述自热重整单元连接，用于将自热重整单元产生的富氢气体进行电化学反应产生电能；
储能单元，与所述发电单元电连接，用来储存发电单元所产生的电能并将电能分配到油田开采所需的区域；
热处理单元，与所述自热重整单元和发电单元连接，用来将自热重整单元和发电单元内反应产生的尾气和热量进行热转换；
空气供给单元，与所述自热重整单元和发电单元连接，用来提供自热重整反应和电化学反应所需的空气。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述发电单元为固体氧化物燃料电池电堆模组，所述发电单元上具有阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口、阴极出气口以供电化学反应的进行。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述自热重整单元内设有与所述发电单元阳极进气口连接的自热重整反应器以及与自热重整反应器连接的气体混合器，所述气体混合器上连接有可向气体混合器内输送气体的柴油预热系统以及水汽蒸发系统。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述柴油预热系统内设有与所述气体混合器连接的柴油预热器以及与所述柴油预热器连接的用于将柴油抽入所述柴油预热器内的增压泵。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述空气供给单元内设有与所述柴油预热器相连接的空气补偿系统以及与所述自热重整单元连接的空气供给系统。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述空气补偿系统内设有空气燃烧器，所述空气燃烧器的进气口分别与所述发电单元的阳极出气口以及增压泵管道连接，所述空气燃烧器与所述增压泵之间设有旋拧阀，所述空气燃烧器的另一进气口连接有补燃风机，所述空气燃烧器的出气口与所述柴油预热器管道连接，所述柴油预热器与所述热处理单元管道连接。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述水汽蒸发系统内设有用于将所述柴油预热器内的混合气体冷却后输送至热处理单元的水汽蒸发器，以及与所述热处理单元连接的去离子水箱，所述去离子水箱经所述水汽蒸发器与所述气体混合器连接。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述空气供给系统内设有一与所述发电单元的阴极进气口连接的且用于提供发电单元反应所需热空气的阴极空气预热器，所述阴极空气预热器的进气口连接有阴极风机；所述阴极空气预热器还设于所述发电单元与所述热处理单元之间且用于将阴极出气口内的气体进行冷却后输送至热处理单元。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述热处理单元内设有与所述阴极空气预热器的相连接的用于冷凝阴极尾气的第一冷凝器以及与所述水汽蒸发器出气口相连接的用于冷凝阳极混合尾气的第二冷凝器，所述第二冷凝器的出气口与所述去离子水箱管道连接，所述第二冷凝器与所述去离子水箱之间还连接有阳极尾气排放装置，所述第一冷凝器的出气口上连接有阴极尾气排放装置。
如上所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，所述第一冷凝器与所述第二冷凝器并联设置，所述第一冷凝器的进水口与所述第二冷凝器的进水口之间设有三通阀，所述第一冷凝器的出水口与所述第二冷凝器的出水口之间设有冷却水箱，所述冷却水箱与所述三通阀管道连接且两者之间设有冷却水循环泵，所述冷却水箱上连接有热水输出管道。
与现有技术相比，本实用新型有如下优点：
1.本实用新型通过将发电单元选用固体氧化物燃料电池，利用传统化石燃料作为燃料电池的燃料气来发电，通过不使用明火燃烧的方式处理，不会产生氮氧化物及其他有害物质，既解决了传统柴油发电机的高碳排放污染问题，又获得了高发电效率的清洁能源，同时通过柴油预热器、水汽蒸发器、阴极空气预热器、第一冷凝器、第二冷凝器的换热作用，可有效进行能量梯级利用，可同时输出热能及电力，对野外油田开采过程中的用电需求和野外营区生活用水供热可迅速响应；可在野外户外无人区或供电网络不充分区域为抽油机提供工作运行所需电能，并可对外输出热能，供给野外营区所需供暖和生活所需热水，能很好的解决生活用电用热需求。
2.本实用新型热电联供系统的处理方法的优点在于整个热电联供系统发电过程无污染、低排放，经过自热重整反应裂解生成可被利用的H2和CO等气体经过尾部催化燃烧，产物仅为水和少量二氧化碳，整个系统尾气处理过程，安全、节能、高效、无二次污染产生、低经济成本。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1是本实用新型一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统的结构示意图；
图2是本实用新型的工艺流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，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。
如图1-2所示，本实用新型一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统，包括：
自热重整单元1，用于将柴油蒸汽中的多碳化合物转变为富氢气体；自热重整单元1是柴油处理的核心步骤，以自热重整催化剂反应床层为反应场所，负责发生自热重整反应的催化氧化反应以及水蒸汽重整反应供热，将柴油中的多碳化合物转变为H2、CO2、CO以及甲烷等富氢气体；
发电单元2，与自热重整单元1连接，用于将自热重整单元1产生的富氢气体进行电化学反应产生电能；发电单元2是柴油预处理的关键部件，自热重整反应产生的富氢重整尾气，经过发电单元2产生电化学反应，输出电能；
储能单元3，与发电单元2电连接，用来储存发电单元2所产生的电能并将电能分配到油田开采所需的区域，避免了电能的浪费；
热处理单元4，与自热重整单元1和发电单元2连接，用来将自热重整单元1和发电单元2内反应产生的尾气和热量进行热转换；本实施例的热处理单元4负责对来自自热重整单元1和发电单元2的尾气进行梯级高效利用，对高温尾气进行换热，使进气得到预热；最后经过冷却水换热，产生高温热水作为生活供热，最后尾气达标排出。
空气供给单元5，与自热重整单元1和发电单元2连接，用来提供自热重整反应和电化学反应所需的空气。
本实用新型通过将经自热重整单元1的多碳化合物转变的富氢气体和空气供给单元5提供的空气作为发电单元2的反应气体用来发电，将产生的电能储存于储能单元3中，并经储能单元3将电能分配到油田开采所需的区域；同时，将反应后的尾气有效进行能量梯级利用，最后经热处理单元4处理后排出，并将换热得到的热水经热处理单元4输出供给野外营区供暖和生活使用。本实用新型可同时输出热能及电力，能对野外油田开采过程中的用电需求和野外营区生活用水供热迅速响应，在野外户外无人区或供电网络不充分区域为抽油机提供工作运行所需电能，并可对外输出热能，供给野外营区所需供暖和生活所需热水，解决生活用电用热需求。
具体的，发电单元2为固体氧化物燃料电池电堆模组，在实际生产过程中一般选择为阳极支撑固体氧化物燃料电池电堆。发电单元2上具有阳极进气口21、阳极出气口22、阴极进气口23、阴极出气口24以供电化学反应反应气体的进入和反应尾气的排出。
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)的主要优点在于：①燃料适用性强，除了氢气，甲烷、一氧化碳等均可作为SOFC的燃料；②全固体结构，具有更好的结构稳定性；③发电效率高。SOFC发电系统可以提供长时间的持续供电，相比传统蓄电池具有更高的比能量，可独立或并机运行作为交流电源、直流电源达到供电保障目的，且采用柴油为燃料，运输补给保障便捷，可通过管路、油轮、火车、罐车等进行运输，是一种可靠的新能源保障方式。
本实施例的发电单元2为固体氧化物燃料电池电堆模组，固体氧化物燃料电池电堆模组采用柴油为燃料，运输补给保障便捷，在进行化学反应中通过不使用明火燃烧的方式处理，不会产生氮氧化物及其他有害物质，既解决了传统柴油发电机的高碳排放污染问题，又获得了高发电效率的清洁能源；基于燃料油重整的SOFC热电联供发电系统具有高的能量转化效率、低噪音、低红外辐射、低排放、燃料适应性广泛等优势，能够满足野外石油开采及采油机用电需求和生活营区的供热供水保障需要。
如图2所示，本实用新型中，自热重整单元1内设有与发电单元2阳极进气口21连接的自热重整反应器11以及与自热重整反应器11连接的气体混合器12，气体混合器12上连接有可向气体混合器12内输送气体的柴油预热系统6以及水汽蒸发系统7。气体混合器12可预先将反应气体混合均匀后再送入自热重整反应器11内，这样便可以使自热重整反应器11内的柴油蒸汽中的多碳化合物更加充分的转变为H2、CO2、CO以及甲烷等富氢气体。
具体的，柴油预热系统6内设有与气体混合器12连接的柴油预热器61以及与柴油预热器61连接的用于将柴油抽入柴油预热器61内的增压泵62。更具体的，柴油预热器61的进气口连接有脱硫器63，脱硫器63的进气口连接有增压泵62，增压泵62与脱硫器63之间设有第一柴油流量控制结构81，第一柴油流量控制结构81由压力传感器、流量计和电磁阀串联组成。第一柴油流量控制结构81可以控制进入柴油预热器61内的柴油的含量确保气体混合以后进入自热重整反应器11内反应的柴蒸汽体更加精确，以确保反应更加快速、精确的进行，避免能源的浪费。
空气供给单元5内设有与柴油预热器61相连接的空气补偿系统51以及与自热重整单元1连接的空气供给系统52；具体的，空气补偿系统51内设有用于对发电单元2内阳极尾气进行燃烧的空气燃烧器511，空气燃烧器511的进气口分别与发电单元2的阳极出气口22以及增压泵62管道连接，空气燃烧器511与增压泵62之间设有旋拧阀512，更具体的，旋拧阀512与增压泵62之间设有第二柴油流量控制结构82，第二柴油流量控制结构82可以控制进入空气燃烧器511内的柴油的含量确保空气燃烧器511对进气进行预热与重整供热，将电堆未反应完全的阳极尾气进行催化燃烧，产生热能，供给系统整体热量平衡。空气燃烧器511在制作工艺上一般使用耐高温合金钢制成。
本实施例中，空气燃烧器511的另一进气口连接有补燃风机513，空气燃烧器511的出气口与柴油预热器61管道连接以用于将发电单元2内的阳极尾气和空气混合并进行燃烧后再输送至柴油预热器61内给予热能补充，柴油预热器61与热处理单元4管道连接。即柴油预热器61的作用是利用空气燃烧器511内出来混合气体的热量来预热需经气体混合器12进入自热重整反应器11内的柴油蒸汽，这样便提高了余热的利用率。
具体的，空气燃烧器511与补燃风机513之间连接有第一空气过滤器514，第一空气过滤器514将补燃风机513内抽入的空气进行过滤，除去空气中的水分和灰尘，保证了间接进入发电单元2内的阳极气体的质量，提高了反应的转化率。
水汽蒸发系统7内设有用于将柴油预热器61内的混合气体冷却后输送至热处理单元4的水汽蒸发器71，以及与热处理单元4连接的去离子水箱73，去离子水箱73经水汽蒸发器71与气体混合器12连接以用于将去离子水箱水73的水经水汽蒸发器71加热蒸发以后输送至气体混合器12中。水汽蒸发器71的作用是负责将空气燃烧器511产生的高温尾气进行换热，预热需要经气体混合器12进入自热重整反应器11内进行自热重整反应的水蒸汽，实现了热量的梯级利用，提高了余热的利用率。具体的，水汽蒸发器71与去离子水箱73之间设有将去离子水箱73内的去离子水抽入水汽蒸发器71的水泵72，水泵72与水汽蒸发器71之间设有水流量计83以用于控制进水的流量，保证了进入自热重整反应器11内水蒸汽的含量，既保证了反应的转化率又避免了能源的浪费。
空气供给系统52内设有一与发电单元2的阴极进气口23连接的且用于提供发电单元2反应所需热空气的阴极空气预热器521，阴极空气预热器521的进气口连接有阴极风机523；阴极空气预热器521还设于发电单元2与热处理单元4之间且用于将阴极出气口24内的气体进行冷却后输送至热处理单元4，具体的，阴极空气预热器521与阴极风机523之间连接有第二空气过滤器522，第二空气过滤器522与阴极风机523之间设有阴极空气流量控制结构84，第二空气过滤器522将阴极风机523内抽入的空气进行过滤，除去空气中的水分和灰尘，阴极空气流量控制结构84控制进入发电单元2内的阴极空气的含量，两者结合既保证了间接进入发电单元2内的阴极气体的质量，又保证了阴极气体的含量，提高了反应的转化率，避免资源的浪费。更具体的，第二空气过滤器522的另一出气口与自热重整反应器11管道连接；第二空气过滤器522与自热重整反应器11之间设有质量流量控制结构85，质量流量控制结构85可以调整进入自热重整反应器11内的空气量，使反应顺利的进行。
热处理单元4内设有与阴极空气预热器521的相连接的用于冷凝阴极尾气的第一冷凝器41以及与水汽蒸发器71出气口相连接的用于冷凝阳极混合尾气的第二冷凝器42，第二冷凝器42的出气口与去离子水箱73管道连接，第二冷凝器42与去离子水箱73之间还连接有阳极尾气排放装置91，第一冷凝器41的出气口上连接有阴极尾气排放装置92。具体的，第一冷凝器41与第二冷凝器42并联设置，第一冷凝器41的进水口与第二冷凝器42的进水口之间设有三通阀43，第一冷凝器41的出水口与第二冷凝器42的出水口之间设有冷却水箱44，冷却水箱44与三通阀43管道连接且两者之间设有冷却水循环泵45，冷却水箱44上连接有热水输出管道441。
第一冷凝器41和第二冷凝器42将经过换热后的阴极尾气或阳极尾气中的水蒸汽进行冷凝，得到冷凝水，并将燃烧产生的CO2经阳极尾气排放装置91或阴极尾气排放装置92排出，且将冷却水箱44中的水加热后，经热水输出管道441输送至野外营区以提供其所需的供暖和生活所需热水。
Claims (8)
1.一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于包括：
自热重整单元(1)，用于将柴油蒸汽中的多碳化合物转变为富氢气体；
发电单元(2)，与所述自热重整单元(1)连接，用于将自热重整单元(1)产生的富氢气体进行电化学反应产生电能；
储能单元(3)，与所述发电单元(2)电连接，用来储存发电单元(2)所产生的电能并将电能分配到油田开采所需的区域；
热处理单元(4)，与所述自热重整单元(1)和发电单元(2)连接，用来将自热重整单元(1)和发电单元(2)内反应产生的尾气和热量进行热转换；
空气供给单元(5)，与所述自热重整单元(1)和发电单元(2)连接，用来提供自热重整反应和电化学反应所需的空气；
所述发电单元(2)为固体氧化物燃料电池电堆模组，所述发电单元(2)上具有阳极进气口(21)、阳极出气口(22)、阴极进气口(23)、阴极出气口(24)以供电化学反应的进行；
所述自热重整单元(1)内设有与所述发电单元(2)的阳极进气口(21)连接的自热重整反应器(11)以及与自热重整反应器(11)连接的气体混合器(12)，所述气体混合器(12)上连接有可向气体混合器(12)内输送气体的柴油预热系统(6)以及水汽蒸发系统(7)。
2.根据权利要求1所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述柴油预热系统(6)内设有与所述气体混合器(12)连接的柴油预热器(61)以及与所述柴油预热器(61)连接的用于将柴油抽入所述柴油预热器(61)内的增压泵(62)。
3.根据权利要求2所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述空气供给单元(5)内设有与所述柴油预热器(61)相连接的空气补偿系统(51)以及与所述自热重整单元(1)连接的空气供给系统(52)。
4.根据权利要求3所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述空气补偿系统(51)内设有空气燃烧器(511)，所述空气燃烧器(511)的进气口分别与所述发电单元(2)的阳极出气口(22)以及增压泵(62)管道连接，所述空气燃烧器(511)与所述增压泵(62)之间设有旋拧阀(512)，所述空气燃烧器(511)的另一进气口连接有补燃风机(513)，所述空气燃烧器(511)的出气口与所述柴油预热器(61)管道连接，所述柴油预热器(61)与所述热处理单元(4)管道连接。
5.根据权利要求4所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述水汽蒸发系统(7)内设有用于将所述柴油预热器(61)内的混合气体冷却后输送至热处理单元(4)的水汽蒸发器(71)，以及与所述热处理单元(4)连接的去离子水箱(73)，所述去离子水箱(73)经所述水汽蒸发器(71)与所述气体混合器(12)连接。
6.根据权利要求5所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述空气供给系统(52)内设有一与所述发电单元(2)的阴极进气口(23)连接的且用于提供发电单元(2)反应所需热空气的阴极空气预热器(521)，所述阴极空气预热器(521)的进气口连接有阴极风机(523)；所述阴极空气预热器(521)还设于所述发电单元(2)与所述热处理单元(4)之间且用于将阴极出气口(24)内的气体进行冷却后输送至热处理单元(4)。
7.根据权利要求6所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述热处理单元(4)内设有与所述阴极空气预热器(521)的相连接的用于冷凝阴极尾气的第一冷凝器(41)以及与所述水汽蒸发器(71)出气口相连接的用于冷凝阳极混合尾气的第二冷凝器(42)，所述第二冷凝器(42)的出气口与所述去离子水箱(73)管道连接，所述第二冷凝器(42)与所述去离子水箱(73)之间还连接有阳极尾气排放装置(91)，所述第一冷凝器(41)的出气口上连接有阴极尾气排放装置(92)。
8.根据权利要求7所述的用于油田开采的燃料电池热电联供系统，其特征在于所述第一冷凝器(41)与所述第二冷凝器(42)并联设置，所述第一冷凝器(41)的进水口与所述第二冷凝器(42)的进水口之间设有三通阀(43)，所述第一冷凝器(41)的出水口与所述第二冷凝器(42)的出水口之间设有冷却水箱(44)，所述冷却水箱(44)与所述三通阀(43)管道连接且两者之间设有冷却水循环泵(45)，所述冷却水箱(44)上连接有热水输出管道(441)。
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| CN202322291910.7U CN220796812U (zh) | 2023-08-24 | 2023-08-24 | 一种用于油田开采的燃料电池热电联供系统 |
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