专利名称：基于lng冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统的制作方法
技术领域：
本发明属 于高温和中低温热能回收与动力工程领域，涉及一种基于冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统。
背景技术：
传统的化石燃料包括煤、石油、天然气等，其储量有限，并大多数以燃烧的方式被利用，这样不但使得能源利用效率有限从而导致能源的浪费，而且不可避免地产生大量的污染物排放。固体氧化物燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的发电装置，燃料中的氢借助于电解质与空气中的氧直接转化为电能，不受卡诺循环效率的限制，是一种能够很好地解决化石燃料发电效率与环境污染这一矛盾的新型发电方式。另外，固体氧化物燃料电池的反应温度较高，通常在1000°c左右，其排放的余热品位较高，有很大的回收利用空间。因此，采用一种基于LNG(liquefied natural gas,液化天然气)冷能利用的固体氧化物燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统将燃料电池燃气轮机联合循环、有机朗肯循环和LNG冷能利用进行系统集成，可以实现能源的梯级利用，提高能源的利用效率。图I给出了现有技术中的一种固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统示意图。空气依次经过空气压缩机I’升压，气体加热器4’升温，送入固体氧化物燃料电池8，的阴极。同时，燃料经过燃料压缩机2’升压和气体加热器5’预热；水在水泵3’中加压，经过加热器6’加热，与预热后的燃料在混合器7’中充分混合之后，送入固体氧化物燃料电池8，的阳极。燃料和氧气在固体氧化物燃料电池8，内发生电化学反应后对外输出直流电，经过逆变器12’，转换为交流电输出。另一方面，燃料电池8’排放的未反应完的氧气与阳极未反应完全的可燃气体一同送入燃烧室9’中进行燃烧，产生高温高压燃气，燃气再进入燃气轮机10’中做功，驱动发电机11’发电。最后，燃气轮机10’的高温排气依次被送入加热器4’、加热器5’、加热器6’，分别完成对空气、燃料和水的预热，最后排出系统。上述系统将固体氧化物燃料电池的高温排气通过燃气轮机进行发电，同时利用燃气轮机的排气对燃料、空气和水进行预热，回收了高温排气的热能，提高了系统的效率。但是由于燃气轮机的排气温度很高，即使经过换热器之后仍然有很大的中低温余热利用空间。中低温热源发电可以采用有机朗肯循环技术。有机朗肯循环采用低沸点的有机工质，如R123，R113，R245fa，异戊烷等。有机工质在余热锅炉I”中被中低温余热的热量加热为饱和或者过热蒸气，进入有机工质透平2”做功，驱动发电机3”输出发电量，透平2”的排气进入冷凝器4”中冷却为液态，经由增压泵5”升压后重新进入余热锅炉，形成一个完整的循环，系统如图2所示
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，利用燃气轮机的低温余热热量，同时利用液化天然气的冷能，大大增加了系统的发电量，实现了能量的梯级利用，提高了能源利用率，减少了大气环境污染，符合国家节能减排的需求。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案—种基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统，其中，空气经一级空气压缩机升压后，进入间冷器进行冷却降温，然后进入二级空气压气机，接着经第一加热器预热后进入固体氧化物燃料电池的阴极电极板；燃料经间冷器升温后，依次经过压气机和第二加热器；水经水泵加压后，通过第三加热器加热，之后与预热后的燃料在混合器中充分混合，最后一同进入固体氧化物燃料电池的阳极电极板；固体氧化物燃料电池阴极排放的未反应完的氧气与阳极未反应完全的可燃气体一同进入与之连接的后燃室进行完全燃烧，产生高温高压燃气；燃气轮机与后燃室相连接，燃气轮机的高温排气依次被送入第一加热器、第二加热器、第三加热器，依次预热空气、燃料和水；有机朗肯循环系统，包括依次连接的余热锅炉、有机工质透平、冷凝器、增压泵，其中，所述增压泵的一端与冷凝器相连，另一端与余热锅炉相连，所述余热锅炉的余热来自燃气轮机的高温排气依次预热空气、燃料和水后排出的中低温气体；LNG冷能源，其存储于LNG存储罐中，与有机朗肯循环系统的冷凝器相连，用以冷凝有机工质透平的排气，然后通过冷库换热器释放冷能，最后，一部分进入间冷器，作为燃料供给燃料电池，多余的部分供给燃气管网。优选的，后燃室产生高温高压燃气进入燃气轮机中做功，驱动与燃气轮机连接的第一发电机发电。优选的，燃气轮机的高温排气依次预热空气、燃料和水后排出的中低温气体进入余热锅炉，将能量传递给有机工质，使有机工质达到饱和状态或者过热状态，之后工质进入有机工质透平中做功，驱动与有机工质透平同轴连接的第二发电机发电。优选的，燃料和氧气在固体氧化物燃料电池内发生电化学反应后对外输出直流电，经过与固体氧化物燃料电池连接的逆变器转换为交流电输出。优选的，有机朗肯循环系统可运行于亚临界工况下，采用R123、R245fa、R600、R134a、异戊烷、正戊烷、Rl 13、Rll、R152a、R236fa、R236ea或R141b制冷剂作为系统运行的工质。优选的，有机朗肯循环系统可运行于超临界工况下，采用二氧化碳、R125或R227ea作为系统运行的工质。与现有技术相比，本发明基于冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统至少具有以下优点
I)显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放。固体氧化物燃料电池与燃气轮机的高温排气经过预热燃料、空气和水之后，仍有很高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环将这些中低温余热进行回收利用，转换为电能输出，可以大大提高了能源转换效率，减少了污染物向环境中的排放。有机朗肯循环的工作介质选择低沸点的有机工质，较常规朗肯循环具有结构尺寸小、效率高、循环压力高、在透平膨胀过程工质不会进入两相区等优点，适合用于中 低温余热利用。2)LNG冷能的利用以及整个联合发电系统性能的改善。LNG首先用来作为动力循环的冷源冷凝有机工质透平的排气，可以使有机工质透平的背压显著降低，增加有机朗肯循环的功率输出。经过冷凝器出来的LNG仍然具有大量冷能，经过冷库换热器释放冷能后，进入空气压缩机的间冷器，冷却一级空气压缩机的排气，从而减小空气压缩机的耗功。
图I是传统的固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统的结构框图；图2是传统的有机朗肯循环系统的结构框图；图3是本发明基于冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统的结构框图。其中，图中标号与元件的对应关系为
I~一级空气压缩机 ~ 间冷器Γ1 ~ 二级空气压缩机
~1 5 icl6第一加热器
~第二加热器 8 第三加热器9
~ 0固体氧化物燃料电池 U 燃烧室12燃气轮机
13第一发电机 1415余热锅炉
~ 6有机工质透平 17 第二发电机18冷凝器
~T9WbM 20 冷库换热器P空气压缩机
燃料压缩机37 iclV第一加热器
^第二加热器 61 第三加热器V混合器
~8'固体氧化物燃料电池 97 燃烧室IO7燃气轮机
TT1 ! 21P余热锅炉
有机工质透平ml
^增压泵 21 燃气管网22LNG存储罐
具体实施例方式下面结合附图对本发明系统的一种实施例进行详细描述本发明涉及一种基于LNG冷能利用的固体氧化物燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，采用富氢燃料天然气作为固体氧化物燃料电池的燃料，有机工质作为朗肯循环发电系统的工作介质，可以向外界输出电能。本发明由固体氧化物燃料电池、后燃室、燃气轮机、换热器、透平、冷凝器、增压泵泵、压缩机等组成。固体氧化物燃料电池中未反应完的可燃气体和空气在后燃室中继续燃烧，产生高温高压的燃气，进入燃气轮机做功输出电能，燃气轮机的高温排气依次预热空气、燃料和水，实现燃气余热利用；经预热后燃气排气仍然具有较高的温度等级，属于中低温余热，采用有机朗肯循环将这些中低温余热进行回收利用，转换为电能输出，实现能量的梯级利用；LNG用来作为有机朗肯循环的冷源冷凝有机工质透平的排气，可以使有机工质透平的背压显著降低，增加有机朗肯循环的功率输出，同时利用了 LNG的冷能。经过冷凝器出来的LNG仍然具有大量冷能，经过冷库换热器释放冷能 后，一部分进入空气压缩机的间冷器，冷却一级空气压缩机的排气，从而减小空气压缩机的耗功，多余的部分供给燃气管网。所发明的系统可以显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放，改善系统的性能。图3是本发明一种基于LNG冷能利用的固体氧化物燃料电池与有机朗肯循环联合发电系统的结构框图，该系统包括一级空气压缩机I、间冷器2、二级空气压缩机3、燃料压缩机4、水泵5、第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8、混合器9、固体氧化物燃料电池10、后燃室11、燃气轮机12、发电机I 13、逆变器14、余热锅炉15、有机工质透平16、发电机II 17、冷凝器18、增压泵19、冷库换热器20、燃气管网21和LNG存储罐22。实施方案为空气经过一级空气压缩机I升压后，再通过间冷器2冷却降温，进入二级空气压缩机3，然后经过加热器I 6被燃气透平的高温排气预热，送入固体氧化物燃料电池10的阴极电极板；来自间冷器2升温之后的燃料(天然气)分别经过燃料压缩机4，第二加热器7加热；水在水泵5中加压后，通过第三加热器8加热，与预热后的燃料在混合器9中充分混合，一同送入固体氧化物燃料电池10的阳极电极。燃料和氧气在固体氧化物燃料电池10内发生电化学反应后对外输出直流电，经过逆变器14转换为交流电输出。之后，阴极排放的未反应的氧气与阳极未反应完全的可燃气体进入与之连接的后燃室11进行完全燃烧，产生高温高压燃气，燃气轮机12与后燃室11相连接。高温高压燃气进入燃气轮机12中做功，驱动与其连接的第一发电机13发电。燃气轮机12的高温排气依次被送入第一加热器6、第二加热器7、第三加热器8，依次预热空气、燃料和水，最后排出的中低温气体进入余热锅炉15，将能量传递给有机工质，使有机工质达到饱和状态或者过热状态，之后工质进入有机工质透平16中做功，驱动与其同轴连接的第二发电机17发电，有机工质透平16的排气在冷凝器18中被LNG冷凝成液态，然后经过增压泵19加压后，送入余热锅炉15中被燃气轮机的排气加热。液化天然气(LNG)作为冷源从LNG存储罐22中进入冷凝器18中冷凝有机工质透平16的排气，然后进入冷库换热器20中，释放冷能，之后一部分进入空气压缩机的间冷器2，冷却一级空气压缩机I的排气，然后作为固体氧化物燃料电池10的燃料送到燃料压缩机4 ;从冷库换热器20中排出的多余部分天然气通入燃气管网。本发明系统既可以提高能源转换效率，实现能量梯级利用，又可以利用LNG富含的大量冷能，实现能量梯级利用。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统,其特征在于包括固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统、有机朗肯循环系统和LNG冷能源； 固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统，其中，空气经ー级空气压缩机(I)升压后，进入间冷器(2)进行冷却降温，然后进入ニ级空气压气机(3)，接着经第一加热器(6)预热后进入固体氧化物燃料电池(10)的阴极电极板；燃料经间冷器(2)升温后，依次经过压气机(4)和第二加热器(7);水经水泵(5)加压后，通过第三加热器(8)加热后，与预热后的燃料在混合器(9)中充分混合，最后一同进入固体氧化物燃料电池(10)的阳极电极板；固体氧化物燃料电池(10)阴极排放的未反应的氧气与阳极未反应完全的可燃气体一同进入与之连接的后燃室(11)进行完全燃烧，产生高温高压燃气，燃气轮机(12)与后燃室(11)相连接；燃气轮机(12)的高温排气依次被送入第一加热器(6)、第二加热器(7)、第三加热器(8)，依次预热空气、燃料和水； 有机朗肯循环系统，包括依次连接的余热锅炉(15)、有机エ质透平(16)、冷凝器(18)、增压泵(19)，其中，所述增压泵(19)的一端与冷凝器(18)相连，另一端与余热锅炉(15)相连，所述余热锅炉(15)的余热来自燃气轮机(12)的高温排气依次预热空气、燃料和水后排出的中低温气体； LNG冷能源，其存储于LNG存储罐(22)中，与有机朗肯循环系统的冷凝器(18)相连，用来冷凝有机エ质透平(16)的排气，然后通过冷库换热器(20)释放冷能，最后，一部分进入间冷器(2)作为燃料供给燃料电池，多余部分供给燃气管网(21)。
2.根据权利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，其特征在于后燃室(11)产生高温高压燃气进入燃气轮机(12)中做功，驱动与燃气轮机(12)连接的第一发电机(13)发电。
3.根据权利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，其特征在于燃气轮机(12)的高温排气依次预热空气、燃料和水后排出的中低温气体进入余热锅炉(15)，将能量传递给有机エ质，使有机エ质达到饱和状态或者过热状态，之后进入有机エ质透平(16)中做功，驱动与有机エ质透平(16)同轴连接的第二发电机(7)发电。
4.根据权利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，其特征在干燃料和氧气在固体氧化物燃料电池(10)内发生化学反应后对外输出直流电，经过与固体氧化物燃料电池(10)连接的逆变器(14)转换为交流电输出。
5.根据权利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，其特征在于有机朗肯循环系统可运行于亚临界エ况下，采用R123、R245fa、R600、尺134&、异戊烷、正戊烷、1 113、1 11、1 152&、1 236デ&、1 2366&或1 14讣制冷剂作为系统运行的ェ质。
6.根据权利要求I所述的基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，其特征在于有机朗肯循环系统可运行于超临界エ况下，采用ニ氧化碳、R125或R227ea作为系统运行的エ质。
全文摘要
本发明公开了一种基于LNG冷能利用的燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池和燃气轮机的联合循环系统、有机朗肯循环系统和LNG冷能源；SOFC中未反应完的燃料和空气在后燃室中继续燃烧，产生高温高压的燃气，进入燃气轮机做功输出电能，燃气轮机的高温排气依次预热空气、燃料和水；有机朗肯循环系统将经预热空气、燃料和水后的中低温烟气余热进行回收利用，转换为电能输出，实现能量的梯级利用；LNG冷能源作为有机朗肯循环的冷源冷凝有机工质透平的排气，使有机工质透平的背压显著降低，增加有机朗肯循环的功率输出，同时回收利用了LNG的冷能。本发明系统可以显著提高了能源转化效率，减少了污染物排放，改善系统的性能。
文档编号F02C6/00GK102628402SQ201210112919
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者戴义平, 李茂庆, 王江峰, 王漫, 赵攀, 阎哲泉 申请人:西安交通大学