以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统；燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；后燃室的出口与燃烧室的入口连通；燃烧室的出口与燃气透平的入口连通；余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一冷凝器的第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；第一冷凝器的第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。本实用新型专利技术提供的分布式能源系统既优化了能源结构又节能环保，对中国LNG卫星站能源的合理利用具有重要指导意义。

【技术实现步骤摘要】
以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统
本技术涉及一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，具体涉及一种以液化天然气为原料的固体氧化物燃料电池-注蒸汽燃气轮机-液化天然气制冷分布式能源系统。
技术介绍
液化天然气(LiquefiedNaturalGas，LNG)的主要成分是甲烷，具有热值大、性能高等特点，是一种清洁、高效的能源。根据目前的LNG使用计划，到2020年，中国LNG需求量将达到4600万吨，届时将需要进口2500万吨LNG。近年来，随着液化天然气进口量的增加，为提高液化天然气的接收，储存、气化和运输能力，在中国内陆地区建立了许多LNG卫星站。液化天然气气化时释放大量的冷能，约830kJ/kg。而中国兴建的LNG卫星站绝大部分是将LNG直接气化，所产生的大量冷能被海水或空气带走，这不仅造成了巨大的能源浪费，而且给环境带来严重的冷污染。固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、友好的转化为电能的装置。固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。工作时，在阴极一侧持续通入氧化气(氧气或空气)，O2吸附在多孔阴极表面，被催化还原为O2-并扩散到固体电解质与阳极的界面。同时，在阳极一侧持续通入的燃料气(氢气、一氧化碳或天然气等碳氢化合物)扩散到阳极与电解质的界面，并与O2-反应生成CO2和/或H2O，反应生成的电子通过外循环电路回到阴极，从而产生电流。固体氧化物燃料电池具有较高的电流密度且对环境零污染，因此可以作为小型家用和大型集中供电的固定电站，也可以用作移动电源。典型的固体氧化物燃料电池系统的结构如图1所示，包括固体氧化物燃料电池、预重整器、预热器和后燃室。作为燃料气的焦炉煤气在预重整器中进行预重整后供给SOFC的阳极；同时，作为氧化气的空气经预热器预热后供给SOFC的阴极，二者在SOFC中反应产生的直流电再经DC-AC转换器转化为交流电。反应产物以及未完全反应的原料进入后燃室中充分燃烧，得到的高温燃气进入预热器与空气换热后排出。典型的注蒸汽燃气轮机(SteamInjectedGasTurbine，STIG)系统结构如图2所示，包括压气机、燃烧室、燃气透平和余热锅炉。空气供入压气机，压缩成具有较高压力和温度的压缩空气，流入燃烧室与燃料混合燃烧，形成高温、高压、高速的高温高压燃气。高温高压燃气流入燃气透平并推动燃气透平旋转，经透平轴输出机械功并可转化为电能。透平排气可供给余热锅炉，与供给水发生换热，得到的水蒸气流入燃烧室中。如何开发一种分布式能源系统，实现LNG冷能的有效利用，并且进一步提高SOFC和STIG的能源利用及转化效率，避免环境污染和能源浪费，使其更适合目前城市发展现状，是目前有待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述缺陷，本技术提供一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，能够实现LNG冷能的有效利用，并且提高SOFC和STIG的能源利用及转化效率，避免环境污染和能源浪费。为实现上述目的，本技术所提供的以液化天然气为原料的分布式能源系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆、燃料压缩机、预重整器、预热器和后燃室；固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机、燃气透平、燃烧室以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉，余热锅炉具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器，第一冷凝器具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；其中，固体氧化物燃料电池的阴极入口通过预热器与压气机的出口连通，阴极出口与后燃室的入口连通，阳极入口与预重整器的出口连通，阳极出口与后燃室的入口连通；燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；后燃室的出口与燃烧室的入口连通；燃烧室的出口与燃气透平的入口连通；余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。进一步的，固体氧化物燃料电池的阳极出口还与预重整器的入口连通。进一步的，上述分布式能源系统还包括第一分离器和混合器，第一分离器具有入口和两个出口，第一分离器的入口与固体氧化物燃料电池的阳极出口连通；第一分离器的其中一个出口与后燃室的入口连通；混合器具有入口和出口，混合器的入口分别与第一分离器的另一个出口以及燃料压缩机的出口连通，混合器的出口与预重整器的入口连通。进一步的，上述分布式能源系统还包括第一发电装置和第二发电装置，第一发电装置与固体氧化物燃料电池连接，第二发电装置与燃气透平连接。进一步的，上述液化天然气制冷子系统还包括干燥器和压缩机，其中：干燥器的入口与余热锅炉的热介质出口连通，干燥器的出口与压缩机的入口连通；压缩机的出口与第一放热通道的入口连通。进一步的，液化天然气制冷子系统还包括第二冷凝器，第二冷凝器具有用于实现换热的第二放热通道和第二吸热通道，第二放热通道的两端分别与压缩机的出口和第一放热通道的入口连接，第二吸热通道内流动有循环水。进一步的，液化天然气制冷子系统还包括第三冷凝器，第三冷凝器具有用于实现换热的第三放热通道和第三吸热通道，第三吸热通道的入口和出口分别与第一吸热通道的出口和燃料压缩机的入口连通，第三吸热通道的出口用于与城市天然气管网连通。进一步的，上述分布式能源系统还包括第二分离器，第二分离器的入口与第三吸热通道的出口连通，第二分离器的一个出口与燃料压缩机的入口连通，另一个出口用于与城市天然气管网连通。进一步的，该第三放热通道的出口与压气机的入口连通。进一步的，上述分布式能源系统还包括二氧化碳回收子系统，二氧化碳回收子系统包括气液分离器，气液分离器的入口与第一放热通道的出口连通。本技术提供的以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，具有以下积极效果：①该分布式能源系统是一种有效又环保的能量利用系统，SOFC子系统有效提高系统热效率，降低了能耗，同时系统的效率有了较大提高；STIG子系统无需配备蒸汽轮机发电机组，在相同的发电能力下可以降低投资额。另外，和燃气轮机相比，由于注入了水蒸气，使燃烧室温度降低，对设备的要求降低，还增加了燃气透平进口烟气流量，使输出功也相应增大，发电量增加。同时，还实现了LNG冷能的合理利用，避免了冷能的浪费及冷污染。②该分布式能源系统，能够有效结合冷热电联产系统，实现分布式供能的用户需求，并具有灵活控制，结构紧凑及耦合不同工业生产供能耗能的要求特点，能够满足如LNG多联产、化工产品制备等工艺复杂、种类繁多的能源工业的多项要求与发展需要。不仅能够优化能源结构及节能环保，而且符合中国向节能型社会发展的国策，对我国LNG卫星站合理利用冷能的未来发展方向具有一定的指导意义。③该分布式能源系统，在加入二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：所述固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆、燃料压缩机、预重整器、预热器和后燃室；所述固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；所述注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机、燃气透平、燃烧室以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉，所述余热锅炉具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；所述液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器，所述第一冷凝器具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；其中，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口通过预热器与压气机的出口连通，阴极出口与后燃室的入口连通，阳极入口与预重整器的出口连通，阳极出口与后燃室的入口连通；所述燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；所述后燃室的出口与所述燃烧室的入口连通；所述燃烧室的出口与所述燃气透平的入口连通；所述余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；所述第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。...

【技术特征摘要】
1.一种以液化天然气为原料的基于燃料电池的分布式能源系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池子系统、注蒸汽燃气轮机子系统和液化天然气制冷子系统：所述固体氧化物燃料电池子系统包括固体氧化物燃料电池堆、燃料压缩机、预重整器、预热器和后燃室；所述固体氧化物燃料电池堆包括多个固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池具有分别供氧化气和燃料气进入的阴极入口和阳极入口，以及具有分别供阴极尾气和阳极尾气排出的阴极出口和阳极出口；所述注蒸汽燃气轮机子系统包括压气机、燃气透平、燃烧室以及能够实现冷介质和热介质之间换热的余热锅炉，所述余热锅炉具有冷介质入口和冷介质出口，以及热介质入口和热介质出口；所述液化天然气制冷子系统至少包括第一冷凝器，所述第一冷凝器具有用于实现换热的第一放热通道和第一吸热通道；其中，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口通过预热器与压气机的出口连通，阴极出口与后燃室的入口连通，阳极入口与预重整器的出口连通，阳极出口与后燃室的入口连通；所述燃料压缩机的出口分别与预重整器的入口和燃烧室的入口连通；所述后燃室的出口与所述燃烧室的入口连通；所述燃烧室的出口与所述燃气透平的入口连通；所述余热锅炉的热介质入口经预热器与燃气透平的出口连通，热介质出口与第一放热通道的入口连通，冷介质出口与燃烧室的入口连通；所述第一吸热通道的入口用于与液化天然气卫星站连通，第一吸热通道的出口与燃料压缩机的入口连通。2.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口还与预重整器的入口连通。3.根据权利要求2所述的分布式能源系统，其特征在于，还包括第一分离器和混合器，所述第一分离器具有入口和两个出口，所述第一分离器的入口与固体氧化物燃料电池的阳极出口连通；所述第一分离器的其中一个出口与后燃室的入口连通；所述混合器具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓宇，赵洪滨，侯秦龙，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：新型
国别省市：北京,11