基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统技术方案

本发明专利技术涉及基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统，属于分布式供能系统领域。该系统包括固体氧化物燃料电池、燃烧室、VM循环热泵等部件。H2与O2在固体氧化物燃料电池中发生反应进行发电；同时，以CH4为主的气体燃料在燃烧室发生富氧燃烧，产生的高温气体进入燃气轮机膨胀做功，使发电机发电；再利用燃气轮机烟气驱动VM循环热泵，在夏季向用户供冷，在冬季向用户供热，并提供用户全年的生活热水负荷。本混合供能系统既可以保证系统电、冷、热用能的需求，又可以使能源得到充分利用。

Hybrid energy supply system based on gas turbine and solid oxide fuel cell

The invention relates to a hybrid energy supply system based on gas turbines and solid oxide fuel cells, and belongs to the field of distributed energy supply systems. The system includes solid oxide fuel cell, combustor, VM cycle heat pump and other components. H2 and O2 react in the solid oxide fuel cell to generate electricity; at the same time, the gas fuel which is mainly CH4 is burned in the combustion chamber, the high temperature gas produced by the gas turbine enters the gas turbine to expand the power and makes the generator to generate power; then the gas turbine flue gas is used to drive the VM circulating heat pump to supply cold to the user in the summer and in the winter. Heat supply to users and provide annual hot water load for users. The hybrid energy supply system can not only ensure the electrical, thermal and thermal energy consumption of the system, but also make full use of the energy.

【技术实现步骤摘要】
基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统
本专利技术属于分布式供能系统领域，尤其涉及基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统。
技术介绍
在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池的工作温度最高，属于高温燃料电池。近年，分布式电站由于成本低、可维护性高等优点逐渐成为世界能源供应的重要组成部分，而固体氧化物燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统，不但具有较高的发电效率(可达70％)，还具有低污染的环境效益，非常适用于分布式发电。但是，固体氧化物燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统的排烟温度在800℃左右，直接排走造成极大的能源浪费。为了实现排烟热量的梯级利用，选用VM循环热泵作为冷热生产设备。VM循环热泵的热源可以是传统的化石能源，也可以是太阳能、生物质能等新能源，配合新能源的开发更是具有重要的节能减排意义，相比其他供暖/制冷设备，VM循环热泵具有明显的社会经济性和环保性优势。
技术实现思路
针对上述存在的问题和现象，本专利技术提供基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统，旨在通过并联系统提高系统运行效率，实现能源梯级利用。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统，包括：压气机：其配置为将空气进行压缩；空气分离器：其配置为对空气进行分离；燃料预热器：其配置为对燃料进行加热；气体预热器：其配置为对O2进行加热；重整器：其配置为将预热后的燃料进行重整，以产生固体氧化物燃料电池阳极所需的氢；固体氧化物燃料电池：其配置为发生电化学反应产生电能；燃烧室：其配置为发生富氧燃烧，产生高温气体；燃气轮机：其配置为将高温气体的热能转换为机械能；发电机：其配置为将机械能转变为电能；VM循环热泵：其配置为将蒸汽的低温热源转移到高温热源，进行制冷和供暖，满足用户用能需求；换热器I：其配置为将VM循环热泵热腔的热流体热量传递给冷流体；换热器II：其配置为将VM循环热泵室温腔的热流体热量传递给冷流体；换热器III：其配置为将VM循环热泵冷腔的冷流体冷量传递给热流体。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的空气分离器的产物是O2和N2产品。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的燃料预热器加热热源是燃气轮机的高温烟气。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的气体预热器的加热热源是燃气轮机的高温烟气。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的重整器的产物是CO和H2。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的固体氧化物燃料电池内发生电化学反应的是H2和O2。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的燃气轮机产生的高温烟气一部分进入燃烧室，另一部分先进入重整器，再进入燃料预热器和气体预热器。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的VM循环热泵通过热腔供应生活热水负荷，通过冷腔供应用户所需冷量，通过室温腔供应热量。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器I与VM循环热泵热腔连接，全年运行。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器II与VM循环热泵室温腔连接，冬季运行，夏季停运。上述的基于燃气轮机和熔融碳酸盐燃料电池的混合供能系统，其中，所述的换热器III与VM循环热泵冷腔连接，夏季运行，冬季停运。上述技术方案具有如下优点或者有益效果：1、利用固体氧化物燃料电池和富氧燃烧相结合的发电方式，既可保证系统的发电量，又使得能源得以充分利用。2、燃气轮机排烟先经过重整器加热燃料，再驱动VM循环热泵，最后将VM循环热泵热腔的热水用来预热燃料和空气，此烟气利用途径既能保证各级用能需求，又可节约能源。3、本系统将VM循环热泵与固体氧化物燃料电池相结合，供能方式多样，进一步挖掘出VM循环热泵的节能潜力和驱动灵活性。附图说明通过阅读参考以下的附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1.基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统结构示意图图2.固体氧化物燃料电池工作原理图图中各标号含义如下：1-压气机；2-空气分离器；3-燃料预热器；4-气体预热器；5-重整器；6-固体氧化物燃料电池；7-燃烧室；8-燃气轮机；9-发电机；10-VM循环热泵；11-换热器I；12-换热器II；13-换热器III；具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但是不作为本专利技术的限定。VM循环热泵的工作原理参考中国专利CN101865566A。如图1所示，本系统包括：压气机1、空气分离器2、燃料预热器3、气体预热器4、重整器5、固体氧化物燃料电池6、燃烧室7、燃气轮机8、发电机9、VM循环热泵10、换热器I11、换热器II12、换热器III13。空气经过压气机1压缩后进入空气分离器2进行气体分离得到O2和N2产品，一部分O2经过气体预热器4加热后进入固体氧化物燃料电池6，另一部分O2进入燃烧室7；燃料经燃料预热器3加热后，一部分燃料经过重整器5重整后得到H2进入固体氧化物燃料电池6，与O2发生电化学反应并发电；另一部分燃料、重整得到的CO、烟气、O2以及固体氧化物燃料电池6的产物H2O进入燃烧室7进行富氧燃烧，产生的高温烟气进入燃气轮机8膨胀做功，并使发电机9发电；最后，燃气轮机8的800℃高温烟气一部分回流至燃烧室7调节富氧燃烧的O2含量在合理范围内，另一部分高温烟气先加热重整器5，稳定固体氧化物燃料电池6所需的H2产量，再加热燃料预热器3和气体预热器2，使固体氧化物燃料电池6保持合理的工作温度范围，最后驱动VM循环热泵10，夏季通过换热器II12从外界吸收热量进行制冷，冬季通过换热器III13向用户供暖，换热器I11则供应全年生活热水。下面结合图2介绍固体氧化物燃料电池工作原理图。图2中的固体氧化物燃料电池6主要包括固体电解质E、阳极A和阴极C三部分，固体氧化物燃料电池6工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧分子得到电子被还原成氧离子，氧离子在电位差和氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位定向跃迁至阳极发生氧化反应，阳极反应释放出的电子通过外电路流回到阴极。本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本专利技术的实质内容，在此不予赘述。以上对本专利技术的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本专利技术并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本专利技术的实质内容。因此，凡是未脱离本专利技术技术方案的内容，依据本专利技术的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本专利技术技术方案保护的范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统，其特征在于：它包括压气机、空气分离器、燃料预热器、气体预热器、重整器、固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、发电机、VM循环热泵、换热器I、换热器II、换热器III；所述的VM循环热泵包括热腔、室温腔、冷腔；空气经过压气机压缩后进入空气分离器得到O2和N2产品，一部分O2经过气体预热器加热后进入固体氧化物燃料电池，另一部分O2进入燃烧室；以CH4为主的气体燃料经燃料预热器加热后，一部分经过重整器得到H2进入固体氧化物燃料电池，与O2发生电化学反应并发电；另一部分以CH4为主的气体燃料、燃料重整后的产物CO、O2、烟气以及固体氧化物燃料电池产物中的部分H2O在燃烧室内进行富养燃烧，产生高温气体进入燃气轮机膨胀做功，并使发电机发电；同时，利用燃气轮机烟气驱动VM循环热泵，夏季通过冷腔从外界吸收热量进行制冷，冬季通过室温腔向用户供暖，热腔供应全年生活热水。

【技术特征摘要】
1.基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能系统，其特征在于：它包括压气机、空气分离器、燃料预热器、气体预热器、重整器、固体氧化物燃料电池、燃烧室、燃气轮机、发电机、VM循环热泵、换热器I、换热器II、换热器III；所述的VM循环热泵包括热腔、室温腔、冷腔；空气经过压气机压缩后进入空气分离器得到O2和N2产品，一部分O2经过气体预热器加热后进入固体氧化物燃料电池，另一部分O2进入燃烧室；以CH4为主的气体燃料经燃料预热器加热后，一部分经过重整器得到H2进入固体氧化物燃料电池，与O2发生电化学反应并发电；另一部分以CH4为主的气体燃料、燃料重整后的产物CO、O2、烟气以及固体氧化物燃料电池产物中的部分H2O在燃烧室内进行富养燃烧，产生高温气体进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢英柏，仲凯，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13