基于SOFC-GT联合热电联供系统的运行方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SOFC

【技术实现步骤摘要】
基于SOFC
‑
GT联合热电联供系统的运行方法及系统


[0001]本专利技术涉及热电联供
，更具体的说，是涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)与蒸汽轮机(GT)联合的热电联供系统的运行方法，及实现该方法的热电联供系统。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池在高温下可以将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，作为新一代燃料电池通过几十甚至上百片单电池组合形成SOFC电堆，SOFC电堆可以实现从百瓦级、千瓦级到兆瓦级的电功率输出。由于SOFC的工作温度一般可达600
‑
1000℃，高工作温度使得其具有燃料适用范围广、尾气排放温度高等特点，SOFC的尾气中含有大量可以被进一步回收利用的余热。因此，SOFC特别适用于热电联供系统。
[0003]SOFC与燃汽轮机、蒸汽轮机和内燃机等联合组成的热电联供系统不仅发电效率高、排放低，而且能对燃料能量进行综合、梯级利用，是一种高效、环保的热电联产方式。
[0004]现有专利技术主要针对进一步提升热电联供系统运行过程的热效率、电效率、发电功率等指标提出了不同的优化方案，但对于SOFC与蒸汽轮机结合的热电联供系统的启动及运行控制方法现有专利技术中很少涉及。SOFC电堆由于工作温度与环境温度偏差巨大，且电堆材料(金属、陶瓷)热容较大，因此存在启动时间长、启动过程需要依靠辅助加热元件、启动过程电堆受热不均匀且过程中电堆发电功率无法满足电负荷需求等问题，基于SOFC
‑
GT热电联供系统的启动过程亟待优化。/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够根据运行阶段的不同调节燃料、空气、水及高温蒸汽的流向及流量，实现系统稳定启动，动态平衡系统发电量和供热量的固体氧化物燃料电池
‑
蒸汽轮机联合的热电联供系统的运行控制方法。
[0006]本专利技术的另一个目的是提供一种能够实现发电量及供电量动态平衡的热电联供系统。
[0007]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0008]一种基于SOFC
‑
GT联合热电联供系统的运行方法，所述热电联供系统为由固体氧化物燃料电池串联组成的SOFC电堆与蒸汽轮机联合的热电联供系统，所述运行方法包括启动阶段控制、预热阶段控制、低功率运行阶段控制及正常运行阶段控制；
[0009](1)所述启动阶段控制包括下述步骤：
[0010]燃料循环：预处理后的燃料进入燃烧室；
[0011]空气循环：预处理后的空气一路进入所述SOFC电堆的阳极，另一路进入所述SOFC电堆的阴极，提升所述SOFC电堆的阳极及阴极的温度；所述SOFC电堆的阳极及阴极排出的气体混合后进入所述燃烧室；
[0012]高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动发电机发电，从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热及空气预热提供热能，并为生活用
水模块提供热能；
[0013]监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆两极的空气流量使所述SOFC电堆的两极受热均匀，待所述SOFC电堆的两极温度达到240
‑
260℃时，结束启动阶段，进入预热阶段；
[0014](2)所述预热阶段控制包括下述步骤：
[0015]燃料循环：预处理后的燃料进入所述燃烧室；
[0016]空气循环：预处理后的空气进入所述SOFC电堆的阴极提升所述阴极的温度，所述SOFC电堆的阴极排出的气体进入所述燃烧室；
[0017]高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热及空气预热提供热能，而后部分高温蒸汽进入所述SOFC电堆的阳极提升SOFC电堆的阳极温度；完成燃料预热及空气预热后的高温蒸汽与所述SOFC电堆的阳极排出的高温蒸汽混合后为生活用水模块提供热能；
[0018]监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆阴极的空气流量，及进入所述SOFC电堆阳极的高温蒸汽流量，使所述SOFC电堆的两极受热均匀，待所述SOFC电堆的两极温度达到440
‑
460℃时，结束预热阶段，进入低功率运行阶段；
[0019](3)所述低功率运行阶段控制包括下述步骤：
[0020]燃料循环：预处理后的燃料一路进入燃料预转化器与燃料重整反应用水发生重整反应，重整反应产物进入所述SOFC电堆的阳极；另一路与所述SOFC电堆阳极的排气混合后进入所述燃烧室；
[0021]空气循环：预处理后的空气一路进入所述SOFC电堆的阴极，另一路与所述SOFC电堆阴极的排气混合后进入所述燃烧室；
[0022]进入所述阳极的气体与进入所述阴极的气体在内部发生电化学反应输出电能；
[0023]高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热、空气预热及燃料重整反应用水预热提供热量，并为所述生活用水模块提供热量；
[0024]监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆阳极的燃料流量及进入SOFC电堆阴极的空气流量，使系统逐渐达到额定工作状态且保证SOFC电堆温度均匀且温度逐渐上升，待所述SOFC电堆的温度上升到设定工作温度时低功率运行阶段结束，进入正常功率运行阶段；
[0025](4)所述正常功率运行阶段控制包括下述步骤：
[0026]燃料循环：预处理后的燃料进入燃料预转化器与燃料重整反应用水发生重整反应，重整反应产物进入所述SOFC电堆的阳极；
[0027]空气循环：预处理后的空气进入所述SOFC电堆的阴极，所述SOFC电堆两极排出的气体分别进入所述燃烧室；
[0028]进入所述阳极的气体与进入所述阴极的气体在内部发生电化学反应输出电能；
[0029]高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所
述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热、空气预热及燃料重整反应用水预热提供热量，并为所述生活用水模块提供热量；
[0030]监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，分别调节进入所述SOFC电堆阳极的燃料流量和阴极的空气流量，保证SOFC电堆维持在设定工作温度，并保持热电平衡。
[0031]监测所述燃烧室的温度，当所述燃烧室的温度超过预定值时，向所述燃烧室内通入未被预热的空气。
[0032]当热电负荷波动时，将所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SOFC
‑
GT联合热电联供系统的运行方法，其特征在于，所述热电联供系统为由固体氧化物燃料电池串联组成的SOFC电堆与蒸汽轮机联合的热电联供系统，所述运行方法包括启动阶段控制、预热阶段控制、低功率运行阶段控制及正常运行阶段控制；(1)所述启动阶段控制包括下述步骤：燃料循环：预处理后的燃料进入燃烧室；空气循环：预处理后的空气一路进入所述SOFC电堆的阳极，另一路进入所述SOFC电堆的阴极，提升所述SOFC电堆的阳极及阴极的温度；所述SOFC电堆的阳极及阴极排出的气体混合后进入所述燃烧室；高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动发电机发电，从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热及空气预热提供热能，并为生活用水模块提供热能；监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆两极的空气流量使所述SOFC电堆的两极受热均匀，待所述SOFC电堆的两极温度达到240
‑
260℃时，结束启动阶段，进入预热阶段；(2)所述预热阶段控制包括下述步骤：燃料循环：预处理后的燃料进入所述燃烧室；空气循环：预处理后的空气进入所述SOFC电堆的阴极提升所述阴极的温度，所述SOFC电堆的阴极排出的气体进入所述燃烧室；高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热及空气预热提供热能，而后部分高温蒸汽进入所述SOFC电堆的阳极提升SOFC电堆的阳极温度；完成燃料预热及空气预热后的高温蒸汽与所述SOFC电堆的阳极排出的高温蒸汽混合后为生活用水模块提供热能；监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆阴极的空气流量，及进入所述SOFC电堆阳极的高温蒸汽流量，使所述SOFC电堆的两极受热均匀，待所述SOFC电堆的两极温度达到440
‑
460℃时，结束预热阶段，进入低功率运行阶段；(3)所述低功率运行阶段控制包括下述步骤：燃料循环：预处理后的燃料一路进入燃料预转化器与燃料重整反应用水发生重整反应，重整反应产物进入所述SOFC电堆的阳极；另一路与所述SOFC电堆阳极的排气混合后进入所述燃烧室；空气循环：预处理后的空气一路进入所述SOFC电堆的阴极，另一路与所述SOFC电堆阴极的排气混合后进入所述燃烧室；进入所述阳极的气体与进入所述阴极的气体在内部发生电化学反应输出电能；高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热、空气预热及燃料重整反应用水预热提供热量，并为所述生活用水模块提供热量；监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，调节进入所述SOFC电堆阳极的燃料流量及
进入SOFC电堆阴极的空气流量，使系统逐渐达到额定工作状态且保证SOFC电堆温度均匀且温度逐渐上升，待所述SOFC电堆的温度上升到设定工作温度时低功率运行阶段结束，进入正常功率运行阶段；(4)所述正常功率运行阶段控制包括下述步骤：燃料循环：预处理后的燃料进入燃料预转化器与燃料重整反应用水发生重整反应，重整反应产物进入所述SOFC电堆的阳极；空气循环：预处理后的空气进入所述SOFC电堆的阴极，所述SOFC电堆两极排出的气体分别进入所述燃烧室；进入所述阳极的气体与进入所述阴极的气体在内部发生电化学反应输出电能；高温蒸汽循环：燃烧产生的高温蒸汽自所述燃烧室出口进入所述蒸汽轮机带动所述发电机发电；从所述蒸汽轮机排出的高温蒸汽为燃料预热、空气预热及燃料重整反应用水预热提供热量，并为所述生活用水模块提供热量；监测所述SOFC电堆两极的温度及进入电堆两极的气体温度，根据所述SOFC电堆两极的温度信息及其与进入电堆两极的气体的温度差，分别调节进入所述SOFC电堆阳极的燃料流量和阴极的空气流量，保证SOFC电堆维持在设定工作温度，并保持热电平衡。2.根据权利要求1所述的基于SOFC
‑
GT联合热电联供系统的运行方法，其特征在于，监测所述燃烧室的温度，当所述燃烧室的温度超过预定值时，向所述燃烧室内通入未被预热的空气。3.根据权利要求1所述的基于SOFC
‑
GT联合热电联供系统的运行方法，其特征在于，当热电负荷波动时，将所述燃烧室出口的高温蒸汽进行分流以平衡热电负荷。4.根据权利要求1所述的基于SOFC
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：安青松，孙博阳，王世学，朱禹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：