[发明专利]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

说明书

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℃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1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1’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1”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：

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，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。