基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统

摘要

本发明公开了一种基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统，它涉及一种SOFC/GT和中低温余热回收系统，本发明以传统的SOFC/GT混合发电系统为基准系统，引入基于分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环为其底循环，得到一个新的高效节能功冷联供系统。SOFC/GT顶循环和设有分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合底循环相连接，设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷复合底循环为制冷子循环和设有分馏冷凝子系统的动力子循环相连接。本发明可以实现系统能量的高效梯级利用和功冷联供。

说明书

技术领域

本发明涉及一种由SOFC/GT和中低温余热回收系统耦合构成的冷热电联供系统，具体 涉及一种基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的高温电化学发电装置。它通过电化学反应 将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电和热，由于其不需要经过燃烧过程，也不受卡诺循 环效率的限制，因而具有发电效率高、清洁、余热利用价值大等优点，具有非常广阔的发 展应用前景。如图2所示，由SOFC和燃气轮机(GT)构成的SOFC/GT混合发电系统被 认为是实现Vision21计划目标的最关键技术。由于现有SOFC/GT系统的排气温度较高， 可与中低温余热回收系统构建成联合系统，从而实现能量的综合梯级利用。已有的中低温 余热回收技术中，以氨水为工质的功冷联供系统能够根据实际负荷需要改变氨水浓度来实 现电能和冷量的可调节供应。但由于受氨水浓度和环境温度的影响，现有氨水功冷联供系 统的直接冷凝过程存在冷凝压力较高、系统热效率较低的不足。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于分馏冷凝氨动力/制冷循环 和SOFC/GT的联供系统。该系统以现有的SOFC/GT混合发电系统为基准系统，通过引入 基于分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环为其底循环，从而构成一个由SOFC/GT和分 馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环耦合构成的功冷联供系统，可以实现系统能量的高效 梯级利用和根据用户需要有效调节功冷联供负荷。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统，包括SOFC/GT混合发电 系统和设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷的复合底循环回收系统，所述SOFC/GT混合发电 系统的第二混合器依次与余热锅炉、再沸器和烟气回热器相连接；

所述复合底循环回收系统包括精馏塔，精馏塔顶部串联高氨冷凝器、过冷器、第一节 流阀和蒸发器后接入第四混合器；精馏塔底部串联再沸器和第二节流阀后分成两路：一路 接入第四混合器，另一路接入第三混合器；第四混合器与第五混合器相连接；第五混合器 串联低压冷凝器和低压泵后分成两路：一路串联分离器母液回热器和排汽回热器后接入气 液分离器，另一路接入第六混合器；气液分离器底部串联分离器母液回热器和第三节流阀 后接入第五混合器；气液分离器顶部串联富氨蒸气回热器后接入第六混合器，第六混合器 依次串联高压冷凝器、高压泵、富氨蒸气回热器、余热锅炉和透平后接入第三混合器；第 三混合器依次串联排汽回热器、排汽冷凝器、中压泵和烟气回热器后接入蒸馏塔。

将第四混合器接入第五混合器进入分馏冷凝子系统进行分级冷凝和升压可使第四混合 器前的蒸发压力维持在较低值，使得蒸发器的制冷量提高，这是因为第四混合器流出的溶 液浓度高于进入精馏塔前的溶液浓度，若直接冷凝所需冷凝压力高。

第三混合器与排汽回热器相连接，排汽回热器与气液分离器相连接，即利用透平排汽 和第二节流阀的部分溶液的热量为气液分离提供动力。

所述SOFC/GT混合发电系统包括空气压气机，空气压气机与第一预热器串联后接入 SOFC的阴极；燃料压气机与第一混合器相连接，第一泵与第三预热器串联后接入第一混合 器，第一混合器与第二预热器相连后接入SOFC的阳极；SOFC电池堆的输出端与直流/交 流换流器相连接；SOFC的阴极排气和阳极排气接入后燃室，后燃室出口接入燃气轮机；燃 气轮机排气分两路：一路与第一预热器和第三预热器串联后接入第二混合器，另一路与第 二预热器串联后接入第二混合器。

SOFC/GT混合发电系统的顶循环中，环境温度、环境压力下的空气经空气压气机升压 至SOFC工作压力，然后进入第一预热器被加热至设定的SOFC进口温度送入SOFC阴极；

环境温度、环境压力下的燃料甲烷经燃料压气机升压至SOFC工作压力后进入第一混 合器；

环境温度、环境压力下的水经第一泵升压后进入第三预热器预热至燃料升压后的温度， 然后进入第一混合器与燃料混合；

燃料和水的混合物进入第二预热器被加热至设定的SOFC进口温度后进入SOFC阳极；

在SOFC阳极相继发生重整反应、置换反应和电化学反应，电化学反应的能量一部分 用于输出SOFC的发电量，一部分用于维持重整反应和置换反应的进行，另一部分用于加 热SOFC的高温排气；

SOFC阳极排气中的可燃物，主要为CO和H₂，在后燃烧室内与SOFC阴极排出的过 量空气进行充分燃烧生成高温烟气；

高温烟气进入燃气轮机做功后被分成两支：一支相继通过第一预热器和第三预热器放 热，另一支通过第二预热器放热；

两支烟气放热后在第二混合器混合后进入设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷复合底循 环，相继经过余热锅炉、再沸器和烟气回热器后排入大气。

所述复合底循环回收系统的底循环中，精馏塔顶流出的制冷浓度工质经过冷凝成为饱 和液体，然后经过过冷器过冷和第一节流阀节流降压后进入蒸发器蒸发制冷；

精馏塔底再沸器流出的饱和液态下的贫氨母液经过第二节流阀节流降压，然后被分成 两支，一支进入第三混合器，另一支进入第四混合器与制冷浓度溶液混合成动力浓度溶液；

混合液进入第五混合器被分离器底部的贫氨母液稀释为低氨浓度溶液；

蒸发压力下，易于被冷凝的低氨浓度溶液经过低压冷凝器冷凝和低压泵升压后被分成 两支：一支进入第六混合器，另一支经过分离器母液回热器和排汽回热器吸热后进入气液 分离器；

气液分离器底部的饱和贫氨母液经过分离器母液回热器放热和节流阀降压后进入第五 混合器稀释第四混合器流出的动力浓度溶液；

气液分离器顶部的富氨饱和蒸汽经过富氨蒸气回热器放热后进入第六混合器与低氨浓 度溶液混合为动力浓度溶液；

在分馏压力下，易于被冷凝的动力浓度溶液经过高压冷凝器冷凝、高压泵升压和富氨 蒸气回热器及余热锅炉吸热后进入透平膨胀做功；

透平乏汽与精馏塔底部的贫氨母液的一支在第三混合器混合成基本浓度溶液；

基本浓度溶液经过排汽回热器放热、排汽冷凝器冷凝、中压泵升压和烟气回热器吸热 后进入精馏塔完成一个底循环。

本发明中的SOFC/GT混合发电系统与现有技术基本相同，唯一不同的是，第二混合器 依次与余热锅炉、再沸器和烟气回热器相连接；其中的余热锅炉替换原来的过热器。

本发明的有益效果是，本发明通过分馏冷凝和SOFC/GT综合利用，并改善以上两项技 术可同时实现系统高效梯级能量综合利用并进行高效功冷可调节联供。本发明的集成方案 是在上述技术背景下通过改进和联合构建提出的。本发明以传统的SOFC/GT混合发电系统 为基准系统，引入基于分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环为其底循环，从而构成一个 由SOFC/GT和分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环耦合构成的功冷联供系统，SOFC/GT 顶循环和设有分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合底循环相连接，设有分馏冷凝子系统氨动 力/制冷复合底循环为制冷子循环和设有分馏冷凝子系统的动力子循环相连接；可以实现系 统能量的高效梯级利用和根据用户需要有效调节功冷联供负荷。

本发明通过SOFC/GT混合发电系统和设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷的复合底循环 回收其中低温排气余热，实现了系统的能量梯级高效利用，减少了能源浪费；并且设有分 馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合底循环可以实现分级冷凝降低蒸发器和透平的排汽压力， 提高循环效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例整体结构示意图；

图2是改进前氨水功冷联供循环和SOFC/GT的联供系统(即基准系统)示意图；

其中：RC精馏塔，CON1高氨冷凝器，SUC过冷器，VAL1第一节流阀EVA蒸发器， VAL2第二节流阀，MIX3第三混合器，MIX4第四混合器，MIX5第五混合器，CON3低压 冷凝器，PUM3低压泵，MIX6第六混合器，REH2分离器母液回热器，SEP气液分离器， VAL3第三节流阀，CON4高压冷凝器，PUM4高压泵，REH1富氨蒸气回热器，TUR透平， REH3排汽回热器，CON2排汽冷凝器，PUM2中压泵，AIC空气压气机，FUC燃料压气机， PUM1第一泵，MIX1第一混合器，PRH1第一预热器，PRH2第二预热器，PRH3第三预热 器，MIX2第二混合器，WHB余热锅炉，REB再沸器，REH4烟气回热器,ABS吸收器， SUB过热器，REH5第五回热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统，包括SOFC/GT 混合发电系统和设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷的复合底循环回收系统，所述SOFC/GT 混合发电系统包括空气压气机AIC，空气压气机AIC与第一预热器PRH1串联后接入SOFC 的阴极；燃料压气机FUC与第一混合器MIX1相连接，第一泵PUM1与第三预热器PRH3 串联后接入第一混合器MIX1，第一混合器MIX1与第二预热器PRH2相连后接入SOFC的 阳极；SOFC电池堆的输出端与直流/交流换流器相连接；SOFC的阴极排气和阳极排气接入 后燃室，后燃室出口接入燃气轮机；燃气轮机排气分两路：一路与第一预热器PRH1和第 三预热器PRH3串联后接入第二混合器MIX2，另一路与第二预热器PRH2串联后接入第二 混合器MIX2，第二混合器MIX2依次与余热锅炉WHB、再沸器REB和烟气回热器REH4 相连接。

复合底循环回收系统包括精馏塔RC，精馏塔RC顶部串联高氨冷凝器CON1、过冷器 SUC、第一节流阀VAL1和蒸发器EVA后接入第四混合器MIX4；精馏塔RC底部串联再沸 器REB和第二节流阀VAL2后分成两路：一路接入第四混合器MIX4，另一路接入第三混 合器MIX3；第四混合器MIX4与第五混合器MIX5相连接；第五混合器MIX5串联低压冷 凝器CON3和低压泵PUM3后分成两路：一路串联分离器母液回热器REH2和排汽回热器 REH3后接入气液分离器SEP，另一路接入第六混合器MIX6；气液分离器SEP底部串联分 离器母液回热器REH2和第三节流阀VAL3后接入第五混合器MIX5；气液分离器SEP顶部 串联富氨蒸气回热器REH1后接入第六混合器MIX6，第六混合器MIX6依次串联高压冷凝 器CON4、高压泵PUM4、富氨蒸气回热器REH1、余热锅炉WHB和透平TUR后接入第三 混合器MIX3；第三混合器MIX3依次串联排汽回热器REH3、排汽冷凝器CON2、中压泵 PUM2和烟气回热器REH4后接入蒸馏塔RC。

顶循环中环境温度、环境压力下的空气经空气压气机升压至SOFC工作压力，然后进 入第一预热器被加热至设定的SOFC进口温度后送入SOFC阴极。

环境温度、环境压力下的燃料甲烷经燃料压气机升压至SOFC工作压力后进入第一混 合器。

环境温度、环境压力下的水经第一泵升压后进入第三预热器预热至燃料升压后的温度， 然后进入第一混合器与燃料混合。

燃料和水的混合物进入第二预热器被加热至设定的SOFC进口温度后进入SOFC阳极。

在SOFC阳极相继发生重整反应、置换反应和电化学反应，电化学反应的能量一部分 用于输出SOFC的发电量，一部分用于维持重整反应和置换反应的进行，另一部分用于加 热SOFC的高温排气。SOFC阳极排气中的可燃物(主要为CO和H₂)在后燃烧室内与SOFC 阴极排出的过量空气进行充分燃烧生成高温烟气。

高温烟气进入燃气轮机做功后被分成两支：一支相继通过第一预热器和第三预热器放 热，另一支通过第二预热器放热。

两支烟气放热后在第二混合器混合后进入设有分馏冷凝子系统氨动力/制冷复合底循 环，相继经过余热锅炉、再沸器、烟气回热器后排入大气。

在底循环中，精馏塔顶流出的制冷浓度工质经过冷凝成为饱和液体，然后经过过冷器 过冷和第一节流阀节流降压后进入蒸发器蒸发制冷；

精馏塔底部经再沸器流出的饱和液态下的贫氨母液经过第二节流阀节流降压，然后被 分成两支，一支进入第三混合器，另一支进入第四混合器与制冷浓度溶液混合成动力浓度 溶液。动力浓度溶液进入第五混合器被分离器底部的贫氨母液稀释为低氨浓度溶液。

低压条件下，易于被冷凝的低氨浓度溶液经过低压冷凝器冷凝和低压泵升压后被分成 两支：一支进入第六混合器，另一支经过分离器母液回热器和排汽回热器吸热后进入气液 分离器。

气液分离器底部的饱和贫氨母液经过分离器母液回热器放热和节流阀降压后进入第五 混合器稀释第四混合器流出的动力浓度溶液；

顶部的富氨饱和蒸汽经过富氨蒸气回热器放热后进入第六混合器与低氨浓度溶液混合 为动力浓度溶液。

在分馏压力下，易于被冷凝的动力浓度溶液经过高压冷凝器冷凝、高压泵升压和富氨 蒸气回热器及余热锅炉吸热后进入透平膨胀做功。

透平乏汽与精馏塔底部的贫氨母液的一支在第三混合器混合成基本浓度溶液。

基本浓度溶液经过排汽回热器放热、排汽冷凝器冷凝、中压泵升压和烟气回热器吸热 后进入精馏塔完成一个底循环。

与图2所示的基准系统相比，本发明去掉了第五回热器REH5，将吸收器ABS处的直 接冷凝改为混合后导入分馏冷凝子系统进行分级冷凝，这样可实现较高浓度的氨水在较低 压力条件下的冷凝。

本发明中的SOFC/GT混合发电系统与现有技术基本相同，不同的是第二混合器依次与 余热锅炉、再沸器和烟气回热器相连接；其中的余热锅炉替换原来的过热器SUB。

下面结合实例，对本发明的效果做进一步说明。

系统初始条件：基准系统和基于分馏冷凝氨动力/制冷复合底循环和SOFC/GT的功冷 联供系统均基于相同的假设和参数值，系统假设及条件见表1，燃料为CH₄。

表1 系统初始条件

项目 取值 项目 取值 压气机压比 10 精馏塔入口压力 12bar 环境压力 1.01325bar 蒸发温度 278.15K 环境温度 298.15K 分流比S1 0.5 压气机等熵效率 0.85 氨水透平入口压力 100bar 水蒸气碳比 2 透平等熵效率 0.85 泵等熵效率 0.8 冷凝温度 300K SOFC工作温度 1273K DC/AC转换效率 0.9 燃料利用率 0.85 透平机械效率 0.9 进入精馏塔的氨水浓度 0.3993 换热器压力损失 1％～3％

系统性能的分析结果如表2所示。由表2可知，本发明的底循环效率和系统的总热 效率分别比基准系统的底循环效率和总热效率有明显提高。

表2 系统结果比较

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。