一种热电比可调的SOFC热电联供系统及其调控方法

摘要

本发明公开了一种热电比可调的SOFC热电联供系统，包括固体氧化物燃料电池发电系统、余热回收换热器、热水型吸收式热泵以及烟气调控装置；固体氧化物燃料电池发电系统包括固体氧化物燃料电池、空气预热器、燃料预热器和水预热器；固体氧化物燃料电池发电系统用于进行电化学反应和未完全反应气体燃烧，对外输出电能并产生高温烟气；烟气流动控制系统用于调节固体氧化物燃料电池发电系统产生的高温烟气流过余热回收换热器、空气预热器、燃料预热器、水预热器的先后顺序，进而改变固体氧化物燃料电池的发电量和热水型吸收式热泵的供热量比值。本发明在余热梯级利用的基础上，充分利用了燃料电池的高温废气，实现了供能端热电比的部分可调。

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术应用领域中的一种热电联供系统，尤其涉及一种热电比可调的固体氧化物燃料电池热电联供系统及其调控方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,简称SOFC)作为新一代燃料电池，在高温(500～1000℃)下可以将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，具有发电效率高、燃料选择范围宽、废热温度高、模块化结构和安装灵活等优势，被认为是未来热电联供系统最佳的原动机选择。

固体氧化物池发电系统的排气温度高，如果直接排放到环境当中，会造成大量的能量损失，造成系统的热利用率低。为充分利用固体氧化物燃料电池发电系统的高温排气，将其与吸收式热泵组成热电联供系统，大大提高了系统效率。但是，固体氧化物燃料电池高温排气的一部分热量用来加热自身运行所需的空气和燃料，另一部分用来驱动吸收式热泵，这一原因使得固体氧化物燃料电池驱动的热电联供系统热电输出耦合性极强，且输出热电比固定。现有的固体氧化物燃料电池热电联供系统均先将后燃烧室出口的高温烟气对空气、燃料和水预热后，再作为吸收式热泵的热源进行供热，因此仅能实现一种热电比的能量输出，导致联供系统的热电比与需求侧热电比匹配性变差。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种热电比可调的SOFC热电联供系统及其调控方法，实现固体氧化物燃料电池发电量和吸收式热泵供热量比例的部分可调，对固体氧化物燃料电池产生的热量进行有效利用，并提高了系统的灵活性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种热电比可调的SOFC热电联供系统，包括固体氧化物燃料电池发电系统、余热回收换热器、热水型吸收式热泵以及烟气调控装置；所述固体氧化物燃料电池发电系统包括固体氧化物燃料电池、空气压缩机、燃料压缩机、水泵、空气预热器、燃料预热器、水预热器、混合器和后燃烧室；所述固体氧化物燃料电池发电系统用于进行电化学反应和未完全反应气体燃烧，对外输出电能并产生高温烟气；所述烟气流动控制系统用于调节所述固体氧化物燃料电池发电系统产生的高温烟气流过所述余热回收换热器、空气预热器、燃料预热器、水预热器的先后顺序；所述固体氧化物燃料电池发电系统产生的高温烟气进入所述余热回收换热器产生高温循环水，用于驱动所述热水型吸收式热泵对热网回水进行加热，从而实现为热网中的用户供热。

进一步讲，本发明所述的热电比可调的SOFC热电联供系统，所述固体氧化物燃料电池发电系统中，空气经所述空气压缩机压缩后，流经空气预热器进行预热，预热后的高温空气进入所述固体氧化物燃料电池的阴极；燃料经所述燃料压缩机压缩后，再经所述燃料预热器预热；水经水泵加压后，再经水预热器预热；加压预热后的燃料和水在所述混合器内充分混合后通入所述固体氧化物燃料电池的阳极；进入所述固体氧化物燃料电池阴极的空气和阳极进气在所述固体氧化物燃料电池内部发生电化学反应后输出电能；所述固体氧化物燃料电池的阴极排气和阳极排气在所述后燃烧室燃烧后形成高温烟气。

所述热水型吸收式热泵包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、减压阀和节流阀，所述发生器内的溶液经所述余热回收换热器内的高温循环水加热后分为两路，一路是：浓溶液经过膨胀阀进入所述吸收器，另一路是：溶剂水蒸发后进入所述冷凝器冷凝，产生的冷凝水通过节流阀进入所述蒸发器内蒸发，随后进入所述吸收器与其中的浓溶液混合，再经溶液泵送至发生器，从而完成一个循环过程；与此同时，热网回水依次流经热水型吸收式热泵的吸收器和冷凝器，分别实现热网水的一次升温和二次升温。

所述烟气调控装置包括十二个阀门以及连接管道；所述十二个阀门分别是：设置在后燃烧室出口烟道的第一阀门、第二阀门和第九阀门；设置在所述空气预热器出口烟道的第三阀门、第四阀门和第十阀门；设置在所述燃料预热器出口烟道的第五阀门、第六阀门和第十一阀门；设置在所述水预热器出口烟道的阀门第七阀门、第八阀门和第十二阀门。

同时本发明中提出了一种利用上述的SOFC热电联供系统，实现热电比可调的调控方法是，将所述后燃烧室形成的高温烟气经出口烟道供给所述余热回收换热器、空气预热器、燃料预热器、水预热器，所述烟气调控装置通过控制十二个阀门的开闭，控制高温烟气进入所述余热回收换热器、空气预热器、燃料预热器、水预热器的先后顺序，从而调节整个SOFC热电联供系统的热电比。

进一步讲，本发明所述的热电比可调的调控方法，可以实现热电比在1.2，1.77，1.8和4.4内选择：

实现热电比为4.4时，对于十二个阀门，开启第一阀门、第二阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门，关闭其余的阀门，使所述后燃烧室出口的高温烟气先流经余热回收换热器，再依次流过空气预热器、燃料预热器和水预热器。

实现热电比为1.8时，对于十二个阀门，开启第九阀门、第三阀门、第四阀门、第十一阀门和第十二阀门，关闭其余阀门，使所述后燃烧室出口的高温烟气先流经空气预热器，再依次流过余热回收换热器、燃料预热器和水预热器.

实现热电比为1.77时，对于十二个阀门，开启第九阀门、第十阀门、第五阀门、第六阀门和第十二阀门，关闭其余阀门，使所述后燃烧室出口的高温烟气先依次流过空气预热器和燃料预热器，再流经余热回收换热器，最后流过水预热器.

实现热电比为1.2时，对于十二个阀门，开启第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第七阀门和第八阀门，关闭其余阀门，使所述后燃烧室出口的高温烟气先依次流过空气预热器、燃料预热器和水预热器，最后流经余热回收换热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的热电联供系统使用天然气作为燃料，系统运行可靠，可以根据用能端的热电需求来调控功能端的热电比，实现能源的节约和高效利用。同时，调控装置简单，易于操作控制，大大降低了系统调控难度。

附图说明

图1是本发明SOFC热电联供系统的整体结构示意图。

图中：

C1-空气压缩机 C2-燃料压缩机 P1-水泵

HE1-空气预热器 HE2-燃料预热器 HE3-水预热器

M-混合器 AB-后燃烧室 HE4-余热回收换热器

G-发生器 A-吸收器 V-蒸发器

C-冷凝器 P2-溶液泵 PRV-膨胀阀

TV-节流阀 V1-第一阀门 V2-第二阀门

V3-第三阀门 V4-第四阀门 V5-第五阀门

V6-第六阀门 V7-第七阀门 V8-第八阀门

V9-第九阀门 V10-第十阀门 V11-第十一阀门

V12-第十二阀门 1-阴极进气 2-阳极进气

3-阴极排气 4-阳极排气 5-高温烟气

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、……、“第十二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种热电比可调的SOFC热电联供系统，包括固体氧化物燃料电池发电系统、余热回收换热器、热水型吸收式热泵以及烟气调控装置。

所述固体氧化物燃料电池发电系统包括固体氧化物燃料电池SOFC、空气压缩机C1、燃料压缩机C2、水泵P1、空气预热器HE1、燃料预热器HE2、水预热器HE3、混合器M和后燃烧室AB；所述固体氧化物燃料电池发电系统用于进行电化学反应和未完全反应气体燃烧，对外输出电能并产生高温烟气；所述烟气流动控制系统用于调节所述固体氧化物燃料电池发电系统产生的高温烟气流过所述余热回收换热器HE4、空气预热器HE1、燃料预热器HE2、水预热器HE3的先后顺序；所述固体氧化物燃料电池发电系统产生的高温烟气进入所述余热回收换热器产生高温循环水，用于驱动所述热水型吸收式热泵对热网回水进行加热，从而实现为热网中的用户供热。

所述固体氧化物燃料电池发电系统中，空气经所述空气压缩机C1压缩后，流经空气预热器HE1进行预热，预热后的高温空气进入所述固体氧化物燃料电池SOFC的阴极；燃料经所述燃料压缩机C2压缩后，再经所述燃料预热器HE2预热；水经水泵P1加压后，再经水预热器HE3预热；加压预热后的燃料和水在所述混合器M内充分混合后通入所述固体氧化物燃料电池SOFC的阳极；进入所述固体氧化物燃料电池阴极的空气(即阴极进气)1和阳极进气2在所述固体氧化物燃料电池SOFC内部发生电化学反应后输出电能；所述固体氧化物燃料电池SOFC的阴极排气3和阳极排气4在所述后燃烧室AB燃烧后形成高温烟气5。

所述热水型吸收式热泵包括发生器G、冷凝器C、蒸发器V、吸收器A、溶液泵P2、减压阀PRV和节流阀TV，所述发生器G内的溶液经所述余热回收换热器内的高温循环水加热后分为两路，一路是：浓溶液经过膨胀阀PRV进入所述吸收器A，另一路是：溶剂水蒸发后进入所述冷凝器C冷凝，产生的冷凝水通过节流阀TV进入所述蒸发器V内蒸发，随后进入所述吸收器A与其中的浓溶液混合，再经溶液泵P2送至发生器G，从而完成一个循环过程；与此同时，热网回水依次流经热水型吸收式热泵的吸收器A和冷凝器C，分别实现热网水的一次升温和二次升温。

所述烟气调控装置包括十二个阀门以及连接管道；所述十二个阀门分别是：设置在后燃烧室AB出口烟道的第一阀门V1、第二阀门V2和第九阀门V9；设置在所述空气预热器HE1出口烟道的第三阀门V3、第四阀门V4和第十阀门V10；设置在所述燃料预热器HE2出口烟道的第五阀门V5、第六阀门V6和第十一阀门V11；设置在所述水预热器HE3出口烟道的阀门第七阀门V7、第八阀门V8和第十二阀门V12。

利用本发明SOFC热电联供系统实现热电比可调的调控方法是，将所述后燃烧室AB形成的高温烟气5经出口烟道供给所述余热回收换热器HE4、空气预热器HE1、燃料预热器HE2、水预热器HE3，所述烟气调控装置通过控制十二个阀门的开闭，控制高温烟气5进入所述余热回收换热器HE4、空气预热器HE1、燃料预热器HE2、水预热器HE3的先后顺序，从而调节整个SOFC热电联供系统的热电比。通过本发明的所述的热电比可调的SOFC热电联供系统的调控方法可以实现的热电比可以在1.2、1.77、1.8和4.4中选择。

实现热电比为4.4时，对于十二个阀门，开启第一阀门V1、第二阀门V2、第十阀门V10、第十一阀门V11和第十二阀门V12，关闭其余的阀门，使所述后燃烧室AB出口的高温烟气5先流经余热回收换热器HE4，再依次流过空气预热器HE1、燃料预热器HE2和水预热器HE3，使得SOFC热电联供系统的热电输出比为4.4。

实现热电比为1.8时，对于十二个阀门，开启第九阀门V9、第三阀门V3、第四阀门V14、第十一阀门V11和第十二阀门V12，关闭其余阀门，使所述后燃烧室AB出口的高温烟气5先流经空气预热器HE1，再依次流过余热回收换热器HE4、燃料预热器HE2和水预热器HE3，使得SOFC热电联供系统的热电输出比为1.8。

实现热电比为1.77时，对于十二个阀门，开启第九阀门V9、第十阀门V10、第五阀门V5、第六阀门V6和第十二阀门V12，关闭其余阀门，使所述后燃烧室AB出口的高温烟气5先依次流过空气预热器HE1和燃料预热器HE2，再流经余热回收换热器HE4，最后流过水预热器HE3，使得SOFC热电联供系统的热电输出比为1.77。

实现热电比为1.2时，对于十二个阀门，开启第九阀门V9、第十阀门V10、第十一阀门V11、第七阀门V7和第八阀门V8，关闭其余阀门，使所述后燃烧室AB出口的高温烟气5先依次流过空气预热器HE1、燃料预热器HE2和水预热器HE3，最后流经余热回收换热器HE4，使得SOFC热电联供系统的热电输出比为1.2。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。