基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统
技术领域
本发明涉及一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，属于燃气轮机循环系统技术领域。
背景技术
目前燃气轮机研究的重点是提高循环热效率和降低污染物排放量。燃气轮机先进循环在简单循环的基础上利用其他部件优化系统运行特性，也可以回收利用燃气轮机排气余热，利用其热力学潜能综合提高系统的物理能或者化学能，以此来降低燃气轮机NOx等污染物排放，提高循环效率。当前各种先进循环的研究已经展开，例如注蒸汽循环、间冷回热循环、湿压缩技术等的研究在逐渐深入。先进循环可以大幅提升循环效率，降低污染物排放，如何保证循环装置的紧凑性，协调燃气轮机变工况时的性能，这是本技术领域面对的首要问题。
固体氧化物燃料电池通过电化学反应将碳氢化合物燃料的化学能直接转化为电能，其最大的优势是高效、洁净。在实际应用中，固体氧化物燃料电池与燃气轮机温度、压力等匹配关系较好，可以组成混合发电系统以进一步提高能源转化率、减少污染排放、降低经济成本等。
燃气轮机在低负荷工况下的循环效率较低，这与燃烧室中燃料的不完全燃烧有关。燃料的不完全燃烧会严重影响系统的循环效率以及工作寿命等，同时也加剧污染物的排放。非平衡等离子体催化作为一种能耗低、效率高、高选择性的燃料催化途径，可以实现低温催化裂解，深度裂解，改变燃料组分构成，进而改善燃烧室的燃烧特性，提高燃料蒸汽重整的深度，因此，可以将等离子催化技术引入燃气轮机回热循环中优化燃气轮机的变工况能力。
发明内容
本发明为了解决如何提高燃气轮机的变工况特性以及循环热效率，降低污染物排放量的问题，提出一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，借鉴燃气轮机化学回热循环，同时构建了高温燃料电池的回热旁路循环，采用等离子催化和蒸汽重整相结合的方式改善燃料组分，构成燃气轮机的多级回热系统，用来提高燃气轮机系统的循环效率，保障燃气轮机低负荷工况下的运行效率，使得燃气轮机系统能够安全稳定地运行。
本发明提出一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，包括压气机、燃烧室、涡轮、高温燃料电池、化学回热器、等离子催化装置、回热器、蒸发器、发电机、一号分流器、二号分流器和三号分流器，燃料进入等离子催化装置通过三号分流器分别与燃烧室入口和化学回热器冷流侧入口相连，空气进入压气机入口，所述压气机出口与回热器冷流侧入口相连，所述回热器冷流侧出口与燃烧室入口相连，所述燃烧室出口与涡轮入口相连，所述涡轮转子与发电机相连，所述压气机与涡轮通过轴连接，所述涡轮出口通过一号分流器分别与化学回热器热流侧和高温燃料电池的阴极入口连接，所述高温燃料电池阴极出口与回热器冷流侧入口相连，所述化学回热器冷流侧入口分别与蒸发器、三号分流器和等离子催化装置相连，水从蒸发器进入化学回热器中，所述化学回热器冷流出口侧通过二号分流器分别与高温燃料电池阳极入口和燃烧室入口相连，高温燃料电池阳极出口与燃烧室进口相连。
优选地，所述高温燃料电池的氧化剂来源于化学回热器中燃料的重整混合气体，还原剂来源于涡轮的排气。
本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统的有益效果为：
1、本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，采用多级回热流路来综合改善系统循环效率以及变工况特性，借鉴燃气轮机化学回热循环，另引入高温燃料电池、回热器的回热旁路，构成了燃气轮机尾气利用的多级回热流路，有效提高尾气高品质热能与燃料物理焓和化学能的转化率，提高能量的综合利用效果和能量密度。
2、本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，燃料经等离子低温催化裂解后组分改变，易于稳定燃烧室的燃烧；等离子催化和蒸汽重整相结合，实现燃料在低工况下的高效燃烧，提高燃气轮机的热效率和变工况性能的性能。
3、本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，高温燃料电池与燃气轮机排气温度、压力等条件相匹配，可以为燃气轮机系统提供额外的输出功率，更好地满足不同工况的性能要求，同时高温燃料电池排气预热高压空气，可以降低耗油量，提高系统循环效率。
4、本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，等离子催化技术不仅可以实现燃料的低温催化，保证了在不同工况下的稳定完全燃烧，而且又与燃料蒸汽重整技术相结合，有效提高燃料催化反应的深度，进一步可以实现贫油燃烧降低NOx等污染物的排放。
5、本发明所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，基于等离子催化技术构建了燃气轮机化学回热循环、燃料电池回热器的多级回热流路，提高了燃气轮机系统的综合能量利用效率，同时也优化了燃气轮机低工况下的运行效率，保障燃气轮机系统的安全稳定运行。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统的结构示意图，其中1与3之间的实线表示连接轴，其他图例示意如下：
其中，1-压气机、2-燃烧室、3-涡轮、4-高温燃料电池、5-化学回热器、6-等离子催化装置、7-回热器、8-蒸发器、9-发电机、10-一号分流器、11-二号分流器、12-三号分流器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，包括压气机1、燃烧室2、涡轮3、高温燃料电池4、化学回热器5、等离子催化装置6、回热器7、蒸发器8、发电机9、一号分流器10、二号分流器11和三号分流器12，燃料进入等离子催化装置6通过三号分流器12分别与燃烧室2入口和化学回热器5冷流侧入口相连，空气进入压气机1入口，所述压气机1出口与回热器7冷流侧入口相连，所述回热器7冷流侧出口与燃烧室2入口相连，所述燃烧室2出口与涡轮3入口相连，所述涡轮3转子与发电机9相连，所述压气机1与涡轮3通过轴连接，所述涡轮3出口通过一号分流器10分别与化学回热器5热流侧和高温燃料电池4的阴极入口连接，所述高温燃料电池4阴极出口与回热器7冷流侧入口相连，，所述化学回热器5冷流侧入口分别与蒸发器8、三号分流器12和等离子催化装置6相连，水从蒸发器8进入化学回热器5中，所述化学回热器5冷流出口侧通过二号分流器11分别与高温燃料电池4阳极入口和燃烧室2入口相连，高温燃料电池4阳极出口与燃烧室2进口相连，涡轮3带动发电机9轴转动发电
涡轮3出口存在两级回热流路来回收涡轮3尾气余热，经一号分流器10分流后，第一回热流路中，尾气依次流经化学回热器5和蒸发器8，第二回热流路中尾气依次流经高温燃料电池4和回热器7。第一回热流路中化学回热器5出口的燃料重整气可分别进入第二回热流路中高温燃料电池4阳极以及燃烧室2。
高温燃料电池4阳极连接于化学回热器5与燃烧室2之间，高温燃料电池4阴极连接于涡轮3与回热器7之间，氧化剂来源于化学回热器5中的燃料的重整混合气，还原剂来源于涡轮3的排气。
本发明提出了一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，主要通过两种途径实现：一是等离子催化燃料改善燃料的化学组分和燃烧特性，可直接进入燃烧室燃烧确保低负荷工况下的安全稳定燃烧；另一是利用等离子催化技术和蒸汽重整技术结合，产生大量含有活化分子的富氢气的低热值燃料，使蒸汽重整程度在低温条件下也能得到保障，进一步提高了高温燃料电池的能量转化率。
在小于30％的部分负荷条件下，涡轮3尾气依次经过化学回热器5、蒸发器8，燃料经过等离子催化装置后大部分沿燃料通路一直接进入燃烧室2，大约15％的燃料沿燃料通路二经化学回热器5后进入燃烧室。
在小于30％的部分负荷条件下，高温燃料电池几乎不产生功率；当负荷在30％～80％条件下，根据高温燃料电池4的燃空比和水碳比要求，使得涡轮3的部分尾气依次进入高温燃料电池4阴极和回热器7，这种情况下的燃料量增加，同时燃料通路二中的燃料量逐渐增加满足高温燃料电池的运行工况要求，高温燃料电池4的阳极出口少量排气进入燃烧室2燃烧；当负荷大于80％甚至略大于100％时，可以继续增加燃料量，在燃气轮机达到100％负荷后，额外增加通过高温燃料电池燃料满足更高功率要求。
本发明提出了一种基于等离子催化的多级回热燃料电池燃气轮机混合发电系统，高温燃料电池在燃气轮机的不同负荷条件下，可以起到功率补充的作用，同时由于高温燃料电池本身的能量转化效率不受卡诺循环的限制具有高效、清洁等作用，从而提高了燃气轮机系统的循环效率，不产生额外的污染问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
