CN115000460B - 基于sofc-gt联合热电联供***的运行方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SOFC‑GT联合热电联供***的运行方法及***，旨在提供一种能实现***稳定启动，动态平衡***发电量和供热量的运行方法及***。该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。该***包括SOFC发电***、燃烧室、蒸汽发电***、温度监测***、运行控制***及生活用水模块。SOFC发电***用于进行电化学反应输出电能；蒸汽发电***利用燃烧室产生的高温蒸汽通过蒸汽轮机带动发电机发电；运行控制***根据各温度监测模块温度和负载侧热电需求变化调节进入SOFC发电***及蒸汽发电***的空气流量、燃料流量、水流量及高温蒸汽流量，实现热电平衡。该***运行稳定，能量利用率高，热排放低。

Description

基于SOFC-GT联合热电联供***的运行方法及***
技术领域
本发明涉及热电联供技术领域，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***的运行方法，及实现该方法的热电联供***。
背景技术
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***。
SOFC与燃汽轮机、蒸汽轮机和内燃机等联合组成的热电联供***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。
现有发明主要针对进一步提升热电联供***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***的启动及运行控制方法现有发明中很少涉及。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***的启动过程亟待优化。
发明内容
本发明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***稳定启动，动态平衡***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***的运行控制方法。
本发明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***。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于SOFC-GT联合热电联供***的运行方法，所述热电联供***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***，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***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。
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。
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。
所述燃料的预处理包括燃料的压缩处理、脱硫处理和预热处理。
所述空气的预处理包括压缩处理和预热处理。
一种实现所述运行方法的基于SOFC-GT联合的热电联供***，包括SOFC发电***、燃烧室、蒸汽发电***、温度监测***、运行控制***及生活用水模块；所述SOFC发电***包括由多个固体氧化物燃料电池串联组合成的SOFC电堆、空气供给模块、燃料供给模块及燃料重整反应用水模块，用于进行电化学反应输出电能；所述燃烧室用于产生高温蒸汽；所述蒸汽发电***包括蒸汽轮机及发电机，用于利用所述燃烧室产生的高温蒸汽通过所述蒸汽轮机带动所述发电机发电输出电能；所述温度监测***包括阳极温度监测模块、阴极温度监测模块、燃烧室温度监测模块、电堆阳极入口气体温度监测模块、电堆阴极入口气体温度监测模块及燃料预转化器温度监测模块；用于监测所述SOFC电堆中的阳极温度、阴极温度、所述燃烧室温度、所述SOFC电堆阳极和阴极入口气体温度及所述燃料预转化器温度；所述运行控制***用于根据各温度监测模块温度和负载侧热电需求变化调节进入所述SOFC发电***及蒸汽发电***的空气流量、燃料流量、水流量及高温蒸汽流量，实现热电负荷的平衡；所述SOFC发电***产生的高温蒸汽除用于发电外，还用于加热空气、燃料、燃料重整反应用水及为所述生活用水模块提供热量；所述生活用水模块为用户提供热水。
所述空气供给模块包括空气压缩机及空气预热器；所述燃料供给模块包括燃料压缩机、脱硫器、燃料预热器及燃料预转化器；所述燃料重整反应用水模块包括供水泵及燃料重整反应用水预热器；所述运行控制***包括控制器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门及连接管道；
所述燃料压缩机的出口通过所述脱硫器与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述第二阀门的入口连接，所述第二阀门的第一出口与所述燃烧室的燃料入口连接，所述第二阀门的第二出口与所述燃料预转化器的燃料入口连接，所述燃料预转化器的出口通过所述第七阀门的第二入口及所述第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接；
所述空气压缩机的出口与所述第三阀门的入口连接，所述第三阀门的第二出口与所述空气预热器的空气入口连接，所述第三阀门的第一出口与所述燃烧室的空气入口连接；所述空气预热器的空气出口与所述第四阀门的入口连接，所述第四阀门的第一出口通过所述第七阀门的第三入口及所述第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接，所述第四阀门的第二出口与所述SOFC电堆的阴极连接；
所述供水泵的出口与所述燃料重整反应用水预热器的入口连接，所述燃料重整反应用水预热器的出口与所述燃料预转化器的燃料重整反应用水入口连接；
所述燃烧室的出口与所述第一阀门的入口连接，所述第一阀门的第二出口与所述蒸汽轮机的蒸汽入口连接，所述第一阀门的第一出口与所述蒸汽轮机的蒸汽出口流出的高温蒸汽混合后为所述燃料预热器及空气预热器提供热能；所述空气预热器的高温蒸汽出口与所述第五阀门的入口连接，所述第五阀门的第一出口与所述第六阀门的入口连接，所述第五阀门的第二出口通过所述第七阀门的第一入口及第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接；所述第六阀门的第二出口流出的高温蒸汽为所述生活用水模块提供热能，所述第六阀门的第一出口流出的高温蒸汽为燃料重整反应用水预热器提供热能；
所述SOFC电堆阳极出口与所述第八阀门的入口连接，所述第八阀门的第一出口与所述第二阀门的第一出口并联后与所述燃烧室的燃料入口连接；所述第八阀门的第二出口与所述SOFC电堆阴极的出口并联后与所述燃烧室的空气入口连接；所述第八阀门的第三出口流出的高温蒸汽为所述生活用水模块提供热能；
所述控制器根据所述阳极温度监测模块、阴极温度监测模块、燃烧室温度监测模块、电堆阳极入口气体温度监测模块、电堆阴极入口气体温度监测模块及燃料预转化器温度监测模块得到的温度信息控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门相应接口的开闭或开度，调节热电平衡。
所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门及第六阀门均采用分流三通阀。
所述第七阀门为三进一出阀，所述第八阀门为一进三出阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的运行方法能够根据***运行阶段的不同，动态调节燃料、空气、水及高温蒸汽的流向及流量，实现***稳定启动，动态调节***发电量和供热量平衡，从而满足不同阶段用户侧电热负荷需求。
2、本发明的运行控制方法能够对SOFC电堆产生的高温尾气中含有的热量进行综合利用、阶梯利用，从而实现高效、稳定的热电联产。
3、本发明的运行控制方法使得SOFC电堆的启动过程不依赖辅助加热元件，启动过程中SOFC电堆温度均匀且逐步升高，运行更稳定。
4、本发明的热电联供***利用温度监测模块实时监测电堆阳极和阴极温度，实时监测燃烧室的温度，实时监测SOFC电堆阳极和阴极入口气体温度，实时监测燃料预转化器温度并通过运行控制***中不同阀门之间接口的切换及开度的调节，动态调节燃料、空气、水及高温蒸汽的流向及流量，利用高温气体预热SOFC电堆，调节高温气体流量，保证电堆受热均匀，利用SOFC电堆和发电机共同发电，利用高温蒸汽加热生活热水，保证在***启动和运行阶段都能够同时满足负载侧电热负荷需求。
5、本发明的热电联供***能量利用率高，热排放低，特别适合于住宅、楼宇的热电联供。
附图说明
图1所示为本发明基于SOFC-GT联合的热电联供***的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基于SOFC-GT联合热电联供***的运行方法是基于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***，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。具体为：
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***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。
上述步骤中，进入SOFC电堆两极的气体的温度与SOFC电堆两极的温度差优选为不大于100℃。
上述燃料的预处理包括燃料的压缩处理、脱硫处理和预热处理。空气的预处理包括压缩处理和预热处理。
在运行过程中，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。
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。
本发明实现上述运行方法的基于SOFC-GT联合的热电联供***的原理图如图1所示，包括SOFC发电***、燃烧室2、蒸汽发电***、温度监测***、运行控制***及生活用水模块26。
所述SOFC发电***包括由多个固体氧化物燃料电池串联组合成的SOFC电堆20、空气供给模块、燃料供给模块及燃料重整反应用水模块，用于进行电化学反应输出电能。所述燃烧室2用于产生高温蒸汽。所述蒸汽发电***包括蒸汽轮机5及发电机4，用于利用所述燃烧室2产生的高温蒸汽通过所述蒸汽轮机5带动所述发电机4发电输出电能。所述温度监测***包括阳极温度监测模块16、阴极温度监测模块19、燃烧室温度监测模块3、电堆阳极入口气体温度监测模块28、电堆阴极入口气体温度监测模块29及燃料预转化器温度监测模块27，用于监测所述SOFC发电***中的阳极温度、阴极温度、燃烧室温度、进入阳极的气体温度、进入阴极的气体温度及燃料预转化器温度。所述运行控制***用于根据各温度监测模块温度和负载侧热电需求变化调节进入所述SOFC发电***及蒸汽发电***的空气流量、燃料流量、水流量及高温蒸汽流量，实现热电负荷的平衡。所述SOFC发电***产生的高温蒸汽除用于发电外，还用于加热空气、燃料、燃料重整反应用水及为所述生活用水模块26提供热能。所述生活用水模块26为用户提供热水。
本实施例中，所述空气供给模块包括空气压缩机11及空气预热器13。所述燃料供给模块包括燃料压缩机6、脱硫器7、燃料预热器8及燃料预转化器10。所述燃料重整反应用水模块包括供水泵24及燃料重整反应用水预热器25。所述运行控制***包括控制器、第一阀门1、第二阀门9、第三阀门12、第四阀门15、第五阀门22、第六阀门23、第七阀门14、第八阀门21及连接管道。其中，所述第一阀门1、第二阀门9、第三阀门12、第四阀门15、第五阀门22、第六阀门23采用分流三通阀，第七阀门14为三进一出阀，第八阀门21为一进三出阀。
燃料输入管道与燃料压缩机6的入口连接，所述燃料压缩机6的出口通过所述脱硫器7与所述燃料预热器8的燃料入口连接，在燃料预热器8的出口将燃料分为两路，一路进入燃烧室2，一路进入所述固体氧化物燃料电池的阳极17，具体连接为：所述燃料预热器8的燃料出口与所述第二阀门9的入口连接，所述第二阀门9的第一出口A2与所述燃烧室2的燃料入口连接，所述第二阀门9的第二出口B2与所述燃料预转化器10的燃料入口连接，所述燃料预转化器10的出口通过所述第七阀门14的第二入口B7及所述第七阀门14的出口与所述SOFC电堆20的阳极17连接。空气输入管道与空气压缩机11的入口连接，空气压缩机11的出口分为两路，一路进入燃烧室2，一路进入空气预热器13，从空气预热器13的出口流出的预热空气也分为两路，一路进入阳极17，一路进入阴极18。具体连接为：所述空气压缩机11的出口与所述第三阀门12的入口连接，所述第三阀门12的第二出口B3与所述空气预热器13的空气入口连接，所述第三阀门12的第一出口A3与所述燃烧室2的空气入口连接；所述空气预热器13的空气出口与所述第四阀门15的入口连接，所述第四阀门15的第一出口A4通过所述第七阀门14的第三入口C7及所述第七阀门14的出口与所述SOFC电堆20的阳极17连接，所述第四阀门15的第二出口B4与所述SOFC电堆20的阴极18连接。
自来水供水***的自来水出口与所述供水泵24的入口连接，所述供水泵24的出口与所述燃料重整反应用水预热器25的入口连接，所述燃料重整反应用水预热器25的出口与所述燃料预转化器10的燃料重整反应用水入口连接。
从燃烧室流出的高温蒸汽分为两路，一路为蒸汽轮机提供动力，一路为燃料、空气、燃料重整反应用水、生活用水等提供热量。具体连接为：所述燃烧室2的出口与所述第一阀门1的入口连接，所述第一阀门1的第二出口B1与所述蒸汽轮机5的蒸汽入口连接，所述第一阀门1的第一出口A1与所述蒸汽轮机5的蒸汽出口流出的高温蒸汽混合后依次为所述燃料预热器8及空气预热器13提供热能。所述空气预热器13的高温蒸汽出口与所述第五阀门22的入口连接，所述第五阀门22的第一出口A5与所述第六阀门23的入口连接，所述第五阀门22的第二出口B5通过所述第七阀门14的第一入口A7及第七阀门14的出口与所述SOFC电堆20的阳极17连接；所述第六阀门23的第一出口A6流出的高温气体为所述燃料重整反应用水预热器25提供热能。所述第六阀门23的第二出口B6为生活用水模块26提供热能。当SOFC电堆20以正常功率运行可满足电负荷需求时，关闭第一阀门1的第二出口B1，打开第一阀门1的第一出口A1，燃烧室2出口高温蒸汽全部用于预热燃料气、空气、燃料重整反应用水，并为生活用水模块提供热能。当SOFC电堆20输出的电功率不足以满足电负荷需求时，调节第一阀门1的第一出口A1和第二出口B1的开度，发电机4和SOFC电堆20共同发电。
由于在***不同运行阶段通入SOFC电堆20的阳极17气体种类不同，因此，根据通入阳极17气体种类的变化，阳极17的出口气体经第八阀门21分为三条支路，当通入阳极17的气体为预热空气时，经第八阀门21的第二出口B8与阴极18的排气混合通入燃烧室2，当通入阳极17的气体为高温蒸汽时，经第八阀门21的第三出口C8加热生活热水模块26，当通入阳极17的气体为预热燃料时，经第八阀门21的第一出口A8通入燃烧室2。具体连接为：所述SOFC电堆20的阳极17的出口与所述第八阀门21的入口连接，所述第八阀门21的第一出口A8与所述第二阀门9的第一出口A2并联后与所述燃烧室2的燃料入口连接；所述第八阀门21的第二出口B8与所述阴极18的出口并联后与所述燃烧室2的空气入口连接；经所述第八阀门21的第三出口C8流出的高温蒸汽为生活热水模块26提供热能。
当***处于预热阶段时，高温蒸汽经空气预热器13的高温蒸汽出口后分为两条支路，一支路经第五阀门22的第二出口B5、第七阀门14的第一入口A7及第七阀门14的出口进入SOFC电堆20的阳极17预热电堆，另一支路经第五阀门22的第一出口A5进入第六阀门23的入口。
所述控制器根据所述阳极温度监测模块16、阴极温度监测模块19、燃烧室温度监测模块3、电堆阳极入口气体温度监测模块28、电堆阴极入口气体温度监测模块29及燃料预转化器温度监测模块27监测的温度，控制所述第一阀门1、第二阀门9、第三阀门12、第四阀门15、第五阀门22、第六阀门23、第七阀门14、第八阀门21相应接口的开闭或开度，调节热电平衡。
实施例1
SOFC电堆20的工作温度设定为750℃，在第七阀门14的出口处设置电堆阳极入口气体温度监测模块28，在第四阀门15的出口处设置电堆阴极入口气体温度监测模块29监测进入SOFC电堆阳极和阴极的气体温度，使得进入SOFC电堆20的气体温度与SOFC电堆20最低温度间的温差不大于100℃。也即，进入电堆阳极的气体温度与电堆阳极的温度差不大于100℃，进入电堆阴极的气体温度与电堆阴极的温度差不大于100℃。
SOFC电堆20采用内重整和外重整相结合的方式，在燃料预转化器10处设置燃料预转化器温度监测模块27，当燃料预转化器10内反应温度达到550℃时，认为燃料可以通入SOFC电堆20的阳极17发生化学反应。
步骤1：本发明的热电联供***在启动阶段时，关闭第一阀门1的第一出口A1、第二阀门9的第二出口B2、第三阀门12的第一出口A3、第五阀门22的第二出口B5、第六阀门23的第一出口A6、第七阀门14的第一入口A7和第二入口B7、第八阀门21的第一出口A8和第三出口C8，其他阀门出入口均打开，通入燃料和空气。其中，燃料经燃料压缩机6、脱硫器7和燃料预热器8后由第二阀门9的第一出口A2进入燃烧室2。空气经空气压缩机11、第三阀门12的第二出口B3后进入空气预热器13的空气入口，经空气预热器13空气出口进入第四阀门15的入口，在第四阀门15的出口分为两条支路，一支路经第四阀门15的第一出口A4和第七阀门14的第三入口C7进入SOFC电堆20的阳极17，另一支路经第四阀门15的第二出口B4进入SOFC电堆20的阴极18，SOFC电堆20的阳极17和阴极18排气混合共同进入燃烧室2，燃烧室2出口高温蒸汽经第一阀门1的第二出口B1进入蒸汽轮机5带动发电机4发电，蒸汽轮机5出口高温蒸汽分别通过燃料预热器8和空气预热器13后，经第五阀门22的第一出口A5、第六阀门23的第二出口B6加热生活热水模块26后排出***。在启动运行过程中，通过阳极温度监测模块16和阴极温度监测模块19分别监测SOFC电堆20两极温度，通过电堆阳极入口气体温度监测模块28及电堆阴极入口气体温度监测模块29分别监测进入两极的气体温度，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，调节第四阀门15两个出口的两条支路空气流量，保证SOFC电堆20受热均匀且温度逐渐上升，待SOFC电堆20的温度上升到240-260℃时启动阶段结束，进入预热阶段。
步骤2：本发明的热电联供***在预热阶段时，关闭第一阀门1的第一出口A1、第二阀门9的第二出口B2、第三阀门12的第一出口A3、第四阀门15的第一出口A4、第六阀门23的第一出口A6、第七阀门14的第二入口B7和第三入口C7、第八阀门21的第一出口A8和第二出口B8，其他阀门出入口均打开，通入燃料和空气。其中，燃料经燃料压缩机6、脱硫器7和燃料预热器8后由第二阀门9的第一出口A2进入燃烧室2。空气经空气压缩机11、第三阀门12的第二出口B3进入空气预热器13的空气入口，经所述空气预热器13的空气出口由第四阀门15的第二出口B4进入SOFC电堆20的阴极18预热电堆，SOFC电堆20的阴极18排气进入燃烧室2。燃烧室2出口的高温蒸汽经第一阀门1的第二出口B1进入蒸汽轮机5带动发电机4发电，蒸汽轮机5出口的高温蒸汽经燃料预热器8、空气预热器13后在第五阀门22分为两条支路，一支路经第五阀门22的第二出口B5、第七阀门14的第一入口A7进入SOFC电堆20的阳极17预热电堆，另一支路经第五阀门22的第一出口A5、第六阀门23的第二出口B6与SOFC电堆20的阳极17的排气混合加热生活热水模块26后排出***。
通过阳极温度监测模块16和阴极温度监测模块19分别监测SOFC电堆20两极的温度，通过电堆阳极入口气体温度监测模块28及电堆阴极入口气体温度监测模块29分别监测进入两极的气体温度，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，调节第三阀门12的入口流量和第五阀门22的第一出口A5和第二出口B5的开度，从而调节进入所述SOFC电堆阴极的空气流量，及进入所述SOFC电堆阳极与生活热水模块的供热量，保证SOFC电堆20受热均匀且温度逐渐上升，待SOFC电堆20的温度上升到440-460℃时预热阶段结束，进入低功率运行阶段。
步骤3：本发明的热电联供***在SOFC电堆20低功率运行阶段时，关闭第一阀门1的第一出口A1、第四阀门15的第一出口A4、第五阀门22的第二出口B5、第六阀门23的第二出口B6、第七阀门14的第一入口A7和第三入口C7，第八阀门21的第二出口B8和第三出口C8，其他阀门出入口均打开，通入燃料、空气和水。其中，燃料经燃料压缩机6、脱硫器7和燃料预热器8后分为两条支路，一支路经第二阀门9的第二出口B2进入燃料预转化器10，燃料预转化器10出口的燃料经第七阀门14的第二入口B7进入SOFC电堆20的阳极17，另一支路经第二阀门9的第一出口A2与SOFC电堆20阳极17的排气混合进入燃烧室2。空气经空气压缩机11后分为两条支路，一支路经第三阀门12的第二出口B3进入空气预热器13的空气入口，经所述空气预热器13的空气出口由第四阀门15的第二出口B4进入SOFC电堆20的阴极18，另一支路经所述第三阀门12的第一出口A3与SOFC电堆20的阴极18排气混合进入燃烧室2。自来水经自来水泵24、燃料重整反应用水预热器25后进入燃料预转化器10。燃烧室2出口的高温蒸汽经第一阀门1的第二出口B1进入蒸汽轮机5带动发电机4发电，蒸汽轮机5出口的高温蒸汽分别通过燃料预热器8、空气预热器13后，经第五阀门22的第一出口A5、第六阀门23的第一出口A6通过燃料重整反应用水预热器24，之后，加热生活热水模块26后排出***。
通过阳极温度监测模块16和阴极温度监测模块19分别监测SOFC电堆20两极的温度，通过电堆阳极入口气体温度监测模块28及电堆阴极入口气体温度监测模块29分别监测进入两极的气体温度，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，调节第二阀门9的第二出口B2的开度和第三阀门12的第二出口B3开度逐渐增大进入SOFC电堆20的阳极17的燃料流量和进入阴极18的空气流量，使***逐渐达到额定工作状态且保证SOFC电堆20的温度均匀且温度逐渐上升，待SOFC电堆20的温度上升到750℃时低功率运行阶段结束，进入正常功率运行阶段。
步骤4：本发明的热电联供***在SOFC电堆20正常功率运行阶段时，关闭第二阀门9的第一出口A2、第四阀门15的第一出口A4、第五阀门22的第二出口B5、第六阀门23的第二出口B6、第七阀门14的第一入口A7和第三入口C7、第八阀门21的第二出口B8和第三出口C8，其他阀门出入口均打开，通入燃料、空气和水。其中，燃料经燃料压缩机6、脱硫器7和燃料预热器8后经第二阀门9的第二出口B2进入燃料预转化器10的入口，经燃料预转化器10的出口由第七阀门14的第二入口B7进入SOFC电堆20的阳极17。空气经空气压缩机11、第三阀门12的第二出口B3进入空气预热器13，经第四阀门15的第二出口B4进入SOFC电堆20的阴极18，SOFC电堆20的阳极17和阴极18排气分别进入燃烧室2。自来水经自来水泵24、燃料重整反应用水预热器25后进入燃料预转化器10。燃烧室2出口高温蒸汽经第一阀门1的第二出口B1进入蒸汽轮机5带动发电机4发电，蒸汽轮机5出口高温蒸汽分别通过燃料预热器8、空气预热器13后，经第五阀门22的第一出口A5、第六阀门23的第一出口A6通过燃料重整反应用水预热器25，之后加热生活热水模块26后排出***。
通过阳极温度监测模块16和阴极温度监测模块19监测SOFC电堆20两极的温度，通过电堆阳极入口气体温度监测模块28及电堆阴极入口气体温度监测模块29分别监测进入两极的气体温度，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SOFC电堆20阳极17的燃料流量和阴极18的空气流量，保证SOFC电堆20维持在750℃。
通过燃烧室温度监测模块3监测燃烧室2的温度，当燃烧室2的温度超过预定值时，打开第三阀门12的第一出口A3向燃烧室2内通入未被预热的空气。
当热电负荷波动时，通过调节第一阀门1的第一出口A1和第二出口B1高温蒸汽的流量平衡热电负荷。
本发明的热电联供***及其运行方法，利用温度监测模块实时监测电堆阳极和阴极温度，实施监测燃烧室的温度，并通过运行控制***中不同阀门之间接口的切换，动态调节燃料、空气、水及高温蒸汽的流向及流量，利用高温气体预热SOFC电堆，调节高温气体流量，保证电堆受热均匀，利用SOFC电堆和发电机共同发电，利用高温蒸汽加热生活热水，保证在***启动和运行阶段都能够同时满足负载侧电热负荷需求。本发明的热电联供***能量利用率高，热排放低，特别适合于住宅、楼宇的热电联供。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SOFC-GT联合热电联供***的运行方法，其特征在于，所述热电联供***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***，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***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***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***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-GT联合热电联供***的运行方法，其特征在于，所述燃料的预处理包括燃料的压缩处理、脱硫处理和预热处理。
5.根据权利要求1所述的基于SOFC-GT联合热电联供***的运行方法，其特征在于，所述空气的预处理包括压缩处理和预热处理。
6.一种实现权利要求1所述运行方法的基于SOFC-GT联合的热电联供***，其特征在于，包括SOFC发电***、燃烧室、蒸汽发电***、温度监测***、运行控制***及生活用水模块；所述SOFC发电***包括由多个固体氧化物燃料电池串联组合成的SOFC电堆、空气供给模块、燃料供给模块及燃料重整反应用水模块，用于进行电化学反应输出电能；所述燃烧室用于产生高温蒸汽；所述蒸汽发电***包括蒸汽轮机及发电机，用于利用所述燃烧室产生的高温蒸汽通过所述蒸汽轮机带动所述发电机发电输出电能；所述温度监测***包括阳极温度监测模块、阴极温度监测模块、燃烧室温度监测模块、电堆阳极入口气体温度监测模块、电堆阴极入口气体温度监测模块及燃料预转化器温度监测模块；用于监测所述SOFC电堆中的阳极温度、阴极温度、所述燃烧室温度、所述SOFC电堆阳极和阴极入口气体温度及所述燃料预转化器温度；所述运行控制***用于根据各温度监测模块温度和负载侧热电需求变化调节进入所述SOFC发电***及蒸汽发电***的空气流量、燃料流量、水流量及高温蒸汽流量，实现热电负荷的平衡；所述SOFC发电***产生的高温蒸汽除用于发电外，还用于加热空气、燃料、燃料重整反应用水及为所述生活用水模块提供热量；所述生活用水模块为用户提供热水。
7.根据权利要求6所述的基于SOFC-GT联合的热电联供***，其特征在于，所述空气供给模块包括空气压缩机及空气预热器；所述燃料供给模块包括燃料压缩机、脱硫器、燃料预热器及燃料预转化器；所述燃料重整反应用水模块包括供水泵及燃料重整反应用水预热器；所述运行控制***包括控制器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门及连接管道；
所述燃料压缩机的出口通过所述脱硫器与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述第二阀门的入口连接，所述第二阀门的第一出口与所述燃烧室的燃料入口连接，所述第二阀门的第二出口与所述燃料预转化器的燃料入口连接，所述燃料预转化器的出口通过所述第七阀门的第二入口及所述第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接；
所述空气压缩机的出口与所述第三阀门的入口连接，所述第三阀门的第二出口与所述空气预热器的空气入口连接，所述第三阀门的第一出口与所述燃烧室的空气入口连接；所述空气预热器的空气出口与所述第四阀门的入口连接，所述第四阀门的第一出口通过所述第七阀门的第三入口及所述第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接，所述第四阀门的第二出口与所述SOFC电堆的阴极连接；
所述供水泵的出口与所述燃料重整反应用水预热器的入口连接，所述燃料重整反应用水预热器的出口与所述燃料预转化器的燃料重整反应用水入口连接；
所述燃烧室的出口与所述第一阀门的入口连接，所述第一阀门的第二出口与所述蒸汽轮机的蒸汽入口连接，所述第一阀门的第一出口与所述蒸汽轮机的蒸汽出口流出的高温蒸汽混合后为所述燃料预热器及空气预热器提供热能；所述空气预热器的高温蒸汽出口与所述第五阀门的入口连接，所述第五阀门的第一出口与所述第六阀门的入口连接，所述第五阀门的第二出口通过所述第七阀门的第一入口及第七阀门的出口与所述SOFC电堆的阳极连接；所述第六阀门的第二出口流出的高温蒸汽为所述生活用水模块提供热能，所述第六阀门的第一出口流出的高温蒸汽为燃料重整反应用水预热器提供热能；
所述SOFC电堆阳极出口与所述第八阀门的入口连接，所述第八阀门的第一出口与所述第二阀门的第一出口并联后与所述燃烧室的燃料入口连接；所述第八阀门的第二出口与所述SOFC电堆阴极的出口并联后与所述燃烧室的空气入口连接；所述第八阀门的第三出口流出的高温蒸汽为所述生活用水模块提供热能；
所述控制器根据所述阳极温度监测模块、阴极温度监测模块、燃烧室温度监测模块、电堆阳极入口气体温度监测模块、电堆阴极入口气体温度监测模块及燃料预转化器温度监测模块得到的温度信息控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门相应接口的开闭或开度，调节热电平衡。
8.根据权利要求7所述的基于SOFC-GT联合的热电联供***，其特征在于，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门及第六阀门均采用分流三通阀。
9.根据权利要求7所述的基于SOFC-GT联合的热电联供***，其特征在于，所述第七阀门为三进一出阀，所述第八阀门为一进三出阀。
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