一种耦合SOFC-GT的船舶动力系统及变负荷运行方法

本发明属于能源、高效发电，具体涉及一种耦合sofc-gt的船舶动力系统及变负荷运行方法。

背景技术：

1、在传统的船舶动力系统中，一般是直接使用燃料燃烧所产生的热量加热锅炉，从而维持船舶动力系统的运行。但由于技术的限制，这种方法下，蒸汽动力系统的热效率较低，对能量的利用率不高，因此，为了提高能量的利用效率，找到一种新的方法降低热损耗势在必行。

2、而固体氧化物燃料电池sofc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。同时，sofc技术的发电效率高，且其产物为水和二氧化碳，被广泛认为是一种高效率的清洁能源发电技术。sofc可使用天然气、煤气、生物质气等为燃料，因而sofc技术特别适合以煤炭为主要能源的我国国情，也为我国生物质能源等可再生能源的高效利用开辟了新路，对于我国的节能减排具有特别重大的意义。

3、由于sofc的工作温度一般可达800-1100℃，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，高温高压的排气，温度非常高，属于高品位的热能，含有大量可以被进一步回收利用的余热。同时，虽然sofc反应的效率高，但是仍然会有部分未完全发生反应的燃料存在于sofc的尾气中。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种耦合sofc-gt的船舶动力系统及变负荷运行方法，在当前的技术条件下，单一的使用燃料燃烧满足船舶的动力系统，其能量的热效率并不高，在运行的过程当中会产生较大的能量损耗。针对这一问题，耦合了sofc-gt的船舶动力系统技术，通过sofc-gt产生的高温排气为船舶的动力系统提供热源，在满足了船舶动力系统的能源需求的同时，也实现了能量的多级利用。并通过耦合，解决了sofc-gt系统存在的排气温度高，能量损耗大的问题，提高了能量的利用率，降低了热损耗。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种耦合sofc-gt的船舶动力系统，包括燃料供应单元、换热器单元、sofc电堆单元、gt单元以及船舶蒸汽动力单元；其中sofc表示固体氧化物燃料电池，gt表示燃气轮机；

4、所述燃料供应单元包括空气供应装置1、燃料供应装置2、水蒸汽供应装置3、第一压气机4、第二压气机5和第一泵6；空气来自空气供应装置1，供应给第一压气机4，最终进入第一预热器7，来自燃料供应装置2的燃料，经由第二压气机5进入第一混合器10，水蒸汽来自水蒸汽供应装置3，通过第一泵6进行运输，进入第二预热器8；

5、所述换热单元包括第一预热器7、第二预热器8、第三预热器9、第一混合器10和第二混合器11；来自燃气轮机16的高温烟气分别流入第一预热器7和第三预热器9，流入第一预热器7的高温烟气分别通过第二预热器8和第二混合器11，最终进入余热锅炉18；来自第一压气机4的空气在第一预热器7中预热，预热后的空气进入sofc电堆12的阴极，水蒸汽在第二预热器8进行预热，预热后的水蒸汽在第一混合器10当中与来自第二压气机5的燃料进行混合，一路经由第三预热器9预热，进入sofc电堆12的阳极，另一路直接进入gt单元；

6、所述的sofc电堆单元包括sofc电堆12和dc/ac变流器13；来自第一预热器7的空气与来自第三预热器9的燃料和水蒸汽的混合物在sofc电堆12处进行发电，带动dc/ac变流器13工作，发电产物进入gt单元相；

7、所述gt单元包括水蒸汽分离装置14、后燃烧室15、燃气轮机16和第一发电机17；sofc电堆12的阳极产物和第一混合器10的部分燃料与水蒸汽的混合物在水蒸汽分离装置14中混合，经过后燃烧室15，进入燃气轮机16中，并在燃气轮机16中放热，带动第一发电机17工作，产生的高温烟气进入换热单元；

8、所述船舶蒸汽动力单元包括余热锅炉18、蒸汽轮机19、第二发电机20、凝汽器21、循环冷却水装置22、第二泵23和加热器24；余热锅炉18连接换热单元与船舶蒸汽动力单元，余热锅炉18中的锅炉给水依次通过蒸汽轮机19、凝汽器21、第二泵23和加热器24后回到余热锅炉18中，形成闭式管路；余热锅炉18出口的蒸汽流入蒸汽轮机19中做功，并带动发电机20工作，蒸汽轮机19出口一路经由与凝汽器21、第二泵23与加热器24相连接，另一路直接通入加热器24当中与余热锅炉18相连接，循环冷却水装置22出口侧的循环水经过凝汽器21后与循环冷却水装置22入口侧连接；

9、所述燃料供应单元中的空气供应装置1通过第一压气机4给换热器单元提供空气，所述换热器单元的第一预热器7对空气进行加热后传输至所述sofc电堆12的阴极；所述的燃料供应单元中燃料供应装置2和水蒸汽供应装置3的向sofc电堆单元提供燃料，在sofc电堆12阳极进行电堆反应；阳极反应产物中的水通过水蒸汽分离装置14分离并进入第一混合器10，其余通入后燃烧室15当中燃烧，燃烧产物与热能用于预热系统并驱动所述gt单元产生电能并输出；

10、所述gt单元在燃气轮机16做功后，其产生的热量在用于预热系统和发电输出后，还会存在大量的高温烟气，将高温烟气传输到所述的船舶蒸汽动力单元中，作为余热锅炉18的高温热源，以此达到对于系统的余热利用；

11、所述船舶蒸汽动力单元将余热锅炉18作为蒸汽循环的热量来源，加热后的高温蒸汽在蒸汽轮机19中带动第二发电机20做功，其中部分未完全做功的蒸汽进入加热器24中放热，剩余蒸汽做功完后进入凝汽器21中冷凝，最终重返余热锅炉18。

12、所述燃料供应单元的第一压气机4负责将空气运输至换热单元的第一预热器7，燃料供应单元的第二压气机5负责将燃料压缩并运输到第一混合器10中；所述燃料供应单元设置有与第一泵6，通过所述第一泵6将水运输到换热单元的第二预热器8。

13、后燃烧室15出口和入口分别与水蒸汽分离装置14和sofc电堆12阴极连通，尾气与燃料在后燃烧室15中充分燃烧；燃烧产生的高温气体进入燃气轮机16当中，所述燃气轮机16驱动第一发电机17发电；燃气轮机16的高温排气经由换热单元后进入余热锅炉18中，所述余热锅炉18作为动力源驱动船舶蒸汽动力单元。

14、所述sofc电堆12的阴极与第一预热器7连通，所述的sofc电堆12产生的电能输送至变流器13，供用户使用。

15、所述sofc电堆12采用的结构是阳极支撑体结构，工作温度在800～1000℃。

16、所述的一种耦合sofc-gt的船舶动力系统的变负荷运行方法，空气供应装置1中空气通过第一压气机4运输至第一预热器7后，进入到sofc电堆12阴极；燃料供应装置2中燃料经过第二压气机5压缩后进入第一混合器10中，与通过第一泵6运输并在第二预热器8中加热后的水在第一混合器10中混合后并在第三预热器9再次预热，最后运输至sofc电堆12的阳极，在sofc电堆反应后，反应生成的高温汽水混合物通过水蒸汽分离器14进入后燃烧室15与空气发生反应；后燃烧室15反应产生的高温高压气体带动燃气轮机16工作，从而驱动第一发电机17发电；燃气轮机透平所排出的高温烟气先依次在第一预热器7和第二预热器8中分别对空气和水进行供热，再进入余热锅炉18中作为高温热源加热船舶蒸汽动力单元的锅炉给水；余热锅炉18吸热产生主蒸汽流，进入蒸汽轮机19中做功，部分未完全做功的蒸汽进入加热器24放热，其余部分则通入凝汽器21中冷凝，通过第二泵23运输至加热器24，最终返回余热锅炉18，再一次和燃气轮机透平所排出的高温烟气发生热交换，完成循环；

17、耦合sofc-gt的船舶动力系统的总功率是sofc电堆单元、gt单元和船舶蒸汽动力单元三个单元的功率总和：sofc电堆单元的功率是sofc电堆12通过dc/ac变流器13对用户直接供给的功率，gt单元的功率是指燃气轮机16带动的第一发电机17所发出的功率，船舶蒸汽动力单元的功率是蒸汽轮机19带动的第二发电机20的功率。

18、在上述三个单元当中，控制其功率大小的因素各不相同。sofc电堆单元和gt单元的功率决定于燃料量的供给：改变燃料量将改变sofc电堆12的做功能力，进而改变进入后燃室15的水蒸汽温度，最终影响gt单元中的燃气轮机16的蒸汽放热量发生改变，导致gt单元的发电机做功能力改变；而船舶蒸汽动力单元当中，在保证换热单元高温排气不变化的条件下，通过改变余热锅炉18的给水流量来控制蒸汽循环的主蒸汽温度，进而控制蒸汽轮机19的做功，达到改变第二电机20功率的目的；

19、在换热单元高温烟气不变的情况下，当蒸汽轮机19升负荷也即增大船舶蒸汽动力单元的功率时，在其他条件不变的情况下，通过提高主蒸汽温度可以达到蒸汽轮机19的升负荷要求；由于高温烟气不发生改变，即余热锅炉18的换热量保持不变，减少锅炉给水流量来提高其蒸汽温度，从而使得蒸汽轮机19升负荷变化；

20、相反，在换热单元高温烟气不变的情况下，若蒸汽轮机19降负荷时，通过增大余热锅炉18的给水流量来提高蒸汽温度的方式，达到调节蒸汽轮机19降负荷的目的；

21、若在不改变余热锅炉18给水的条件下，想要蒸汽轮机19变负荷运行就需要改变换热单元高温烟气温度，从而通过调节余热锅炉18的换热来控制蒸汽轮机19变负荷运行：

22、若蒸汽轮机19升负荷，则要求蒸汽温度升高，需要增大余热锅炉18的换热量，也即提高换热单元的排气温度，而在不改变其它条件的情况下，提高烟气温度其实就是提高燃气轮机16的功率，控制gt单元功率的因素主要是燃料量，通过增加燃料量来提高sofc电堆12的发电量，从而提高进入燃气轮机16的蒸汽温度，使得其排气温度提高，达到增大余热锅炉18换热量的目的，保障蒸汽轮机19升负荷运行；

23、若蒸汽轮机19降负荷运行，则将系统的燃料量减少，控制燃气轮机16的排气温度降低，使得余热锅炉18的换热量减少，降低船舶蒸汽动力单元的主蒸汽温度，从而实现蒸汽轮机19降负荷。

24、本发明的优点：

25、1.本发明耦合了sofc-gt技术，改变船舶动力系统的能量来源，利用对于能量的分布式利用，代替了燃料直接加热蒸汽动力循环，实质上提高了能量的使用效率，实现了能量的梯级利用。

26、2.本发明充分利用发电过程的产物余热，sofc发电产物余热用于燃气轮机的发电，燃气轮机的发电产物余热用于满足反应物预热以及船舶动力系统单元的余热锅炉，本发明通过余热深度利用降低了热损耗。