基于甲醇燃料的船舶SOFC/GT/TCO2/ORC热电联供动力系统

本发明涉及能源动力设备，特别是一种基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)将工质中的化学能直接转化成电能，因不受卡诺循环的限制，具有多种优点。sofc与燃气轮机(gt)相结合，常运用于大型船舶的发电和动力系统。

2、sofc的排放尾气可以达到800-1000℃，属于高品位热源，因此对其进行高效余热回收是十分有必要的。公开号为cn114665120a的中国专利公布了一种基于多型燃料的sofc-gt混合发电系统。该系统将sofc/gt发电后的尾气进行余热回收，最后将涡轮排气给空气加热，此系统虽进行了余热利用，但系统排出的废气温度仍有678.1k，余热未得到高效利用。专利公开号为cn115000460a的中国专利公布了一种基于sofc-gt联合热电联供系统的运行方法及系统。该系统将蒸汽涡轮的高温废气为燃料和空气加热，接着为生活热水加热后便排出系统。该系统将中低品位余热直接排出系统，系统余热利用率不高。

技术实现思路

1、针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，目的是降低sofc与gt耦合作为船舶发电系统的尾气碳排放的同时，提高发电量，实现能源高效梯级利用。

2、本发明技术方案如下：一种基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，包括甲醇重整sofc/gt系统和三级朗肯循环系统，

3、所述甲醇重整sofc/gt系统由甲醇与水混合进入重整室进行重整反应，重整反应的重整气进入sofc阳极，空气经过空气压气机压缩后进入sofc阴极以及后燃室，sofc阳极以及sofc阴极的排气进入所述后燃室燃烧，后燃室的燃烧排气经过燃气透平做功后排出，所述燃气透平的排气依次用于对压缩后空气、重整气以及甲醇与水的混合物进行加热；

4、所述三级朗肯循环系统包括跨临界二氧化碳循环、第二有机朗肯循环和第三有机朗肯循环，所述燃气透平的排气经过对甲醇与水的混合物加热后依次作为跨临界二氧化碳循环、第二有机朗肯循环和第三有机朗肯循环的热源驱动三级朗肯循环系统。

5、进一步地，所述甲醇重整sofc/gt系统包括第一换热器、第二换热器和第三换热器，所述第三换热器设置在空气压气机之后，所述压缩后空气在所述第三换热器由燃气透平的排气加热后分流进入所述sofc阴极和所述后燃室，所述第一换热器设置在所述重整室之前，所述第二换热器设置在所述重整室与所述sofc阳极之间，经过所述第三换热器的燃气透平的排气先进入所述第二换热器然后进入所述第一换热器。

6、进一步地，所述跨临界二氧化碳循环包括第四换热器、tco2透平、第一中间冷却器、co2冷凝器和co2压气机，co2在所述第四换热器被加热甲醇与水的混合物后的燃气透平的排气加热再进入tco2透平，tco2透平排气进入第一中间冷却器与co2压气机排气换热，然后依次经过co2冷凝器和co2压气机，co2压气机排气经过所述第一中间冷却器换热后进入所述第四换热器构成循环。

7、进一步地，所述第二有机朗肯循环的循环工质为r134a。

8、进一步地，所述第二有机朗肯循环包括第五换热器、r134a透平、第二中间冷却器、r134a冷凝器和r134a工质泵，r134a在所述第五换热器被作为热源驱动所述跨临界二氧化碳循环的燃气透平的排气加热再进入r134a透平，r134a透平排气进入第二中间冷却器与r134a工质泵加压后的r134a换热，然后依次经过r134a冷凝器和r134a工质泵，r134a工质泵加压后的r134a经过所述第二中间冷却器换热后进入所述第五换热器构成循环。

9、进一步地，所述第三有机朗肯循环的循环工质为r123。

10、进一步地，所述第三有机朗肯循环包括第六换热器、r123透平、r123冷凝器和r123工质泵，r123在所述第六换热器被作为热源驱动所述第二有机朗肯循环的燃气透平的排气加热再进入r123透平，r123透平排气依次进入r123冷凝器和r123工质泵，r123工质泵加压后的r123进入所述第六换热器构成循环。

11、进一步地，包括生活热水加热系统，所述作为热源驱动所述第三有机朗肯循环后的燃气透平的排气进入所述生活热水加热系统加热船用生活用水。

12、进一步地，包括气液分离器，所述气液分离器连接在所述生活热水加热系统之后，加热船用生活用水后的所述燃气透平的排气进入所述气液分离器进行气液分离，分离的气体排出，分离的液体作为生活用水。

13、本发明与现有技术相比的优点在于：

14、本发明以甲醇为船用燃料，相较于普通船用柴油机实现减碳排放。以sofc/gt为船舶主系统；应用集中式换热器单元，应对船舶舱室狭小环境，使结构更加紧凑；跨临界co2循环，进行余热回收利用的以r134a为工质的第一有机朗肯循环，以r123为工质的第二有机朗肯循环耦合为三级朗肯循环，船上生活热水加热系统。实现高温、中温和低温余热的梯级余热利用和高效能源利用效率。

技术特征：

1.一种基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，包括甲醇重整sofc/gt系统和三级朗肯循环系统，

2.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述甲醇重整sofc/gt系统包括第一换热器、第二换热器和第三换热器，所述第三换热器设置在空气压气机之后，所述压缩后空气在所述第三换热器由燃气透平的排气加热后分流进入所述sofc阴极和所述后燃室，所述第一换热器设置在所述重整室之前，所述第二换热器设置在所述重整室与所述sofc阳极之间，经过所述第三换热器的燃气透平的排气先进入所述第二换热器然后进入所述第一换热器。

3.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳循环包括第四换热器、tco2透平、第一中间冷却器、co2冷凝器和co2压气机，co2在所述第四换热器被加热甲醇与水的混合物后的燃气透平的排气加热再进入tco2透平，tco2透平排气进入第一中间冷却器与co2压气机排气换热，然后依次经过co2冷凝器和co2压气机，co2压气机排气经过所述第一中间冷却器换热后进入所述第四换热器构成循环。

4.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述第二有机朗肯循环的循环工质为r134a。

5.根据权利要求4所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述第二有机朗肯循环包括第五换热器、r134a透平、第二中间冷却器、r134a冷凝器和r134a工质泵，r134a在所述第五换热器被作为热源驱动所述跨临界二氧化碳循环的燃气透平的排气加热再进入r134a透平，r134a透平排气进入第二中间冷却器与r134a工质泵加压后的r134a换热，然后依次经过r134a冷凝器和r134a工质泵，r134a工质泵加压后的r134a经过所述第二中间冷却器换热后进入所述第五换热器构成循环。

6.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述第三有机朗肯循环的循环工质为r123。

7.根据权利要求6所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，所述第三有机朗肯循环包括第六换热器、r123透平、r123冷凝器和r123工质泵，r123在所述第六换热器被作为热源驱动所述第二有机朗肯循环的燃气透平的排气加热再进入r123透平，r123透平排气依次进入r123冷凝器和r123工质泵，r123工质泵加压后的r123进入所述第六换热器构成循环。

8.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，包括生活热水加热系统，所述作为热源驱动所述第三有机朗肯循环后的燃气透平的排气进入所述生活热水加热系统加热船用生活用水。

9.根据权利要求1所述的基于甲醇燃料的船舶sofc/gt/tco2/orc热电联供动力系统，其特征在于，包括气液分离器，所述气液分离器连接在所述生活热水加热系统之后，加热船用生活用水后的所述燃气透平的排气进入所述气液分离器进行气液分离，分离的气体排出，分离的液体作为生活用水。

技术总结本发明公开了一种基于甲醇燃料的船舶SOFC/GT/TCO<subgt;2</subgt;/ORC热电联供动力系统，包括甲醇重整SOFC/GT系统、三级朗肯循环系统，甲醇重整SOFC/GT系统由甲醇与水混合进入重整室进行重整反应，重整气进入SOFC阳极，空气压缩后进入SOFC阴极以及后燃室，SOFC的排气进入后燃室燃烧再经过燃气透平做功后排出，燃气透平的排气依次用于对压缩后空气、重整气以及甲醇与水的混合物进行加热；三级朗肯循环系统包括跨临界二氧化碳循环、第二有机朗肯循环和第三有机朗肯循环，燃气透平的排气经过对甲醇与水的混合物加热后作为热源依次驱动三级朗肯循环系统。本发明可实现系统热电联产，在提高能源利用率的同时，实现余热梯级利用和尾气低碳排放。技术研发人员：姚寿广,蔡扬,夏民杰,孙菁,颜轩,王梓维受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9