一种复合热电发电系统废水利用装置及控制方法与流程

本发明涉及节能和新能源领域，特别涉及一种复合热电发电系统废水利用装置及控制方法。

背景技术：

1、复合热电发电系统是一种复合发电系统，包括内燃机和燃料电池两个动力源，两者共同为运输装备提供动力。该系统可以充分利用燃料电池效率高、噪音小、排放少的特性以及内燃机功率密度大、瞬态响应快的特点，为运输装备提供更加优秀的动力方案。

2、内燃机是使用燃料燃烧做功的动力机械，其燃料包括汽油、柴油、天然气、氢气、氨气等，通过耦合发电机可实现电力输出。针对天然气、汽油、氢气等点燃燃料内燃机，其非常容易产生爆震、早燃、回火等非正常燃烧现象，现阶段一般采用喷水措施来避免缸内发生非正常燃烧，现有的内燃机喷水系统一方面需要定期加注纯水供使用，给用户使用造成不便；另外一方面，喷水系统在环境温度接近0℃时就会停止工作，这使得喷水系统的工作温度范围大大受限，不利于该技术在高纬度寒冷区域内燃机的应用。

3、而燃料电池的排气系统的气水分离器排出的纯水直接排入环境，一方面纯水没有得到充分利用，另外一方面也容易在极端低温环境下出现气水分离器排水口结冰堵塞问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种复合热电发电系统废水利用装置及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、本发明提供一种复合热电发电系统废水利用装置，包括：

4、燃料电池进排气系统，具有第一排气口；

5、内燃机喷水系统；

6、再利用系统，包括气水分离器、收集容器和换热器，所述气水分离器具有第二进气口、第二排气口和第二排水口，所述第二进气口与所述第一排气口连接，所述第二排气口与所述换热器连接，所述第二排水口与所述收集容器连通，所述换热器用于与所述收集容器内腔进行热交换，所述收集容器与所述内燃机喷水系统连接。

7、本发明的有益效果是：

8、在燃料电池启动后，燃料电池进排气系统的第一排气口排出水和空气的混合气首先通过第二进气口进入气水分离器，在其内部实现水滴被分离出来，分离出来的水通过气水分离器的第二排水口进入收集容器，在燃料电池持续工作下，气水分离器持续将第一排气口排出的混合气中水分离出来，并存储在收集容器中，而气水分离器内剩余的排气从第二排气口排出，并进入换热器，在换热器中内部流动的排气与收集容器内腔的水换热，确保低环境温度下排气加热收集容器内腔的水，防止水结冰，而收集容器内存储的水输送至内燃机喷水系统，用于改善内燃机性能，本发明将燃料电池排出的混合气通过气水分离器来实现气水分离，并将气水分离器排出的纯水收集和存储，再通过内燃机喷水系统将收集的纯水用于提高内燃机的性能，实现废水利用，避免现有内燃机喷水系统需要人工加注纯水的痛点，利用气水分离器排出的排气加热收集容器内收集的水，避免低环境温度下收集容器内收集的水结冰问题，进而确保内燃机喷水系统在低环境温度下可持续工作，以及解决燃料电池在低环境温度下气水分离器排水结冰堵塞的问题。

9、作为上述技术方案的进一步改进，还包括膨胀机，所述膨胀机连接于所述第二排气口与所述换热器之间。

10、本方案考虑到气水分离器内剩余的排气其仍然具有一定的压力和温度，本方案将气水分离器的排气输送入膨胀机，在膨胀机内，排气经过膨胀机的叶轮膨胀做功，对外输出机械功，排气经膨胀机后进入换热器，所携带剩余的热量再传递给收集容器内存储的水，确保低环境温度下排气加热收集容器内腔的水，防止水结冰，通过膨胀机回收利用气体的内能，能提高对燃料电池的排气利用率。

11、作为上述技术方案的进一步改进，所述燃料电池进排气系统具有第一进气口；

12、所述膨胀机的动力输出端连接有发电机或者空压机，所述空压机的出气口与所述第一进气口连接。

13、排气可通过膨胀机来带动发电机或者空压机转动，以实现能量回收，其中，空压机将外部的气体压缩加压后通过第一进气口输送入燃料电池进行反应，而发电机可为其他系统供电。

14、作为上述技术方案的进一步改进，所述收集容器设有第一排水口，所述第一排水口安装有排水阀。

15、通过开启和关闭排水阀可控制第一排水口排出收集容器内的水，以使得收集容器内的水保持于合理的范围，同时也可实现收集容器的排空。

16、作为上述技术方案的进一步改进，所述收集容器设有液位传感器，所述液位传感器用于检测所述收集容器的内腔水量；

17、所述收集容器设有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述收集容器的内腔水温度。

18、作为上述技术方案的进一步改进，所述再利用系统还包括水泵，所述水泵连接于所述收集容器与所述内燃机喷水系统之间。水泵用于将收集容器内水加压并输送到内燃机喷水系统。

19、作为上述技术方案的进一步改进，所述再利用系统还包括电加热元件，所述电加热元件用于加热所述收集容器的内腔水。

20、为了满足不同的工况，本方案设置了电加热元件对收集容器的内腔水进行电加热，这样可在燃料电池不工作或者排气的热量满足不到加热需求时，保持收集容器内的水温保持于设定温度。

21、作为上述技术方案的进一步改进，所述气水分离器安装于所述收集容器的顶部，以使得所述收集容器与所述气水分离器底部形成封闭的空间，所述第二排水口设于所述气水分离器的底部；

22、所述换热器安装于所述收集容器的底部内。

23、本方案将气水分离器和收集容器集成于一体，确保收集容器内腔保持封闭，第二排水口设于所述气水分离器的底部，确保气水分离器分离出来的水在重力作用下通过第二排水口进入下方的收集容器，此外，收集容器的内腔所形成的热量可辐射到第二排水口，避免第二排水口结冰堵塞。本方案的换热器直接置于收集容器内存储的水中，壁面与水直接接触换热，提高换热效率。

24、本发明还提供一种应用于所述的复合热电发电系统废水利用装置的控制方法，包括：

25、通过所述气水分离器实现气水分离，所述气水分离器的排水收集于收集容器内，所述气水分离器的排气通过所述换热器与所述收集容器内的水进行换热，将所述收集容器内的水保持于预设温度范围；

26、当燃料电池和内燃机处于停机状态或者所述收集容器内的水温低于预设温度时，将所述收集容器内的水全部排空。

27、本发明将气水分离器排出的纯水收集和存储，再通过内燃机喷水系统将收集的纯水用于抑制内燃机的非正常燃烧，提高内燃机的性能。同时利用燃料电池排气加热保温储存的水，解决低温环境温度下内燃机喷水系统无法工作和气水分离器排水结冰堵塞的问题。

28、作为上述技术方案的进一步改进，所述控制方法还包括：

29、当所述收集容器内的水温低于预设温度时，通过电加热将所述收集容器内的水保持于预设温度范围；

30、检测所述收集容器内的水量，控制收集容器的存水量不超过预设量。

31、在燃料电池不工作或者排气的热量满足不到加热需求时，通过电加热对所述收集容器内的水进行加热，以保持于预设温度范围。