一种前置燃料电池的天然气联合循环发电系统及方法
阅读说明：本技术 一种前置燃料电池的天然气联合循环发电系统及方法 (Natural gas combined cycle power generation system and method of front-mounted fuel cell ) 是由 周贤 彭烁 钟迪 安航 白烨 黄永琪 姚国鹏 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种前置燃料电池的天然气联合循环发电系统及方法,包括依次连接的高温燃料电池、燃烧室、燃气轮机的透平、余热锅炉和汽轮机；高温燃料电池输入端连接天然气管路。天然气作为燃料气进入高温燃料电池发电,高温燃料电池出口的燃料气送入燃烧室,燃料气在燃烧室燃烧后生成高温烟气送入燃气轮机的透平发电,透平出口的高温烟气送入余热锅炉,余热锅炉产生的蒸汽送入汽轮机发电。利用高温燃料电池更高的发电效率,将高温燃料电池与天然气联合循环发电系统结合,通过在燃烧室前置高温燃料电池的方式,并且通过利用系统中每一阶段的气体,使高温燃料电池、透平和汽轮机三者的共同发电,提高天然气发电系统的整体净发电效率。(The invention discloses a natural gas combined cycle power generation system and a natural gas combined cycle power generation method of a front-mounted fuel cell, which comprise a high-temperature fuel cell, a combustion chamber, a turbine of a gas turbine, a waste heat boiler and a steam turbine which are sequentially connected; the input end of the high-temperature fuel cell is connected with a natural gas pipeline. The natural gas is used as fuel gas to enter a high-temperature fuel cell for power generation, the fuel gas at the outlet of the high-temperature fuel cell is sent to a combustion chamber, the fuel gas is combusted in the combustion chamber to generate high-temperature flue gas which is sent to a turbine of a gas turbine for power generation, the high-temperature flue gas at the outlet of the turbine is sent to a waste heat boiler, and steam generated by the waste heat boiler is sent to the turbine for power generation. The high-temperature fuel cell is combined with the natural gas combined cycle power generation system by utilizing the higher power generation efficiency of the high-temperature fuel cell, the high-temperature fuel cell is arranged in the combustion chamber in a front-mounted mode, and the gas at each stage in the system is utilized to enable the high-temperature fuel cell, the turbine and the steam turbine to generate power together, so that the overall net power generation efficiency of the natural gas power generation system is improved.)
技术领域
本发明属于天然气发电领域，涉及一种前置燃料电池的天然气联合循环发电 系统及方法。
背景技术
天然气发电不仅能够替代煤、石油等化石燃料，还对风能、太阳能、核能等新的能源形式构成补充，H级燃气轮机是目前世界上初温最高、功率最高以及发电效率最高的燃气轮机。
天然气联合循环发电系统进一步提高发电效率，需要不断地提高透平初温， 开发耐更高温度的材料，并设计更为复杂的冷却结构。
高温燃料电池发电系统的能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，其净发电 效率显著高于热力循环发电，负荷易于调节，是发电技术的一个重要发展方向。 但高温燃料电池发电系统造价较高，目前难以实现商业化推广，技术发展较为缓 慢。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种前置燃料电池的天然 气联合循环发电系统及方法，提高天然气发电系统的整体净发电效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种前置燃料电池的天然气联合循环发电系统，包括依次连接的高温燃料电 池、燃烧室、透平、余热锅炉和汽轮机；
高温燃料电池输入端连接天然气管路。
优选的，汽轮机的中压蒸汽抽汽口与天然气管路连接。
优选的，天然气管路与高温燃料电池之间设置有预热器。
进一步，预热器冷侧进口连接天然气管路，冷侧出口连接高温燃料电池输入 端；预热器热侧进口连接高温燃料电池输出端，热侧出口连接燃烧室。
优选的，燃烧室连接有压气机输出端。
进一步，高温燃料电池连接有换热器，换热器冷端进口连接压气机输出端， 冷端出口连接高温燃料电池输入端；换热器热端进口连接高温燃料电池输出端， 热端出口连接燃烧室。
一种上述任意一项所述系统的前置燃料电池的天然气联合循环发电方法，包 括以下过程：
天然气作为燃料气进入高温燃料电池发电，高温燃料电池出口的燃料气送入 燃烧室，燃料气在燃烧室燃烧后生成高温烟气送入透平发电，透平出口的高温烟 气送入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽送入汽轮机发电。
优选的，燃料气进入高温燃料电池前，先进入预热器冷侧加热后，作为燃料 气送入高温燃料电池发电，高温燃料电池出口的燃料气送入预热器热侧，再送入 燃烧室。
优选的，压气机从大气中吸入空气，产生的高压空气一股作为高温燃料电池 阴极所需空气，送入换热器冷端预热升温后，再送入高温燃料电池内反应，空气 离开高温燃料电池后送入换热器热端回收热量，再注入燃烧室；压气机出口的另 一股空气送入燃烧室。
优选的，从汽轮机中抽取中压蒸汽与天然气混合进入高温燃料电池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用高温燃料电池更高的发电效率，将高温燃料电池与天然气联合循 环发电系统结合，通过在燃烧室前置高温燃料电池的方式，并且通过利用系统中 每一阶段的气体，使高温燃料电池、透平和汽轮机三者的共同发电，提高天然气 发电系统的整体净发电效率。
进一步，天然气与汽轮机的部分中压抽汽混合后，再加热，送入高温燃料电 池，可改善高温燃料电池内的反应条件，提高高温燃料电池的发电效率。
进一步，通过预热器将天然气加热，提高高温燃料电池的发电效率，并且高 温燃料电池产生的高温气体作为预热器的热介质，实现加热自循环。
进一步，高温燃料电池阴极所需空气从燃气轮机的压气机出口抽取，空气从 阴极排出后回注燃烧室，降低燃烧过程的氧浓度，可以进一步降低燃气轮机的燃 烧室NOx排放量。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
其中：1-预热器；2-高温燃料电池；3-换热器；4-燃烧室；5-压气机；6-透平； 7-余热锅炉；8-汽轮机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的前置燃料电池的天然气联合循环发电系统，包 括依次连接的高温燃料电池2、燃烧室4、透平6、余热锅炉7和汽轮机8，高温 燃料电池2输入端连接天然气管路。
汽轮机8的中压蒸汽抽汽口与天然气管路连接。天然气与汽轮机8的部分中 压抽汽混合后，再加热，送入高温燃料电池2，可改善高温燃料电池2内的反应 条件，提高高温燃料电池2的发电效率。
天然气管路与高温燃料电池2之间设置有预热器1，预热器1冷侧进口连接 天然气管路，冷侧出口连接高温燃料电池2输入端；预热器1热侧进口连接高温 燃料电池2输出端，热侧出口连接燃烧室4。通过预热器1将天然气加热，提高 高温燃料电池2的发电效率，并且高温燃料电池2产生的高温气体作为预热器1 的热介质，实现加热自循环。
燃烧室4连接有压气机5输出端，压气机5输入端连接大气，高温燃料电池 2连接有换热器3，换热器3冷端进口连接压气机5输出端，冷端出口连接高温 燃料电池2输入端；换热器3热端进口连接高温燃料电池2输出端，热端出口连 接燃烧室4。高温燃料电池2阴极所需空气从燃气轮机的压气机5出口抽取，空 气从阴极排出后回注燃烧室4，降低燃烧过程的氧浓度，可以进一步降低燃气轮 机的燃烧室4NOx排放量。
采用上述系统进行天然气联合循环发电过程为：天然气与从汽轮机8中抽取 的部分中压蒸汽混合后，进入预热器1冷侧加热后，作为燃料气送入高温燃料电 池2发电，高温燃料电池2出口的燃料气送入预热器1热侧，再送入燃气轮机的 燃烧室4。燃气轮机的压气机5从大气中吸入空气，产生的高压空气一股作为高 温燃料电池2阴极所需空气，送入换热器3冷端预热升温后，再送入高温燃料电 池2内反应。阴极空气离开高温燃料电池2后送入换热器3热端回收热量，再注 入燃气轮机的燃烧室4。燃气轮机的压气机5出口的另一股空气送入燃气轮机的 燃烧室4，与燃料气燃烧后生成高温烟气送入燃气轮机的透平6发电。
燃气轮机的透平6出口较高温度的烟气送入余热锅炉7，余热锅炉7产生的 蒸汽送入汽轮机8发电，从汽轮机8中抽取部分中压蒸汽与天然气混合。
本发明能够通过高温燃料电池2更高的发电效率，提高天然气发电系统的总 体净发电效率。本发明还可降低进入燃气轮机燃烧室4的空气的总体氧气浓度， 可以减少NOx的排放量。另外，本发明可以在相对较大的发电系统上使用造价 较高的高温燃料电池2发电系统，有利于该技术的商业推广，推动技术更快速发 展。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。