[发明专利]一种高效率的化学复合循环燃气轮机装置及控制方法

说明书

本发明公开了一种高效率的化学复合循环燃气轮机装置及控制方法。它包括压气机、燃料电池、燃烧室、换热器、氢源、增压涡轮、动力涡轮和发电机，所述压气机输入端连通大气、第一输出端连接燃烧室第一输入端、第二输出端经换热器连接燃烧室第二输入端；燃料电池的阴极输入端连通大气、阳极输入端连接氢源、阴极输出端经换热器连接大气、阳极输出端连接燃烧室第三输入端；燃烧室第四输入端通过管道连接氢源、输出端连接增压涡轮输入端，增压涡轮输出端连接动力涡轮输入端，动力涡轮输出端连接发电机。本发明的燃气轮机装置及控制方法结构简单，效率高，设计合理，实现了尾气的充分利用，避免浪费。

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种高效率的化学复合循环燃气轮机装置及控制方法。

背景技术

目前舰艇动力系统中提供电能的一般为布雷顿循环的燃料燃气轮机，传统的舰船燃气轮机布雷顿循环是一种典型的热力循环方式，国际上发展已经经历了三代，功率从几百千瓦至四十多兆瓦，但是燃气轮机热效率受制于经典的卡诺循环定律，只能达到20％-38％，比如美国的LM2500型燃气轮机的热效率为36％左右，主要是以燃烧吸热为主；而高温燃料电池的热效率可以达到60％，主要以化学催化放热为主，一般两者的联合循环系统都没有考虑化学复合循环过程，比如美国的西屋公司和德国的西门子公司推出的示范项目。国内以上海交通大学等为代表的研究团队逐渐转向对SOFC-GT混合动力系统的研究，目前只是考虑了两种发电系统的混合，并没有推出实际的应用示范工程，更没有考虑这种化学复合循环过程。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、高效率的化学复合循环燃气轮机装置及控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种高效率的化学复合循环燃气轮机装置，包括压气机、燃料电池、燃烧室、换热器、氢源、增压涡轮、动力涡轮和发电机，

所述压气机输入端连通大气，压气机第一输出端通过管道连接燃烧室第一输入端，压气机第二输出端经换热器连接燃烧室第二输入端；

所述燃料电池的阴极输入端连通大气，燃料电池阳极输入端通过管道连接氢源，燃料电池阴极输出端经换热器连接大气，燃料电池阳极输出端连接燃烧室第三输入端；

所述燃烧室第四输入端通过管道连接氢源，燃烧室输出端连接增压涡轮输入端，增压涡轮输出端连接动力涡轮输入端，动力涡轮输出端连接发电机；

所述压气机与换热器之间的管道上、压气机与燃烧室第一输入端连通的管道上分别设置第一阀门和第二阀门，燃料电池与氢源连接的管道上、燃烧室与氢源连接的管道上分别设置第三阀门和第四阀门。

进一步地，所述压气机与换热器之间的管道上设有第一加压装置。

进一步地，所述燃料电池的阴极输入端的管道上设有第二加压装置。

进一步地，所述燃料电池阳极输出端与燃烧室之间设有第三加压装置。

一种基于上述燃气轮机装置的控制方法，启动时，提升燃料电池温度，同时第一阀门关闭，第二阀门开启，第三阀门关闭、第四阀门开启，压气机压缩的空气全部进入燃烧室并与进入燃烧室的氢气燃烧，产生高温高压燃气进入增压涡轮，再进一步推动动力涡轮旋转进而带动发电机发电；这时化学复合循环燃气轮机的总效率到达20％左右。

当燃料电池温度上升至工作温度后，开启第一阀门和第三阀门，分别调整第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门的开度，使压气机压缩的空气一部分直接进入燃烧室、另一部分经换热器进入燃烧室，氢源的氢气分别进入燃烧室和燃料电池；

燃料电池阳极的氢气与进入燃料电池阴极的压缩空气与发生电化学反应发电，反应后燃料电池阴极产生的高温空气经换热器排出大气；