基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统，主要应用于商业中心、医院、机场和数据中心等供能场所。

背景技术：

燃气分布式能源是指利用天然气为主要燃料，通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。而固体氧化物燃料电池（简称SOFC），是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。

有鉴于此，在申请号为CN201711482640.0的专利文献中公开了一种基于分布式电源的微网控制系统，包括相互电性连接分布式电源、低压配电网以及本地负荷，其特征在于，所述分布式电源通过直流母线与低压配电网以及本地负荷相互连接，所述分布式电源与直流母线之间设置有可变直流电压转换装置，所述直流母线与低压配电网以及本地负荷之间设置有交流转换装置，所述交流转换装置包括逆变模块以及用于控制逆变器的中央处理器，所述中央处理器包括用于采集低压配电网信号、逆变信号以及直流信号的信号采集单元、用于控制逆变模块实现交流逆变的逆变控制单元、用于实现孤岛控制的孤岛控制单元以及用于控制直流母线最大输出功率的直流母线控制单元，所述逆变模块包括从直流母线侧依次向低压配电网侧设置的直流控制电路、全桥式逆变电路以及低通滤波电路，所述分布式电源包括热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池中的至少两种电源。上述对比文件存在各个系统之间过于独立的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，解决了现有燃气分布式能源和燃料电池系统过于独立、缺少互补性和互动性、系统效率偏低等问题；可以将燃气分布式能源和燃料电池实现互补和利用，实现内燃机和燃料电池烟气高效综合利用，并给用户提供冷热电多种能源；可以为用户提供更灵活的用能方式，提高燃气分布式能源和燃料电池系统的系统效率；而提供一种结构设计合理的基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统，其结构特点在于：包括天然气控制模块、燃气内燃机系统、燃料电池系统、烟气控制装置、缸套水控制装置、电力变换与供电模块、有机朗肯循环发电系统和烟气热水双效溴化锂系统；所述天然气控制模块与燃气内燃机系统通过一号管道连接，所述天然气控制模块与SOFC燃料电池系统通过二号管道连接，所述燃气内燃机系统与缸套水控制装置通过三号管道连接，所述燃气内燃机系统与烟气控制装置通过四号管道连接，所述燃气内燃机系统与电力变换与供电模块通过五号管道连接，所述燃料电池系统与缸套水控制装置通过六号管道连接，所述燃料电池系统与烟气控制装置通过七号管道连接，所述烟气控制装置与有机朗肯循环发电系统通过八号管道连接，所述烟气控制装置与烟气热水双效溴化锂系统通过九号管道连接，所述缸套水控制装置与烟气热水双效溴化锂系统通过十号管道连接，所述燃料电池系统与电力变换与供电模块通过一号电缆连接，所述电力变换与供电模块与有机朗肯循环发电系统通过二号电缆连接。

进一步地，所述燃料电池系统为SOFC燃料电池系统。

相比现有技术，本实用新型具有以下优点：

1、实现了燃气内燃机系统和燃料电池系统的耦合。

2、烟气的多种高效利用技术，通过燃气内燃机系统和燃料电池系统对烟气进行灵活应用，实现有机朗肯循环发电系统发电，也可以让烟气进入烟气热水双效溴化锂系统实现供冷热负荷，提高了燃气内燃机系统和燃料电池系统的能源综合利用率。

3、具有多种运行模式，具有黑启动、并网PQ运行和离网VF运行模式。

4、冷热电综合能源集成系统不仅实现热力系统的高效耦合，还实现了电力系统的高效转化和利用。

5、首次实现了有机朗肯循环发电系统与燃气内燃机系统、燃料电池系统的系统集成。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统的连接关系示意图。

图中：天然气控制模块1、燃气内燃机系统2、燃料电池系统3、烟气控制装置4、缸套水控制装置5、电力变换与供电模块6、有机朗肯循环（ORC）发电系统7、烟气热水双效溴化锂系统8、一号管道9、二号管道10、三号管道11、四号管道12、五号管道13、六号管道14、七号管道15、八号管道16、九号管道17、十号管道18、一号电缆19、二号电缆20。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若用引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实施例中的基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统，包括天然气控制模块1、燃气内燃机系统2、燃料电池系统3、烟气控制装置4、缸套水控制装置5、电力变换与供电模块6、有机朗肯循环（ORC）发电系统7和烟气热水双效溴化锂系统8。

本实施例中的所述天然气控制模块1与燃气内燃机系统2通过一号管道9连接，所述天然气控制模块1与SOFC燃料电池系统3通过二号管道10连接，所述燃气内燃机系统2与缸套水控制装置5通过三号管道11连接，所述燃气内燃机系统2与烟气控制装置4通过四号管道12连接，所述燃气内燃机系统2与电力变换与供电模块6通过五号管道13连接，所述燃料电池系统3与缸套水控制装置5通过六号管道14连接，所述燃料电池系统3与烟气控制装置4通过七号管道15连接，所述烟气控制装置4与有机朗肯循环（ORC）发电系统7通过八号管道16连接，所述烟气控制装置4与烟气热水双效溴化锂系统8通过九号管道17连接，所述缸套水控制装置5与烟气热水双效溴化锂系统8通过十号管道18连接，所述燃料电池系统3与电力变换与供电模块6通过一号电缆19连接，所述电力变换与供电模块6与有机朗肯循环（ORC）发电系统7通过二号电缆20连接；所述燃料电池系统3为SOFC燃料电池系统。

本实施例中的基于燃气内燃机和燃料电池联供的冷热电综合能源集成系统的工作方法，如下：

A、燃气内燃机系统2和燃料电池系统3对烟气耦合与高效综合利用：天然气通过天然气控制模块1调节输出后，连接至燃气内燃机系统2和燃料电池系统3中，同时天然气控制模块1和燃料电池系统3通过烟气控制装置4进行调节，实现对烟气热水双效溴化锂系统8和有机朗肯循环（ORC）发电系统7的烟气线性控制；

B、燃气内燃机缸套水的灵活高效利用：通过缸套水控制装置5实现燃气内燃机缸套水对有机朗肯循环（ORC）发电系统7和烟气热水双效溴化锂系统8的供应，根据用户冷热负荷情况，实时通过缸套水控制装置5调节供水流量；

C、实现了燃气内燃机系统2、燃料电池系统3、有机朗肯循环（ORC）发电系统7的电力联合供应：燃气内燃机系统2、燃料电池系统3和有机朗肯循环（ORC）发电系统7输出的电力通过电力变换与供电模块6，实现电力的联合供应及综合利用；

D、深度的多能源互补及集成率：燃气内燃机系统2、燃料电池系统3和有机朗肯循环（ORC）发电系统7，不仅实现热力系统的耦合与互补，还实现了电力系统的互联；

E、灵活的用户供能方式：不仅可以根据用户需求实现冷、热、电独立供应或联合供应，而且还可以根据用户负荷情况调节燃气内燃机系统2、燃料电池系统3和有机朗肯循环（ORC）发电系统7，通过调节燃气内燃机系统2的输出功率和燃料电池系统3的天然气输入流量实现分布式电源出力的调节；通过烟气控制装置4调节烟气进出口流量实现有机朗肯循环（ORC）发电系统7的输出功率和烟气热水双效溴化锂系统8的冷热水流量的控制；

F、冷热电综合能源集成系统支持并网和离网运行模式，同时具有黑启动功能：燃料电池系统3在不需要任何外部电源情况下，实现冷热电综合能源集成系统的黑启动，同时通过电力变换与供电模块6为燃气内燃机系统2、烟气热水双效溴化锂系统8和有机朗肯循环（ORC）发电系统7的辅机电源供电，从而实现整个冷热电综合能源集成系统的黑启动。

本实施例中，实现了燃气内燃机系统2和燃料电池系统3的耦合。

本实施例中，通过燃气内燃机系统2和燃料电池系统3对烟气进行灵活应用，实现有机朗肯循环（ORC）发电系统7发电，也可以让烟气进入烟气热水双效溴化锂系统8实现供冷热负荷，提高了燃气内燃机系统2和燃料电池系统3的能源综合利用率。

本实施例中，具有多种运行模式，具有黑启动、并网PQ运行和离网VF运行模式。

本实施例中，冷热电综合能源集成系统不仅实现热力系统的高效耦合，还实现了电力系统的高效转化和利用。

本实施例中，实现了有机朗肯循环（ORC）发电系统7与燃气内燃机系统2、燃料电池系统3的系统集成。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。