受控固体氧化物燃料电池SOFC/涡轮机混合发电的方法和设备.pdf

一种操作包括固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机(14)和涡轮发电机(16)的加压固体氧化物燃料电池/涡轮机(SOFC/涡轮机)混合发电系统(10)的方法，所述方法包括以下步骤：根据功率需求量(28)控制流至SOFC/涡轮机混合发电系统的空气流量(24)以及利用从SOFC发电机中引出的电流调节SOFC发电机的温度。

1、  一种操作包括固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机(14)和涡轮发电机(16)的加压固体氧化物燃料电池/涡轮机(SOFC/涡轮机)混合发电系统(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
根据功率需求量(28)控制流至SOFC/涡轮机混合发电系统的空气流量(24)；以及
利用从SOFC发电机(14)中引出的电流调节SOFC发电机的温度。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中所述控制流至SOFC/涡轮机混合发电系统(10)的空气流量的步骤进一步包括控制作为功率需求量(28)函数的空气流量设定值(26)。

3、  根据权利要求2所述的方法，其中所述控制流至SOFC/涡轮机混合发电系统(10)的空气流量的步骤进一步包括根据空气流量设定值控制涡轮机(16)的转速。

4、  根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据电流需求控制(36)燃料流量，从而达到所需的SOFC功率。

5、  一种发电系统，包括：
固体氧化物燃料电池(SOFC)混合设备(12)，所述混合设备包括加压固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机(14)、未反应燃料燃烧器(22)和涡轮发电机(16)，其中所述SOFC发电机和所述涡轮发电机被构造用以提供所述SOFC混合设备的总和功率输出(18)；和
被构造用以达到所述SOFC混合设备负载要求同时保持对所述SOFC发电机和所述未反应燃料燃烧器的温度约束的系统控制装置(20)。

6、  根据权利要求5所述的发电系统，其中所述系统控制装置进一步包括被构造用以限制所述发电系统的响应时间，由此在所述涡轮发电机中的空气流量发生变化的过程中保持一定的喘振裕度的空气流量控制装置(24)。

7、  根据权利要求6所述的发电系统，其中所述控制装置进一步包括被构造用以控制作为功率需求量(28)的函数的空气流量设定值的空气流量设定值控制装置(26)。

8、  根据权利要求5所述的发电系统，其中所述系统控制装置进一步包括被构造用以对所述SOFC发电机的冷却进行控制，进而保持预定的SOFC温度设定值(34)的SOFC电流控制装置(32)。

9、  一种用于包括固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机(14)、涡轮发电机(16)和未反应燃料燃烧器(22)的混合发电设备(10)的系统控制装置(20)，所述系统控制装置被构造用以冷却SOFC发电机，从而保持预定的SOFC温度设定值(34)并且在所述涡轮发电机中的空气流量发生变化的过程中保持一定的喘振裕度。

10、  根据权利要求9所述的系统控制装置，其中所述系统控制装置包括被构造用以限制混合发电设备的响应时间的空气流量控制装置(24)。

受控固体氧化物燃料电池(SOFC)/涡轮机混合发电的方法和设备
技术领域
本发明主要涉及用于受控发电的方法和设备，且更具体而言，本发明涉及用于受控燃料电池/涡轮机混合发电的方法和设备。
背景技术
至少一种已公知的电力系统结合了固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机，所述SOFC发电机可包括单电池或者电池堆、可被结合到SOFC发电机中或者设置作为独立装置的未反应燃料燃烧器、和涡轮发电机。这种加压SOFC/涡轮机混合发电系统具有高电效率和低排放等优点。可以是微型涡轮机(MT)或者燃气轮机(GT)的涡轮机用以对空气加压并且向SOFC发电机提供空气，同时SOFC发电机提供热能以使MT/GT发电机进行工作。包括SOFC发电机和MT/GT发电机组合的设备的功率输出为SOFC与MT/GT发电机的电力输出之和。
所述SOFC与MT/GT发电机在热和操作方面高度相连。尽管用于控制燃料电池和燃料电池发电机中的热平衡的各种方法策略是已公知的，但是这种连接使得难以在SOFC/涡轮机混合发电系统中应用这些方法策略。使得对这些发电系统的控制进一步复杂化的事实为所述发电机的输出还必须能够按照需用负载进行分配。这些控制要求必须总是得到满足并且必须响应于外部扰动和局部瞬态。
发明内容
因此，在本发明的一些构造中，提供一种操作加压固体氧化物燃料电池/涡轮机(SOFC/涡轮机)混合发电系统的方法，其中所述混合发电系统包括SOFC发电机和涡轮发电机。所述方法包括根据功率需求量控制流至SOFC/涡轮机混合发电系统的空气流量，并且利用从SOFC发电机中引出的电流调节SOFC发电机温度。
本发明的一些构造中提供了一种发电系统，所述发电系统包括具有加压SOFC发电机、未反应燃料燃烧器和涡轮发电机的SOFC混合设备。SOFC和涡轮发电机被构造用以提供SOFC混合设备的总和功率输出。还设置被构造用以达到SOFC混合设备负载要求同时保持对SOFC发电机和未反应燃料燃烧器的温度约束的系统控制装置。
本发明的一些构造中还提供了一种用于包括SOFC发电机、涡轮发电机和未反应燃料燃烧器的混合发电设备的系统控制装置。所述系统控制装置被构造用以冷却SOFC发电机从而保持预定的SOFC温度设定值并且在涡轮发电机中气流发生变化的过程中保持一定的喘振裕度(margin)。
应意识到，根据本发明的各种构造根据所需负载提供了SOFC和涡轮发电机之间的受控的协调操作，同时还提供了令人满意的热管理。
附图说明
图1是根据本发明的发电系统的一种典型构造的框图。
图2为示出了根据本发明的一种供电构造中的电流密度与功率密度间的关系的曲线图。
具体实施方式
在根据本发明的一些构造中并且参见图1，设置固体氧化物燃料电池(SOFC)/涡轮机混合发电系统10，其中同时提供对固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机14温度的控制和对整个功率系统的电功率的控制。在这些构造中，混合发电系统10能够跟随所需的电功率输出28，同时提供对系统热管理和效率的控制。
在本发明的一些构造中，加压SOFC/涡轮机发电系统10使固体氧化物燃料电池发电机14与涡轮发电机16相结合，所述涡轮发电机包括具有高电效率和低排放等优点的混合型发电设备12中的微型涡轮机(MT)或者燃气轮机(GT)等涡轮发电机16。涡轮机16用以对空气加压并且向SOFC发电机14提供空气，同时后者提供热能以使涡轮发电机16进行工作。SOFC发电机14与涡轮发电机16在热和操作方面高度相连。因此，在根据本发明的一些构造中设置用以实施控制方法的系统控制装置20以协调它们之间的操作。设备功率输出18为SOFC发电机14与涡轮发电机16的电力输出之和。SOFC发电机14与涡轮发电机16的输出按照需用负载并且根据混合发电系统10的一部分的混合发电设备12的热管理进行分配。这些控制要求必须总是得到满足并且必须响应于外部扰动和局部瞬态。
更具体而言，本发明的多种构造允许加压SOFC/涡轮机混合发电系统能够稳定地跟随所需系统功率设定值28，同时保持关键参数位于给定限值范围内。SOFC发电机14在较窄的温度窗口内可靠且高效地进行工作。设置系统控制装置20从而平衡SOFC发电机14的需求和用户或多个用户所需的功率输出。对例如反应物、温度、压力和/或部件电输出进行调节。在一些构造中，控制燃料流量、空气流量、SOFC发电机的燃料利用率、MT/GT转速、MT/GT功率和/或SOFC发电机的电流。空气流量与MT/GT发电机的功率输出是相关的，从而使得在一些构造中，SOFC发电机14与涡轮发电机16之间的功率分配受到SOFC发电机14热管理的约束。SOFC发电机14的功率是所需电流以及燃料利用率、温度和压力地强函数(strong function)。
在根据本发明的一些构造中设置系统控制装置20用以成功地达到负载要求，同时保持对燃烧器例如未反应燃料燃烧器(UFC)22中未使用的SOFC发电机14中的燃料的燃烧的温度约束。在根据本发明的一些构造中，设置更低级的控制回路38并且通过PI控制装置或其它适当的反馈控制结构进行实施。
在一些构造中且还是结合图1，空气流量控制装置24使系统的响应时间受到限制，由此在空气流量发生变化的过程中保持足够大的MT/GT压缩机喘振裕度。由于用于具有SOFC发电机14的增大容积、歧管装置和置于MT/GT压缩机排出口与膨胀器进口(图中未示出)之间的其它热管理部件(图中未示出)的混合设备12所需的喘振裕度，因此设置空气流量控制装置24。在根据本发明的一些构造中，系统控制装置20包括：
(1)被构造用以确定作为系统功率需求量28的函数的空气流量设定值的空气流量设定值控制装置26；
(2)被构造用以根据空气流量设定值确定(即控制)涡轮机转速的空气流量控制装置24；
(3)被构造用以确定和发出MT/GT发电机功率指令，由此实现所要求转速的涡轮机转速控制装置30；
(4)被构造用以根据空气流量确定和发出用于SOFC发电机14的电流指令，从而由此冷却SOFC发电机14进而保持预定的SOFC温度设定值34的SOFC发电机电流控制装置32；
(5)被构造用以根据电流需求确定燃料流量以达到所需燃料电池功率，同时保持对燃烧器22中的未使用的SOFC发电机中的燃料的燃烧的温度约束的燃料利用率控制装置36；和
(6)被构造用以调节更低级别的控制功能，例如对温度、旁通阀、燃料控制阀、功率电子设备等的控制，的更低级别的控制回路38。
使用从SOFC发电机14中引出的电流对一些构造中的流至SOFC混合发电设备12的空气流量进行控制，从而调节SOFC发电机14的温度。根据功率需求量输送空气流并且所述空气流量被确定为工作温度的函数。
SOFC发电机14的功率输出为引出的电流与SOFC发电机14工作电压之积。由此，在根据本发明的一些构造中电压得到调节，从而使得总的设备功率输出18与所需求的功率输出相匹配。燃料利用率控制装置36被用作调节装置以改变SOFC燃料流量，从而输出所需的系统功率。在根据本发明的一些构造中，通过在一个标称值附近变化燃料利用率从而增大或减小SOFC发电机14的工作电压，而设置SOFC发电机14的功率调节装置。
在根据本发明的一些构造中进行系统级别优化。图2是功率密度对电流密度的曲线图，图中示出了在根据本发明的一种构造中在各种燃料利用率的条件下得到的SOFC发电机14的作业线100，102和104的曲线图。在一些构造中进行优化，所述优化操作使得引出的电流与燃料利用率达到平衡，从而最大化，或者至少增大燃料效率和控制温度，同时输送出恒定的功率输出。例如，如果所示出的构造在如状态点106所示的电流密度和燃料利用率条件下进行工作，那么通过使电流密度和燃料利用率设定值移动至如状态点108所示的点处，从而增大SOFC发电机14的温度(这是因为SOFC发电机14所产生的热量为电流密度的强函数)。所述系统的用户将继续接收如所需相同大小的功率，但是SOFC发电机14将会在其性能优化表面附近进行移动。如果优化需要更高的SOFC发电机14温度，那么电流密度和燃料利用率设定值则增加至如状态点110所示的点处。通过按照这种方式进行操作并且继续在恒定的SOFC发电机负载需求线附近进行移动，图1所示的SOFC/涡轮机混合发电系统构造使其性能得到最优化。
由此将意识到，根据本发明的各种构造能够跟随所需电功率输出，同时提供对系统热管理和效率的控制。
虽然已结合多种具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员会意识到可采用在所附技术方案的精神和范围内的变型实践本发明。
零件表
混合发电系统                      10
混合发电设备                      12
SOFC发电机                        14
涡轮发电机                        16
设备功率输出                      18
系统控制装置                      20
燃烧器(UFC)                       22
空气流量控制装置                  24
空气流量设定值控制装置            26
电功率输出                        28
涡轮机转速控制装置                30
SOFC发电机电流控制装置            32
预定的SOFC温度设定值              34
利用率控制装置                    36
低级别的控制回路                  38
作业线                            100
作业线                            102
状态点                            106
状态点                            108
状态点所表示的部分                110