一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统及其运行策略的利记博彩app

本发明涉及燃料电池发电技术领域，特别是一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统及其运行策略。

背景技术：

沼气是一种优质的可再生资源，主要成分是甲烷和二氧化碳，通常由工业、农业或者城镇生活中的大量有机废弃物经过厌氧发酵产生。合理利用沼气资源可以实现良好的废物利用、减少环境污染、节约能源。由于沼气池一般会紧挨生活区建立，因此将沼气直接燃烧用作居民生活所需是目前沼气的一种重要用途。然而将沼气直接燃烧利用能量利用率较低、能量利用范围较窄，因此将沼气作为分布式能源进行发电越来越被大众所重视。利用沼气进行分布式发电可以提高沼气的能量利用率、减少沼气直接燃烧产生的污染物，是沼气未来的一种重要利用途径。

沼气的发电技术主要包括沼气内燃机、燃气锅炉、沼气燃料电池等。其中，固体氧化物燃料电池（sofc）由于其燃料适应性广、高效、清洁、安静的特点，非常适合沼气的分布式发电利用。固体氧化物燃料电池（sofc）是一种能够在中高温下（600℃~1000℃）将碳氢燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置。因其在能量转化的过程中不经过燃烧、机械转动等过程，相比于其他的沼气发电技术，sofc具有更高的发电效率，能够稳定、持续输出电流，并同时进行供热。但由于分布式发电并网会给电网带来一定的不确定性，容易使得根据原有配电网设计的保护装置产生错误动作，影响电力保护设备间的协调运行，造成原有电网中相关设备的损坏，因此沼气燃料电池发电技术作为一种重要的分布式发电技术，其发电并网在现阶段有一定的困难。

近年来，能源互联网越来越受到人们的重视，是未来能源系统的重要方向。能源互联网是以互联网为基础，以电力系统为中心，具有多网耦合、多源互补、双向互动等特点的能源服务网络。能源互联网中“源-网协调”的运营模式也提高了电网对分布式电源的接纳能力，突出了不同分布式电源之间的互补协调性，降低接纳新能源电力给电网安全稳定运行带来的不利影响。这样的特点为沼气燃料电池技术等分布式发电技术并网难的问题提出了很好的解决途径。同时，沼气燃料电池技术调节速度快、调节范围大、电流输出稳定的特点也非常符合能源互联网“源-源互补”、“源-网协调”的运营模式。

2016年12月，能源局印发的《能源发展“十三五”规划中》提到，未来我国能源发展的主要任务中，在能源系统优化方面，要“因地制宜推广天然气热电冷三联供、分布式可再生能源发电”，同时在能源供给端的改革要“推动沼气发电、生物质气化发电”等等，能源互联网的推进及沼气的高效利用达到了一个重要的高度。但目前我国的分布式发电市场化程度较低，发展依然缓慢，在这样的政策下，加快分布式发电市场化的推进已经势在必行。采用沼气生物质发电等作为调节性电源可以增加分布式发电的类型和规模，推进其市场化建设。将沼气燃料电池技术作为一种分布式发电技术纳入能源互联网中，不仅拓宽了沼气的利用途径，节能环保，又可以丰富能源互联网互联协调、互补协同的形式，是解决沼气分布式发电并网难的问题的一种可行方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统。

本发明采用的技术方案如下：一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统，具体包括空气供应子系统、沼气供应子系统、水供应子系统、空气换热器、沼气换热器、水蒸发器、水加热器、重整器、固体氧化物燃料电池子系统、燃烧器和电能输出子系统，所述空气供应子系统连接空气换热器，所述沼气供应子系统连接沼气换热器，所述水供应子系统分别连接水蒸发器和水加热器，所述空气换热器依次连接沼气换热器、水蒸发器和水加热器，所述水加热器还分别连接沼气供应子系统和热网，所述沼气换热器和水蒸发器分别连接重整器，所述空气换热器和重整器分别连接固体氧化物燃料电池子系统，所述固体氧化物燃料电池子系统连接燃烧器再连接空气换热器，所述固体氧化物燃料电池子系统连接电能输出子系统的一端，所述电能输出子系统的另一端连接电网。

进一步的，所述空气供应子系统包括依次连接的鼓风机和空气控制阀，所述空气控制阀连接空气换热器。空气经过空气换热器预热后进入固体氧化物燃料电池子系统的阴极参与电化学反应。

进一步的，所述沼气供应子系统包括依次连接的沼气池、沼气控制阀和脱硫器，所述脱硫器连接沼气换热器，所述水加热器连接沼气池。沼气从沼气池引出后，通过沼气控制阀控制流量，随后进入脱硫器进行常温脱硫处理，随后进入沼气换热器进行加热，加热至重整反应所需温度，随后进入重整器，在重整器中与水蒸气混合进行重整反应，反应后的混合气体进入固体氧化物燃料电池子系统的阳极参与电化学反应。所述脱硫器为常温常压脱硫器，采用包括醇胺脱硫技术在内的常温脱硫技术，所述重整器为常压重整器。

进一步的，所述水供应子系统包括依次连接的水管、水控制阀和水净化器，所述水净化器连接水蒸发器，所述水控制阀连接水加热器。水从水管中引出后进入水控制阀，在水控制阀中分成两路，一路进入水净化器，在水净化器中去除水中的杂质和离子，进入水蒸发器，在水蒸发器中加热至水蒸气状态，再进入重整器发生重整反应。另一路水进入水加热器，在水加热器中加热至热网所需温度，最后进入热网供热。

进一步的，所述电能输出子系统包括依次连接的电压变换单元和逆变单元，所述固体氧化物燃料电池子系统连接电压变换单元，所述逆变单元连接电网。所述固体氧化物燃料电池子系统输出的直流电通过电压变换单元对电压进行升高和稳定等操作，再通过逆变单元转换为符合要求的交流电，最后输出到电网中。

本发明还公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统的运行策略，具体包括以下过程：步骤s1，中央控制系统监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，环境监测站收集实时环境信息，并建立电网及热网的生产量与消费量之间的函数关系ⅰ，根据函数关系ⅰ判断电网或热网负荷是否产生波动，根据实时环境信息计算负荷的波动范围和持续时间，如果波动持续时间长于沼气燃料电池系统的响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，调节沼气池控制阀增大或者减小的流量，降低沼气燃料电池系统输出给电网和热网的电量和热量，平衡电网和热网的负荷；步骤s2，中央控制系统接收实时环境信息，得到实时环境信息与电网及热网的生产量和消费量之间的函数关系ⅱ，根据函数关系ⅱ以及未来几天的环境信息预测未来几天电网及热网的生产量和消费量，判断该预测结果之间的关系，如果生产量大于消费量，则调节沼气控制阀减少沼气流量，如果生产量小于消费量，则调节沼气控制阀增加沼气流量。

进一步的，所述步骤s1的具体过程为过程：步骤s11、监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，得到能源互联网中电能和热能的生产量及消费量随时间的函数关系ⅰ，同时环境监测站收集备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息；步骤s12、中央控制系统通过步骤s11中生产量及消费量随时间的变化关系以及实时环境信息分析电网或热网中产生负荷波动的原因，在此基础上计算并计算负荷的波动范围和持续时间；步骤s13、中央控制系统判断持续时间与沼气燃料电池系统动态响应时间的关系，对系统做出相应的调节：（1）若波动持续时间长于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，调节沼气池控制阀增大或者减小的流量，降低沼气燃料电池系统输出给电网和热网的电量和热量；（2）若预测波动持续时间短于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，采用备用的分布式电源的调节方式，重新平衡电网和热网的负荷；步骤s4、中央控制器发出调节沼气流量的指令，平衡电网和热网的负荷过程中，在沼气燃料电池系统的响应时间内持续监测电网和热网，并判断是否达到负荷平衡状态，若负荷未达到平衡状态，重新计算负荷的波动范围及持续时间，反馈至步骤s13进行循环操作；若负荷达到平衡状态，则停止相应的调节措施。

进一步的，所述备用的分布式电源包括太阳能发电站、风力发电站、沼气燃料电池系统、储能单元。所述备用的分布式电源的调节方式包括打开储能单元进行充放电操作。

进一步的，所述步骤s2的具体过程为：步骤s21、接收环监测站收集的包括太阳能发电、风力发电在内的分布式电源周边的实时环境信息，以及用户端周边的实时环境信息；步骤s22、根据所收集的实时环境信息与步骤s11中得到的备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息，将分布式电源总发电发热量、用户端消费的电量和热量进行比对，建立该区域能源互联网分布式电源周边实时环境信息与电网及热网生产量和消费量之间的函数关系ⅱ；步骤s23、根据所收集的实时环境信息，与历史同时期的环境信息进行比对，建立未来几天环境信息的预测模型，预测未来几天分布式电源及用户端周边的环境信息；步骤24、根据函数关系ⅱ和步骤23中未来几天的环境信息变化预测未来几天该区域能源互联网的发电发热量和用电用热量；步骤25、根据步骤s24中的预测结果判断电网及热网的负荷平衡，对沼气燃料电池做出相应的沼气流量进行如下调节：（1）若预测的总发电发热量小于用电用热量，则调节沼气控制阀缓慢增大沼气流量，增加沼气燃料电池系统的发电发热量；（2）若预测的总发电发热量大于用电用热量，则调节沼气控制阀缓慢减少的沼气流量，降低沼气燃料电池的发电发热量。

进一步的，所述实时环境信息包括当地环境温度、湿度、光照强度、光照时间、风速、风向信息。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

（1）实现了沼气的高效、清洁利用以及分布式热电联供；

（2）实现了沼气燃料电池系统尾气能量的梯级利用，除用于加热系统部件、维持系统自运行以外，还用于加热沼气池，维持最佳发酵温度，加快沼气的产生，提高了整个系统的能源利用效率；

（3）提出了基于能源互联网的分布式沼气发电并网的一种解决方案，实现了能源互联网的“源-源互补”、“源-网协调”的运营模式，提高了能源互联网的稳定性。

附图说明

图1是本发明基于能源互联网的沼气燃料电池系统的结构示意图。

图2是本发明区域能源互联网系统的基本工作框架示意图。

图3是本发明沼气燃料电池系统在能源互联网中的运行策略的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统，具体包括空气供应子系统、沼气供应子系统、水供应子系统、空气换热器5-2、沼气换热器5-3、水蒸发器5-4、水加热器5-5、重整器2-4、固体氧化物燃料电池子系统4-1、燃烧器5-1和电能输出子系统，所述空气供应子系统连接空气换热器5-2，所述沼气供应子系统连接沼气换热器5-3，所述水供应子系统分别连接水蒸发器5-4和水加热器5-5，所述空气换热器5-2依次连接沼气换热器5-3、水蒸发器5-4和水加热器5-5，所述水加热器5-5还分别连接沼气供应子系统和热网3-4，所述沼气换热器5-3和水蒸发器5-4分别连接重整器2-4，所述空气换热器5-2和重整器2-4分别连接固体氧化物燃料电池子系统4-1，所述固体氧化物燃料电池子系统4-1连接燃烧器5-1再连接空气换热器5-2，所述固体氧化物燃料电池子系统4-1连接电能输出子系统的一端，所述电能输出子系统的另一端连接电网6-3。固体氧化物燃料电池子系统4-1的出口未反应完全的气体在燃烧器5-1中进行燃烧，产生的高温烟气从燃烧器引出，在空气换热器5-2中对空气进行加热，随后进入沼气换热器5-3中对沼气进行加热，再进入水蒸发器5-4对水进行加热蒸发，最后进入水加热器5-5对供热用水进行加热，实现对热网3-4进行供热，通过从空气换热器5-2、沼气换热器5-3、水蒸发器5-4和水加热器5-5对气体进行能量梯级利用，实现系统的高效热回收。所述水加热器5-5与所述沼气供应子系统相连接，尾气余热加热沼气池，以维持生产沼气所需温度。固体氧化物燃料电池子系统4-1的阴极和阳极的气体发生电化学反应输出电能，并通过电能输出子系统向电网供电6-3。

所述空气供应子系统包括依次连接的鼓风机1-1和空气控制阀1-2，所述空气控制阀1-2连接空气换热器5-2，鼓风机1-1鼓入空气，通过空气控制阀1-2控制流量。空气进入空气换热器5-2中，与燃烧尾气进行换热，空气被加热至固体氧化物燃料电池子系统4-1所需反应温度（600℃~1000℃），随后进入固体氧化物燃料电池子系统4-1阴极，空气中的o2在固体氧化物燃料电池子系统4-1阴极参与电化学反应。

所述沼气供应子系统包括依次连接的沼气池2-1、沼气控制阀2-2和脱硫器2-3，所述脱硫器2-3连接沼气换热器5-3，所述水加热器5-5连接沼气池2-1。沼气通过沼气控制阀2-2控制其输出流量，进入脱硫器2-3中脱硫，脱硫器2-3中装有的常温脱硫剂如二甲基乙醇胺（dmea）液相脱硫剂等能够在常温常压下有效脱除沼气中含有的h2s成分以及部分有机硫；脱硫后的沼气进入沼气换热器5-3中，与燃烧尾气进行换热，被加热至重整所需温度并进入重整器2-4中，与水蒸气混合。在重整器2-4中镍基催化剂的催化下，沼气中的ch4与h2o气体发生重整反应，重整为ch4、h2、co、co2和h2o的混合气体；混合气体从重整器2-4中输出，进入到固体氧化物燃料电池子系统4-1的阳极；混合气体中的h2、co在固体氧化物燃料电池子系统的阳极参与电化学反应。

所述水供应子系统包括依次连接的水管3-1、水控制阀3-2和水净化器3-3，所述水净化器3-3连接水蒸发器5-4，所述水控制阀3-2连接水加热器5-5。水从水管引出，通过水控制阀3-2分为两路，并分别控制其流量。一路进入水净化器3-3，通过水净化器3-3中的净化剂如活性炭等过滤掉水中的杂质和离子，随后进入水蒸发器，在水蒸发器5-4中被燃烧尾气加热至水蒸气状态；水蒸气从水蒸发器5-4中通过保温管进入重整器2-4，提供重整器2-4中重整反应需要的h2o气体；另一路直接进入水加热器，在水加热器5-5中被燃烧尾气加热至70℃，随后进入热网3-4进行供热。水加热器5-6中实现加热的具体过程：从固体氧化物燃料电池子系统4-1阴极排出的未反应完全的空气和从阳极排出的未反应完全的混合气体进入燃烧器并混合，在燃烧器5-1中点火燃烧。混合气体中的ch4、h2、co被完全消耗，生成主要成分为co2、h2o、o2和n2的高温混合尾气。高温尾气首先进入空气换热器5-2，将鼓风机1-1引入的空气加热至电化学反应所需温度。随后尾气进入沼气换热器5-3中，加热从脱硫后的沼气至重整温度。随后尾气进入水蒸发器中5-4，加热从净化后的水至水蒸气状态。随后尾气进入水加热器5-5中，加热从水管中直接引入的水至70℃。经过多级换热，高温尾气自身被冷却至100℃以下，并进入沼气池2-1的加热管中，维持沼气池厌氧发酵的最佳温度50℃，最后被排入大气中。

所述电能输出子系统包括依次连接的电压变化单元6-1和逆变单元6-2，所述固体氧化物燃料电池子系统4-1连接电压变换单元6-1，所述逆变单元6-2连接电网6-3。在固体氧化物燃料电池子系统4-1中，阳极的混合气体中的h2和co在600℃~1000℃的温度下，与阴极的空气中的o2发生电化学反应，生成co2和h2o，并对外输出电能，输出的的直流电能首先通过电压变换单元6-1进行电压升高和稳定等操作，随后在逆变单元6-2中将直流电转化为符合电网6-3要求的交流电，最后并入电网6-3。

如图2所示，基于区域能源互联网，所述沼气燃料电池系统还能结合源网荷信息，与其他备用的分布式电源相互协调管控。由于包括太阳能、风能在内的很多分布式电源受环境因素影响较大，不便于人为调控，而沼气燃料电池系统可以通过快速定量调节沼气流量来调整产电量与产热量，所以利用沼气燃料电池对能源互联网电网和热网的负荷平衡进行调控是一种很好的方法。一般地，区域能源互联网中的分布式电源包括太阳能发电站、风力发电站、沼气燃料电池系统和储能单元等，不同分布式发电源产生的电能通过控制器并入电网6-3，或从中接受电能。同时，沼气燃料电池系统产生的热水通过控制器并入热网3-4中供热。用户从电网6-3，和热网3-4中取用电能以及热能使用。该区域能源互联网中还包含环境监测站和中央控制系统，环境监测站收集分布式发电源以及用户端周边的环境信息。本发明还公开了一种基于能源互联网的沼气燃料电池系统的运行策略，具体包括以下过程：步骤s1，中央控制系统监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，环境监测站收集实时环境信息，并建立电网及热网的生产量与消费量之间的函数关系ⅰ，根据函数关系ⅰ判断电网或热网负荷是否产生波动，根据实时环境信息计算负荷的波动范围和持续时间，如果波动持续时间长于沼气燃料电池系统的响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，调节沼气池控制阀增大或者减小的流量，降低沼气燃料电池系统输出给电网和热网的电量和热量，平衡电网和热网的负荷；步骤s2，中央控制系统接收实时环境信息，得到实时环境信息与电网及热网的生产量和消费量之间的函数关系ⅱ，根据函数关系ⅱ以及未来几天的环境信息预测未来几天电网及热网的生产量和消费量，判断该预测结果之间的关系，如果生产量大于消费量，则调节沼气控制阀减少沼气流量，如果生产量小于消费量，则调节沼气控制阀增加沼气流量。

如图3所示，所述步骤s1的具体过程为过程：步骤s11、监控基于能源互联网的沼气燃料电池系统的电网和热网的实时负荷信息，得到能源互联网中电能和热能的生产量及消费量随时间的函数关系ⅰ，同时环境监测站收集备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息；步骤s12、中央控制系统通过步骤s11中生产量及消费量随时间的变化关系以及实时环境信息分析电网或热网中产生负荷波动的原因，在此基础上计算并计算负荷的波动范围和持续时间；步骤s13、中央控制系统判断持续时间与沼气燃料电池系统动态响应时间的关系，对系统做出相应的调节：（1）若波动持续时间长于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，调节沼气池控制阀增大或者减小的流量，降低沼气燃料电池系统输出给电网和热网的电量和热量；（2）若预测波动持续时间短于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制器发出调节沼气流量的指令，采用备用的分布式电源的调节方式，重新平衡电网和热网的负荷；步骤s4、中央控制器发出调节沼气流量的指令，平衡电网和热网的负荷过程中，在沼气燃料电池系统的响应时间内持续监测电网和热网，并判断是否达到负荷平衡状态，若负荷未达到平衡状态，重新计算负荷的波动范围及持续时间，反馈至步骤s13进行循环操作；若负荷达到平衡状态，则停止相应的调节措施。

如图3所示，所述步骤s2的具体过程为：步骤s21、接收环监测站收集的包括太阳能发电、风力发电在内的分布式电源周边的实时环境信息，以及用户端周边的实时环境信息；步骤s22、根据所收集的实时环境信息与步骤s11中得到的备用的分布式电源和用户端周边的实时环境信息，将分布式电源总发电发热量、用户端消费的电量和热量进行比对，建立该区域能源互联网分布式电源周边实时环境信息与电网及热网生产量和消费量之间的函数关系ⅱ；步骤s23、根据所收集的实时环境信息，与历史同时期的环境信息进行比对，建立未来几天环境信息的预测模型，预测未来几天分布式电源及用户端周边的环境信息；步骤24、根据函数关系ⅱ和步骤23中未来几天的环境信息变化预测未来几天该区域能源互联网的发电发热量和用电用热量；步骤25、根据步骤s24中的预测结果判断电网及热网的负荷平衡，对沼气燃料电池做出相应的沼气流量进行如下调节：（1）若预测的总发电发热量小于用电用热量，则调节沼气控制阀缓慢增大沼气流量，增加沼气燃料电池系统的发电发热量；（2）若预测的总发电发热量大于用电用热量，则调节沼气控制阀缓慢减少的沼气流量，降低沼气燃料电池的发电发热量。

如图3所示的沼气燃料电池系统在能源互联网中的运行策略，运行策略包括沼气燃料电池对能源互联网系统的实时调控和预测调控，以下用2个实施例分别说明步骤s1中的实时调控和步骤s2中的预测调控的工作方式。其中，实施例1描述了实时调控方式，实施例2描述了预测调控方式。该实施例基于图2所示的区域能源互联网系统的工作框架。

实施例1：中央控制系统持续监测电网和热网的负荷状态，得到电网和热网的负荷平衡曲线。此时，电网和热网的生产负荷开始波动，环境监测站监测到分布式电源周边出现包括风力波动、光照波动等向不利用或有利于电力生产的变化。分布式电源中的太阳能发电系统、风力发电系统等发电量产生波动，导致电网电力生产负荷波动。中央控制系统通过控制器监测到具体分布式电源的波动情况以及周边环境变化情况，计算出此次波动的范围和持续时长。若预测波动持续时间长于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制系统发出调节沼气流量的指令，增大或降低沼气燃料电池的发电发热量，重新平衡电网和热网的负荷；若预测波动持续时间短于沼气燃料电池系统响应时间，中央控制系统采用如蓄电池组充放电等快速响应的分布式调节方式，维持电网和热网的负荷平衡。在此过程中，中央控制系统持续监测电网或热网的波动情况，并调整采取的调节措施，直至达到负荷平衡状态。

实施例2：电网和热网处于负荷平衡状态。中央控制系统持续监测电网和热网的负荷状态，同时，环境监测站收集分布式电源周边的环境实时信息，包括温度、湿度、光照强度、光照时间、风力、风向信息，并传输给中央控制系统。中央控制系统建立电网和热网生产量的实时信息与分布式电源周边的环境实时信息之间的函数关系。随后，环境监测站接收当地气相预报系统发送的未来几天分布式电源周边的环境信息，并传输给中央控制系统。中央控制系统利用此前所建立的函数关系ⅱ以及未来几天分布式电源周边的环境信息预测出未来几天的分布式电源电能和热能生产量的增加或减少的变化趋势。随后，中央控制系统发出调控指令，缓慢增大或减低沼气流量，在未来几天中逐步增加或降低所述沼气燃料电池系统的发电量及发热量，维持电网或热网的负荷平衡状态。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。