固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环三重复合动力系统流程模拟与性能优化

摘要

中国是世界最大的能源消费国，占全球消费总量的23％，但能源综合利用效率普遍较低。据统计，美国的能源效率高达60％，欧洲超过60％，其它发达国家的平均水平为50％，而中国仅为33％。另一方面，中国单位GDP的能耗是世界平均水平的3.2倍，其中50％以上的工业能耗以热能的形式耗散，温度在350℃以下的低品位余热在工业过程中普遍存在。如何实现能源系统向清洁、低碳、高效的方向转型成为中国当前面临的最大问题之一。
　　近年来，随着集中式供能弊端的逐渐显露，以燃料电池、有机朗肯循环、热电联产为代表的一系列新兴分布式能源技术逐渐成为国内外关注的焦点。其中，固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力循环因其高效、清洁、燃料多样、发电规模灵活等特点备受亲睐。而有机朗肯循环(ORC)作为回收低品位热能的一种重要方式，也在工业余热发电及太阳能、地热、生物质能等低温发电领域得到了广泛应用。将SOFC-GT混合发电与ORC进行耦合形成一体化的SOFC-GT-ORC三重复合动力系统，通过系统集成和流程改进实现能量的综合梯级转换与高效清洁利用，与常规发电技术相比具有效率高、排放低、发电规模灵活、适合联产联供等诸多优势。
　　SOFC-GT-ORC是一个多控制变量的复杂能量转化系统，由多个具有不同技术特性的子系统和单元设备耦合而成，系统的结构、部件的参数设置、部件之间的相互耦合以及整体循环的一体化控制与调节都需要进行详细的研究和设计。本论文以此为背景，对SOFC-GT-ORC三重复合动力循环进行一体化的系统集成分析。依托gPROMS模拟仿真平台，对SOFC-GT与ORC的耦合方案及系统构形设计进行研究，并通过详细的流程模拟开展全工况的仿真计算与性能分析，透彻了解系统的运行机理，分析各种参量对系统性能的影响，研究其关键的工程特性，并由此探讨其最优设计和运行方案。主要内容及安排如下:
　　第一章对工业余热利用技术和有机朗肯循环的研究背景及发展现状进行介绍。
　　第二章对燃料电池与燃气轮机耦合而成的SOFC-GT混合系统进行分析与讨论。
　　第三章对有机朗肯循环进行数学建模，并对亚临界与超临界两种工况下有机朗肯循环的系统性能进行分析与对比。
　　第四章结合gPROMS过程模拟软件对SOFC-GT-ORC三重复合动力循环进行构型设计。
　　第五章基于gPROMS一体化模型对SOFC-GT-ORC的性能特性进行研究，分析关键参数对系统电效率、输出功率等的影响，并进行参数优化分析。
　　第六章研究系统的余热回收方式，对不同系统构型下SOFC-GT-ORC的性能参数进行分析和对比。
　　第七章对适用于有机朗肯循环的不同类别余热回收换热工质进行讨论和对比分析。
　　第八章概括全文的主要结论和存在的不足，对下一步研究提出设想与展望。
　　本文完成了对SOFC-GT与超临界ORC的耦合方案设计及系统性能优化的研究，提出了几种新型的SOFC-GT-ORC系统构形，获得的一些新结果揭示了耦合系统的一般性能特性，给出了一些关键工作参数的优化判据，可为SOFC-GT-ORC及同类复合动力循环系统的优化设计与运行提供理论指导和参考依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 余热资源分类

1．2 余热利用技术

1．3 有机朗肯循环技术的研究进展

1．4 超临界流体技术的研究及应用

1．5 燃料电池-燃气轮机混合发电技术的研究进展

1．6 本文的研究意义和创新点

第二章 固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合系统

2．1 固体氧化物燃料电池(SOFC)

2．2 燃气轮机(GT)

2．3 固体氯化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合系统

第三章 有机朗肯循环(ORC)

3．1 ORC系统的数学模型

3．2 亚临界有机朗肯循环蒸发器数学模型

3．2．1 蒸发器预热段数学模型

3．2．2 蒸发器蒸发段数学模型

3．2．3 蒸发器过热段数学模型

3．3 超临界有机朗肯循环加热器模型

3．4 透平数学模型

3．5 回热器数学模型

3．6 冷凝器数学模型

3．7 工质泵数学模型

3．8 ORC系统求解算法

第四章 SOFC-GT-ORC联合循环的gPROMS流程模拟

4．1 联合系统描述

4．2 流程模拟仿真软件gPROMS

4．3 SOFC-GT-ORC联合循环的gPROMS模拟

第五章 联合系统性能分析

5．1 SOFC-GT子系统性能分析

5．1．1 燃料流率对SOFC-GT系统的影响

5．1．2 空气流率对SOFC-GT系统的影响

5．1．3 透平1膨胀比对SOFC-GT系统的影响

5．1．4 燃料电池工作温度对SOFC-GT系统的影响

5．2 ORC子系统性能分析

5．2．1 燃料流率对ORC系统的影响

5．2．2 空气流率对ORC系统的影响

5．2．3 透平1膨胀比对ORC系统的影响

5．2．4 透平2膨胀比对ORC系统的影响

5．2．5 回热器UA值对ORC系统的影响

5．2．6 分流器分流系数对ORC系统的影响

5．2．7 燃料电池工作温度对ORC系统的影响

5．3 SOFC-GT-ORC联合系统性能分析

5．3．1 燃料流率对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．2 空气流率对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．3 透平1膨胀比对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．4 透平2膨胀比对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．5 回热器的UA值对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．6 分流器分流系数对SOFC-GT-ORC系统的影响

5．3．7 燃料电池工作温度对SOFC-GT-ORC系统的影响

第六章 不同循环构型下联合系统的性能对比

6．1 联合系统的构型布局

6．2 联合系统1

6．3 联合系统2

第七章 有机工质性能对比分析

7．1 有机朗肯循环工质研究进展

7．2 工质的分类

7．3 理想有机朗肯循环工质的特性

7．4 有机工质的应用

7．5 超临界有机朗肯循环工质选择

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 下一步工作展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢