具有碳捕集的SOFC/GT和压缩空气储能混合发电系统特性研究

摘要

作为一种高效、低排放的电化学发电装置，固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)对解决全球能源危机与环境污染问题具有重要意义。它不仅具有发电效率高、余热利用价值高、燃料种类丰富、污染物排放少以及易于CO2的富集与分离等优点，还可应用于天然气发电和洁净煤发电技术，也特别适合与燃气轮机(Gas turbine，GT)构成高效清洁的SOFC/GT混合发电系统。SOFC/GT作为实现Vision21计划目标的关键技术之一，其排放的尾气仍具较高的余热利用价值。因此，通过引入余热锅炉-蒸汽轮机系统(Heat recovery steam generator-Steam turbine，HRSG-ST)对SOFC/GT系统尾气进行余热利用，可以有效提高整个系统的能源利用效率，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　压缩空气储能（Compressed air energy storage，CAES）技术可有效解决间歇性可再生能源发电并网难和低谷电能得不到充分利用等问题。为了保证SOFC/GT的稳定可靠运行，有效避免在变负荷运行时由于系统参数变化导致的材料热应力变化等问题对SOFC/GT系统的稳定可靠性造成不利影响，论文通过将CAES和CO2捕集系统引入SOFC/GT而构成了一种具有CO2捕集(Carbon Capture and Storage，CCS)的SOFC/GT与压缩空气储能混合发电系统。该系统可充分发挥SOFC/GT发电系统的高效、清洁与CAES的削峰填谷、负荷跟踪等优点，可有效保障整个混合发电系统的安全可靠稳定运行。
　　本文主要研究内容:
　　1.通过Aspen Plus软件对管式固体氧化物燃料电池进行建模和模拟研究，并将模拟结果与参考文献中的实验数据对比分析，验证该SOFC模型的准确可靠性，为整个混合发电系统的模拟研究创造条件。
　　2.基于Huntorf的CAES电站运行参数，通过Aspen Plus分别建立典型CAES系统、带回热器的CAES系统和AA-CAES系统的模型，在保持系统设备和工质初始参数不变的情况下，研究不同CAES系统的性能参数，通过分析对比选择适合与SOFC/GT混合发电集成的压缩空气储能系统。
　　3.建立1MW级的SOFC/GT/ST零排放混合发电系统模型，模拟计算系统状态参数和系统性能，并分别研究SOFC的运行压力、燃料利用率、蒸汽碳比以及电流密度等参数变化对系统性能的影响，以便确定混合发电系统的最优运行参数。
　　4.基于南京某高校校区的日用电负荷变化情况，针对该校区设计并建立具有CO2捕集的SOFC/GT和CAES混合发电系统。根据负荷的变化，进行各个动力设备的负荷分配，使系统能够逐时跟踪负荷变化并满足负荷需求。在此基础上，分析并比较四个不同配置的混合发电系统的性能参数，研究CAES和CCS的引入对整个混合发电系统性能的影响。
　　通过上述研究，论文得到了如下主要结论:
　　1.SOFC模型的模拟结果准确可靠，可以满足SOFC本体模拟要求，为混合发电系统的模拟计算提供了基础;
　　2.三代CAES系统中，带回热的CAES系统输出功率高，且储能效率高于传统CAES系统，更适合与SOFC/GT进行耦合集成，可在较宽负荷变化范围内稳定可靠的运行，为后续SOFC/GT和CAES混合发电系统的研究提供了基础;
　　3.构建的1MW级CO2近零排放的SOFC/GT/ST混合发电系统的发电效率可高达73.5％，提高SOFC的工作压力、燃料利用率以及减小电流密度有助于提高整个混合发电系统的发电功率与效率;
　　4.构建的具有CO2捕集的SOFC/GT和压缩空气储能的混合发电系统，有效提高了整个系统的能源综合利用效率和大范围变负荷运行的安全可靠性，并实现了CO2的有效捕集，具有高效、运行安全可靠和环境友好等优点。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 固体氧化物燃料电池研究综述

1．2．1 SOFC的优点与不足

1．2．2 SOFC／GT的研究综述

1．3 压缩空气储能系统研究现状

1．3．1 现有示范电站及其现状

1．3．2 国内外研究现状

1．4 CO2捕集与封存技术综述

1．5 本文主要研究内容

第二章 固体氧化物燃料电池堆本体模拟

2．1 SOFC工作原理及构造

2．1．1 工作原理

2．1．2 电池结构

2．2 SOFC电池堆模拟

2．2．1 模型流程

2．2．2 电化学计算模型

2．3 模型验证

2．3．1 计算条件

2．3．2 模拟结果及验证

2．4 本章小结

第三章 压缩空气储能系统模拟分析

3．1 压缩空气储能系统概述

3．1．1 工作原理与系统构成

3．1．2 CAES的分类

3．1．3 系统性能评价指标

3．2 CAES系统模拟

3．2．1 Huntorf电站运行参数

3．2．2 三种CAES系统模拟

3．3 三种CAES系统性能分析

3．4 本章小结

第四章 CO2近零排放的SOFC／GT／ST混合发电系统特性研究

4．1 系统模型

4．1．1 压缩机与透平

4．2 系统基本组成

4．2．1 余热锅炉与蒸汽轮机系统

4．2．2 CO2压缩捕集

4．2．3 后燃烧室

4．3 系统模拟与结果分析

4．3．1 模拟条件

4．3．2 模拟结果

4．4 变工况分析

4．4．1 SOFC燃料利用率Uf

4．4．2 蒸汽碳比

4．4．3 运行压力

4．4．4 电流密度

4．5 本章小结

第五章 具有碳捕集的SOFC／GT和压缩空气储能的混合发电系统特性研究

5．1 SOFC／CAES工作原理

5．1．1 工作原理

5．1．2 用户用电负荷日变化

5．2 具有碳捕集的SOFC／GT和CAES混合发电系统介绍

5．2．1 CAES系统

5．2．3 CO2压缩回收

5．2．4 系统性能指标

5．3 系统模拟与结果

5．3．1 模拟条件

5．3．2 模拟结果

5．4 系统比较

5．4．1 系统介绍

5．4．2 性能比较

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况