基于SOF/CT的冷热电联合循环系统的特性研究

摘要

本文提出将中低温余热回收系统引入SOFC/GT混合发电系统，实现能量梯级利用和冷热电联供，大大提高能量利用效率，并且通过对SOFC/GT混合发电系统和中低温余热回收系统进行改进可进一步实现系统节能减排。本文建立系统热力性能的数学模型，根据热力学第一定律和第二定律，利用EES软件仿真模拟对系统进行能量分析和(炯)分析。
　　引用Kalina循环回收传统SOFC/GT混合发电系统烟气余热构建成新的SOFC/GT/KCS联合循环发电系统。研究结果表明，在设定工况下，SOFC的发电效率为49.2％，系统发电效率为67.6％，系统总(炯)效率为68.16％;系统的各部件中，(炯)损失较大的部件依次为SOFC、后燃烧室、燃气轮机、预热器3和余热锅炉;当燃料利用率为0.85时联合循环系统的性能最佳;在一定范围内，随着空气流率、燃料流率或水蒸汽碳比的增加，联合循环系统的能量利用效率均降低。
　　引用Kalina循环回收改进型SOFC/GT混合发电系统烟气余热构建成新的由双SOFC驱动的联合循环发电系统，与传统SOFC/GT混合发电系统相比，改进型SOFC/GT混合发电系统将SOFC1阳极排气中的H2经膜法分离氢装置分离后，经过冷凝加压和预热，然后送入SOFC2阳极进行电化学反应，可有效增大系统参加电化学反应的H2的量，提高系统燃料的能量利用率。研究结果表明，在设定工况下，SOFC的发电效率为58.88％，比基准系统高出9.78个百分点;系统发电效率为72.75％，比基准系统高出2.75个百分点;系统(炯)效率为72.6％，比基准系统高出5.12个百分点;系统的各部件中，(炯)损失较大的部件依次为SOFC1、燃气轮机、余热锅炉、后燃烧室和预热器3;在一定范围内，增大SOFC2的燃料利用率和水蒸汽碳比可使得联合循环系统的能量利用效率提高，减小SOFC1的燃料利用率也可使得联合循环系统的能量利用效率提高。
　　为提高SOFC发电效率，本文将富氧空气送入SOFC的阴极;电化学反应后，SOFC的阴极排气仍有较高的氧浓度，为便于阴极出口处的富氧空气的捕集，同时提高后燃室出口温度，本文改进了SOFC/GT混合发电系统，同时构建出新的双热源Kalina循环回收改进后SOFC/GT混合发电系统的余热构建出新的联合循环发电系统。研究结果表明，在设定工况下，SOFC的发电效率为51.07％，比基准系统高出1.42个百分点;系统发电效率为73.24％，比基准系统高出3.37个百分点;系统(炯)效率为67.82％，比基准系统高出3.42个百分点;系统的各部件中，(炯)损失较大的部件依次为余热锅炉1、燃气轮机1、SOFC、余热锅炉2和后燃烧室;在参数研究的范围内，提高富氧空气的氧浓度和SOFC的燃料利用率，可提高联合循环系统性能;在一定范围内，增大送入后燃室的SOFC的阴极排气分流比可使联合循环系统的能量利用率降低;另外，在参数研究的范围内，存在最佳的水蒸汽碳比(2.053)使得联合循环系统的热效率和(炯)效率最大，存在最佳的燃料流率(4.421 mol/s)使得联合循环系统的热效率和(炯)效率最大，存在最佳的空气流率(81.05mol/s)使得联合循环系统的热效率和(炯)效率最大。
　　引入以氨水为工质的功冷联供系统回收传统SOFC/GT混合发电系统烟气余热可实现联合系统的功冷联供。为实现热电联供，本文将可调节供热量的热电联供蒸气循环引入SOFC/GT混合发电系统，构建成新的SOFC/GT/ST热电联供系统。研究结果表明，在设定工况下，SOFC发电效率49.7％，系统热效率为68.96％，(炯)效率为73.4％，系统的各部件中，(炯)损失较大的部件依次为燃气轮机、余热锅炉、后燃烧室、SOFC和预热器3。

目录

声明

摘要

主要符号表

1．绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 燃料电池的分类

1．1．2 SOFC/GT的现状及发展

1．2 中低温余热回收概述

1．2．1 有机朗肯循环简介

1．2．2 Kalina循环系统简介

1．2．3 氨功冷联供系统简介

1．3 SOFC/GT分布式供能的现状

1．4 EES简介

1．5 本文主要研究内容

1．6 本章小结

2．主要部件的数学模型

2．1 固体氧化物燃料电池

2．1．1 电化学模型

2．1．2 热力学模型

2．2 后燃烧室

2．3 换热器

2．4 余热锅炉

2．5 气体分离膜装置

2．6 其它部件

2．7 本章小结

3．Kalina循环系统

3．1 Kalina循环系统34系列

3．1．1 KCS34原理

3．1．2 KCS34-a和KCS34-b

3．1．3 KCS34-g和KCS34-h

3．2 Kalina循环系统11系列

3．2．1 KCS11原理

3．2．2 KCS11性能

3．3 中温Kalina循环系统

3．3．1 中温Kalina循环原理

3．3．2 改进型Kalina循环性能

3．4 本章小结

4．SOFC/GT/KCS联合循环发电系统

4．1 引言

4．2 系统原理

4．3 额定性能

4．4 变工况性能

4．4．1 空气流率

4．4．2 燃料利用率

4．4．3 燃料流率

4．4．4 压气机压比

4．4．5 蒸汽碳比

4．5 本章小结

5．双SOFC驱动的联合循环发电系统

5．1 引言

5．2 系统描述

5．3 额定性能

5．4 变工况性能

5．4．1 SOFC1入口温度

5．4．3 SOFC2燃料利用率

5．4．4 蒸汽碳比

5．4．5 燃料流率

5．4．6 空气流率

5．5 本章小结

6．基于SOFC/GT的双热源Kalina循环联合系统

6．1 引言

6．2 系统原理

6．3 额定性能

6．4 变工况性能

6．4．1 富氧空气的氧浓度

6．4．2 流向后燃室的SOFC阴极排气分流比

6．4．3 燃料利用率

6．4．4 蒸汽碳比

6．4．5 燃料流率

6．4．6 空气流率

6．5 本章小结

7．SOFC/GT功冷联供系统

7．1 引言

7．2 基本氨动力/制冷SOFC/GT的联供系统

7．2．1 系统原理

7．2．2 额定性能

7．3 分馏冷凝氨动力/制冷SOFC/GT的联供系统

7．3．1 系统原理

7．3．2 额定性能

7．4 SOFC/GT复叠式功冷联供系统

7．5 本章小结

8．基于膜分离技术的低碳排放功冷联供系统

8．1 引言

8．2 系统原理

8．3 额定性能

8．4 本章小结

9．SOFC/GT/ST热电联供系统

9．1 引言

9．2 系统原理

9．3 额定性能

9．4 本章小结

10．总结与展望

10．1 总结

10．2 本文的不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果