以微型燃气轮机为核心的先进能量系统研究

摘要

分布式能源有助于实现能源与环境的协调发展,大电网与分布式能源相结合已成为21世纪电力工业的发展方向。以微型燃气轮机(简称微燃机)为核心的能量系统是分布式能源的主要方式之一。其中,微燃机冷热电联产系统和微燃机与高温燃料电池混合发电系统是以微燃机为核心的能量系统中最具发展前景的两种形式。本文则针对这两种能量系统存在的问题,进行了深入研究,提出了一些改进措施,得到了更为先进的以微燃机为核心的能量系统。
　　 微燃机冷热电联产系统中,冷热电负荷的矛盾使联产系统能量梯级利用的优势无法充分发挥。本文针对这个问题,首先研究了采用怎样的调节方法才能有效缓解这个矛盾。接着提出了回注蒸汽、进气冷却等可解决或者缓解冷热电负荷矛盾的新措施,从而有效地提高了联产系统的性能及效率。进而将回注蒸汽、进气冷却、冷凝水回收等措施集成到联产系统中,得到了更为先进的以微燃机为核心的冷热电联产系统。最后,对冷热电联产系统评价准则进行了探讨,根据冷热电联产系统能量梯级利用的本质特征提出了能量梯级利用效率的新评价准则。
　　 微燃机与高温燃料电池组成的混合发电系统是以微燃机为核心的能量系统中的另一种重要形式,本文以固体氧化物燃料电池/微燃机(SOFC/MGT)顶层循环混合发电系统作为研究重点,对混合发电系统进行了改进研究。首先揭示了SOFC/MGT混合发电系统参数优化的规律,分析了其效率进一步提高的潜力,给出了限制效率进一步提高的主要因素。然后根据使燃料更多的发生电化学反应而更少的发生燃烧反应的思路,提出了两种效率显著提高的混合发电新系统。最后,进行了混合发电系统脱碳的研究,首先对采用常规的氨水吸收法实现CO2准零排放的SOFC/MGT混合发电系统进行了计算分析。然后又在顶层循环的SOFC/MGT混合发电系统的基础上进行改进,提出了具有更高发电效率的CO2准零排放SOFC/MGT混合发电新系统。
　　 本文针对以微燃机为核心的能量系统,从改善系统变工况性能,提高系统效率,提高系统环保性能以及改进系统评价方法等方面提出了一些新颖的思路与方法,研究成果将对我国分布式能源系统的发展提供有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题背景及其意义

1.1.1 大电网与分布式能源相结合成为电力工业的发展方向

1.1.2 分布式能源的发展现状

1.1.3 我国分布式能源发展的有利条件

1.1.4 选题的意义

1.2 微燃机介绍

1.2.1 微燃机的发展过程与现状

1.2.2 微燃机工作原理与关键技术

1.3 国内外研究动态

1.3.1 微燃机冷热电联产系统研究

1.3.2 SOFC/MGT混合发电系统研究

1.4 本文的主要研究工作与论文整体结构

第二章 以微燃机为核心的能量系统

2.1 微燃机的数学模型

2.1.1 额定工况计算模型

2.1.2 变工况计算模型

2.2 以微燃机为核心的能量系统

2.2.1 微燃机应用分析

2.2.2 以微燃机为核心的能量系统

2.3 微燃机冷热电联产系统

2.3.1 微燃机冷热电联产系统的特点

2.3.2 微燃机冷热电联产系统的设备与系统结构

2.3.3 微燃机冷热电联产系统的经济性

2.3.4 微燃机冷热电联产系统中存在的问题

2.4 高温燃料电池/微燃机混合发电系统

2.4.1 高温燃料电池/微燃机混合发电系统种类及系统流程

2.4.2 SOFC/MGT混合发电系统更具发展潜力

2.4.3 SOFC/MGT混合发电系统有待研究的问题

2.5 总结

第三章 微燃机冷热电联产系统性能改进研究

3.1 引言

3.2 微燃机冷热电联产系统变工况调节方法研究

3.2.1 微燃机冷热电联产系统的运行方式与调节方法

3.2.2 联产系统算例说明

3.2.3 联产系统变工况调节方法研究

3.2.4 联产系统变工况调节方法研究结论

3.3 回注蒸汽在微燃机冷热电联产系统中的应用

3.3.1 燃气轮机回注蒸汽循环介绍

3.3.2 回注蒸汽微燃机发电系统算例说明

3.3.3 回注蒸汽循环系统性能分析

3.3.4 烟气冷凝水回收分析

3.3.5 微燃机冷热电联产系统回注蒸汽循环研究结论

3.4 进气冷却技术在微燃机冷热电联产系统中的应用研究

3.4.1 燃气轮机进气冷却技术介绍

3.4.2 进气冷却算例说明

3.4.3 采用进气冷却微燃机冷热电联产系统性能分析

3.4.4 进气冷却在微燃机冷热电联产系统中应用研究结论

3.5 微燃机冷热电联产系统系统集成及运行研究

3.5.1 集成化的微燃机冷热电联产系统

3.5.2 集成化的微燃机冷热电联产系统的运行方式

3.6 冷热电联产系统新评价准则研究

3.6.1 原有评价准则分析

3.6.3 能量梯级利用率评价新准则

3.7 总结

第四章 SOFC/MGT混合发电统性能改进及脱碳新系统研究

4.1 前言

4.2 SOFC介绍

4.2.1 SOFC的发展过程及现状

4.2.2 SOFC的工作原理及数学模型

4.3 SOFC/MGT混合发电系统性能分析与参数优化

4.3.1 SOFC/MGT混合发电系统系统与参数说明

4.3.2 混合发电系统的性能分析与参数优化

4.3.3 混合发电系统性能分析与参数优化的结论

4.4 SOFC/MGT混合发电系统效率提高研究

4.4.1 混合发电基准系统算例说明

4.4.2 提高基准系统发电效率的途径分析

4.4.5 混合发电系统改进方案一

4.4.6 混合发电系统改进方案二

4.4.7 两种改进方案的对比分析

4.5 SOFC/MGT混合发电系统脱碳研究

4.5.1 CO2减排思路说明

4.5.2 采用氨水吸收法的CO2准零排放SOFC/MGT混合发电系统

4.5.3 CO2准零排放SOFC/MGT混合发电新系统

4.5.4 CO2准零排放发电系统的对比分析

4.6 总结

第五章 结论与展望

5.1 主要研究工作与结论

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作