頂層

【釋義】：1.緊貼在板狀礦床(如煤層或礦脈)上面的巖石。

2.最上面的一層。2100433B

曾迪琰教授撰寫的《解析頂層設(shè)計(jì)》一書，首次定義了什么是頂層設(shè)計(jì)，并對(duì)頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。 分十章系統(tǒng)講解了頂層設(shè)計(jì)中“頂層”的三要素和“設(shè)計(jì)”的三要素，并結(jié)合具體的頂層設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了頂層設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的區(qū)別，闡釋了開展頂層設(shè)計(jì)的意義和作用。頂層設(shè)計(jì)在各種事物決策的過程中得以廣泛應(yīng)用，已成為決策者以及決策機(jī)構(gòu)必備的決策工具和決策方式。全書結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，分析透徹，注重理論聯(lián)系實(shí)際，有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。

頂層循環(huán)系統(tǒng)作為熱機(jī)熱循環(huán)利用的組成構(gòu)件，可有效將高溫廢熱氣體的熱量轉(zhuǎn)化為有用功并高效輸出。在燃料電池中利用比較廣泛。被譽(yù)為綠色能源的熔融碳酸鹽燃料電池具有高效無污染的突出優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一，高品位的廢熱使得它可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)，從而大幅度地提高裝置整體效率，在分布式發(fā)電領(lǐng)域具有十分重要的意義。在IPSEPRO仿真環(huán)境下建立了頂層熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)仿真模型。利用該模型對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)在額定工況和變工況下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)平均電流密度、燃料利用系數(shù)等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響作了探討。仿真結(jié)果表明，熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率，并具有良好的變負(fù)荷特性。

頂層循環(huán)研究背景

固體氧化物燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合組成的混合發(fā)電系統(tǒng)由于具有較高的發(fā)電效率，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng),在獲得高的發(fā)電效率方面得到了較為一致的認(rèn)可，成為SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)典型的流程結(jié)構(gòu)。如何進(jìn)一步提高頂層循環(huán)混合系統(tǒng)的發(fā)電效率，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。研究表明：提高電池堆燃料利用率可以提高混合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，但燃料利用率的提高要受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，不可能達(dá)到很高；另外，提高電池堆的工作溫度與增加燃料電池單體個(gè)數(shù)可以提高混合發(fā)電系統(tǒng)的效率，但是兩者都受到微燃?xì)廨啓C(jī)透平允許的最高進(jìn)口煙氣溫度的限制。研究針對(duì)典型的頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與問題進(jìn)行了改進(jìn)，引入陶瓷質(zhì)子膜分離技術(shù)，把燃料電池堆陽極反應(yīng)產(chǎn)物中未反應(yīng)的氫氣分離出來引入第二級(jí)電池堆繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，提出了SOFC兩級(jí)串聯(lián)/MGT混合發(fā)電新系統(tǒng)。該改進(jìn)方法可在相同的電池堆燃料利用率及相同的透平進(jìn)口溫度下，使混合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率得到顯著的提高。

頂層循環(huán)頂層循環(huán)混合發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)方案

為了便于研究問題，選取了具體的算例進(jìn)行計(jì)算分析。以典型的頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)作為基準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖1所示；對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)改進(jìn)后的新系統(tǒng)如圖2所示。

基準(zhǔn)系統(tǒng)：系統(tǒng)選用以甲烷與空氣為原料的管式固體氧化物燃料電池。采用內(nèi)部重整使甲烷反應(yīng)生成所需的氫氣，空氣由壓氣機(jī)壓縮、經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入SOFC陰極。甲烷氣體由壓縮機(jī)壓縮后與余熱鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣混合，經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入SOFC陽極。在陽極室甲烷與水蒸氣發(fā)生重整與置換反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。空氣中的氧在空氣極/電解質(zhì)界面被還原，氧離子通過電解質(zhì)向陽極移動(dòng)。在燃料極，氧離子與氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水，放出電子。電子通過外電路返回空氣極，形成回路，電流通過DC/AC換流器轉(zhuǎn)換為交流電。陽極與陰極的產(chǎn)物進(jìn)入后燃室，其中可燃成分完成燃燒，燃?xì)膺M(jìn)入透平做功，排氣分為兩部分，一部分進(jìn)入換熱器1(HR 1)，預(yù)熱空氣后再進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣。另一部分進(jìn)入換熱器2(HR 2)預(yù)熱燃料混合物。

改進(jìn)后系統(tǒng)：改進(jìn)后的混合發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。采用陶瓷質(zhì)子膜對(duì)第一級(jí)電池堆陽極反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離，分離出來的氫氣先由燃料及水蒸氣混合物冷卻，然后進(jìn)入壓氣機(jī)3升壓，壓縮后的氫氣進(jìn)入換熱器4(HR 4)被透平出口準(zhǔn)備預(yù)熱燃料混合物的煙氣加熱，最后被引入第二級(jí)電池堆的陽極；同時(shí)，第一級(jí)電池堆的陰極產(chǎn)物被引入在第二級(jí)電池堆中陰極。在第二級(jí)電池堆中氫氣繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。第二級(jí)電池堆的反應(yīng)產(chǎn)物與分離膜分離氫氣后的其它氣體均進(jìn)入后燃燒室混合燃燒，后燃室出口燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。

頂層循環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)效果分析

提高電池堆的燃料利用率、提高電池堆工作溫度及增加電池單體個(gè)數(shù)可以提高混合系統(tǒng)發(fā)電效率，但是燃料利用率受到技術(shù)水平的限制，而后兩者受到透平允許的最高煙氣進(jìn)口溫度的限制。所以，混合系統(tǒng)發(fā)電效率的進(jìn)一步提高需要對(duì)原系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)。

采用陶瓷質(zhì)子膜分離后，第二級(jí)電池堆陽極中燃料為純氫氣，且反應(yīng)溫度高，可以順利的繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。改進(jìn)后新系統(tǒng)中第一級(jí)電池堆與第二級(jí)電池堆采用的電池堆燃料利用率以當(dāng)前的技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。本質(zhì)上講，改進(jìn)系統(tǒng)是通過有效反應(yīng)氣體(氫氣)的分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了總的電池堆燃料利用率的提高。并且，改進(jìn)后系統(tǒng)的后燃室出口煙氣溫度保持了原系統(tǒng)的930℃，滿足了透平最高進(jìn)口溫度的要求。