二級循環(huán)發(fā)電

二級循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工藝流程見，,二.級級循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)第一級循環(huán)為蒸汽循環(huán)，第二級循環(huán)為CO₂循環(huán)?？諝馀c來自多股物流換熱器的天然氣進(jìn)入反應(yīng)器，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生高溫?zé)煔?，在換熱器1中與循環(huán)水充分換熱后排出，循環(huán)水經(jīng)過換熱器1吸熱后變?yōu)楦邷馗邏核魵?，之后進(jìn)入蒸汽輪機(jī)1膨脹做功，膨脹后的水蒸氣乏汽經(jīng)過換熱器2與二級級循環(huán)的工質(zhì)CO₂進(jìn)行換熱后，變?yōu)檠h(huán)水，經(jīng)泵1加加壓再進(jìn)入換熱器1吸熱，完成蒸汽循環(huán)。

CO₂循環(huán)中，通過泵2將液態(tài)CO₂進(jìn)進(jìn)行加壓，之后進(jìn)入多股物流換熱器，與同時進(jìn)入的LNG共同冷卻來自蒸氣輪機(jī)2的循環(huán)工質(zhì)CO₂乏氣，LNG氣化吸熱后與空氣混合進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行燃燒反應(yīng)。循環(huán)工質(zhì)CO₂乏氣被冷卻液化，通過泵2加壓，進(jìn)入多股物流換熱器吸熱氣化，進(jìn)入換熱器2再次吸熱，之后進(jìn)入蒸氣輪機(jī)2膨脹做功，做功后CO₂乏氣進(jìn)入多股物流換熱器被冷卻液化，完成CO2循環(huán)。

（1）LNG在經(jīng)過多股物流換熱器后成為天然氣，溫度達(dá)到21℃，可以直接輸入反應(yīng)器中，不需要再經(jīng)過氣化器，同時循環(huán)工質(zhì)CO2出口溫度也達(dá)到了常溫，不需要再通過空氣加熱器，實(shí)現(xiàn)對LNG冷能的充分利用，同時也節(jié)省了設(shè)備成本。

（2）蒸氣輪機(jī)2出口的CO₂乏氣完全吸收液態(tài)CO₂的氣化潛熱，CO₂乏氣經(jīng)過多股物流換熱器后被冷卻至液態(tài)，交換的熱量分別由LNG和液態(tài)CO₂攜帶再次進(jìn)入系統(tǒng)中。

（3）蒸汽循環(huán)工質(zhì)水蒸氣乏汽余熱得到充分利用，在蒸汽輪機(jī)1中膨脹做功后物流3的乏汽溫度高于700℃，處于較高的溫度水平，在與CO₂循循環(huán)的CO₂換熱后溫度大大降低，同時由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，汽化潛熱全部釋放，余熱得到了充分回收利用。

單級循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工藝流程見圖。常溫常壓（溫度為30℃，絕對壓力為0.1MPa）下的空氣與天然氣混合后送入反應(yīng)器進(jìn)行燃燒反應(yīng)，系統(tǒng)中設(shè)定空氣過剩系數(shù)為1.1，假設(shè)天然氣完全燃燒，得到高溫常壓煙氣，高溫?zé)煔饨?jīng)過換熱器1與循環(huán)水進(jìn)行換熱，煙氣在換熱器1中換熱后排出，高壓循環(huán)水經(jīng)過換熱器1后氣化為高溫高壓水蒸氣，高溫高壓水蒸氣通入蒸汽輪機(jī)膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，膨脹之后的水蒸氣乏汽先經(jīng)過換熱器2預(yù)熱循環(huán)水，再進(jìn)入冷凝器冷卻液化，之后由泵進(jìn)行加壓，加壓后的循環(huán)水先進(jìn)入換熱器2進(jìn)行預(yù)熱，之后再送入換熱器1與高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，完成一個循環(huán)過程。

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電池堆繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，提出了SOFC兩級串聯(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?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被還原，氧離子通過電解質(zhì)向陽極移動。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)子膜對第一級電池堆陽極反應(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，最后被引入第二級電池堆的陽極；同時，第一級電池堆的陰極產(chǎn)物被引入在第二級電池堆中陰極。在第二級電池堆中氫氣繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。第二級電池堆的反應(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)中第一級電池堆與第二級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。

隨著閃蒸溫度的變化都出現(xiàn)最大值，前者的最佳閃蒸溫度，為72.590(最大功率為614.2kW)，后者為9090;另一方面，由于閃蒸溫度是雙工質(zhì)循環(huán)的熱源溫度，不論是比閃蒸系統(tǒng)或雙工質(zhì)循環(huán)單獨(dú)發(fā)電時的最大功率。都要大20%以上，這表明，此發(fā)電系統(tǒng)在相同的資源條件下，能提供更多的電力。但是，由于閃蒸一雙工質(zhì)循環(huán)要用兩臺機(jī)組，設(shè)備投資較大;因此設(shè)計時要對電站投資和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估:即對電站每千瓦投資及每噸地?zé)崴l(fā)電量進(jìn)行綜合分析，并考慮資源有效利用的社會效益。

地?zé)崴l(fā)電，由于焙降小，要提高汽輪機(jī)功率，只有增加流量。根據(jù)計算，在最佳閃蒸溫度90℃時，閃蒸系統(tǒng)的每噸地?zé)崴畠舭l(fā)電量Ne，1.914kWh/t，雙工質(zhì)循環(huán)為N。據(jù)此我們可計算出地?zé)崴髁颗c發(fā)電功率之間的變化關(guān)系:即隨著流量增加，發(fā)電功率

也隨之增加。例如，當(dāng)?shù)責(zé)崴鱰達(dá)350t/h時，總發(fā)電凈功率可達(dá)1047.6kW，而功率愈大，電站經(jīng)濟(jì)性將愈好。因此，只要地?zé)崽飾l件允許，應(yīng)盡可能增加地?zé)崴髁浚虿捎枚嗫诰峁崴?

在目前情況下，我國地?zé)岬刃履茉窗l(fā)電，總體上與化石燃料(煤、油、氣)發(fā)電相比，經(jīng)濟(jì)上還不能與之競爭，需要國家政策支持。但在偏遠(yuǎn)的特殊地區(qū)，或在電網(wǎng)不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)，地?zé)岚l(fā)電在經(jīng)濟(jì)上是可行的(如西藏羊八井地?zé)犭娬?，年發(fā)電量100GWh，約占拉薩電網(wǎng)容的30%，在當(dāng)?shù)仄鹬匾饔?。

由于工業(yè)上的高溫余熱資源和地?zé)豳Y源一樣，可用以發(fā)電，因此本聯(lián)合地?zé)岚l(fā)電方法，可為工業(yè)余熱發(fā)電提供參考 。

(1)單位投資費(fèi)用和發(fā)電成本比較高；

(2)不適宜在功率較小的條件下使用； ‘

(3)對制造工藝要求很高。

一般來講，煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電適宜于采用含硫量高于3%的煤種，其裝置功率最好能達(dá)到300～400MW及以上，這樣才能有利于降低投資費(fèi)用和發(fā)電成本。 2100433B