固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真

建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)联合发电系统,在该联合系统中SOFC不但可产生电能,同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能,提高了燃料能量转换率,也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明,在本文设计工况下,SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54％和723％,高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统;另外,合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能;SOFC燃料利用率为75％时,系统发电效率达到最大;燃料流量对系统发电效率基本没有影响。     

燃料预重整份额对SOFC-GT混合发电系统设计的影响

针对以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)-燃气轮机(gas turbine,GT)混合发电系统,利用平衡态重整器模型、一维SOFC模型以及搭建于Ebsilon?中的燃气轮机系统模型,在不同燃料预重整份额和SOFC燃料利用率的设计工况下,开展混合发电系统的性能分析研究。结果表明,高SOFC燃料利用率并不会对应高的系统发电效率。混合发电系统效率最高点出现在热耦合策略对系统性能影响最小的设计工况下。燃料内重整可以提高混合系统的效率,但也要求SOFC运行在极端的设计工况下;燃料外重整则可以提高系统设计的灵活性,降低混合发电系统对SOFC的依赖。仿真分析显示,通过合理配置SOFC燃料利用率和燃料重整过程,有望在不依赖燃料内重整的情况下,提高混合发电系统的发电效率。     

CO_2近零排放固体氧化物燃料电池冷热电联供系统的性能分析

为了提高SOFC联供系统的综合利用效率和降低CO_2捕集能耗,提出一种基于SOFC循环的CO_2近零排放冷热电联供系统。建立了系统数学模型,给出了设计工况下各点的热力参数值,分析了燃料利用率、空燃比、燃料电池入口温度与工作压力变化对系统性能的影响。结果显示,在设计工况下,SOFC发电效率、联供系统净发电效率和一次能源利用率分别为51.59%、53.84%和72.01%,与没有CO_2捕集的联供系统相比,净发电量降低了3.66%,一次能源利用率降低了2.05%。变参数研究结果显示,随着工作压力的增加,SOFC的发电效率增大,而系统净发电效率和一次能源利用率减小;另外,增加空燃比会降低SOFC发电效率、系统净发电效率和一次能源利用率,所以在保证SOFC在正常工作情况下应选择较小的空燃比。在燃料利用率和阴极入口温度变化中,SOFC的输出功率和输出电压先增加后减少,而阳极入口温度变化对SOFC性能影响较小。     

两种低热值生物质气发电方式的实验研究

通过实验数据对生物质气固体氧化物燃料电池(BIO-SOFC)和生物质气内燃机两种不同的低热值生物质气发电系统的特点进行了研究,结果表明以生物质气为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料时,生物质气的成分变化对SOFC性能的影响较大,而燃料热值对其发电性能影响很小。对于生物质内燃发电机组,燃料的热值对系统性能有较大的影响。通过实验详细分析了生物质气中各气体成分对固体氧化物燃料电池性能的影响。综合实验数据的对比及两种发电系统各自的特点,分析了两种生物质气发电方式的在不同应用领域的前景。     

设置富氨蒸气回热器的固体氧化物燃料电池/燃气轮机/卡琳娜联合循环系统的热力性能分析

提出了一种新的SOFC/GT/KCS联合循环发电系统,建立了该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了能量分析、憥分析,并研究了空气流率、燃料利用率、燃料流率、压气机压比、水蒸气碳比的变化对联合循环热力性能的影响。研究结果表明,在设定工况下,SOFC的发电效率为49.2%,系统总发电效率为67.6%,系统总火用效率为68.16%;系统的各部件中,火用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。     

以煤层气为燃料的固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与分析

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)发电具有效率高、噪声低、排放低的优点。为评估煤层气SOFC发电系统性能,并与现有燃气内燃机发电技术进行对比,在AspenPlus模拟环境中构建了SOFC发电系统流程,研究30%和91%煤层气浓度下水碳比、电流密度、空气预热温度等参数对系统性能的影响,并与燃气内燃机发电进行技术经济性比较。结果表明,使用30%浓度煤层气时,SOFC发电效率为38.7%,略低于燃气内燃机发电效率,年CO2排放量与燃气内燃机接近;使用91%浓度煤层气时,SOFC发电效率为53.2%,高出燃气内燃机13.4%,年燃料成本降低24%,年CO2排放量相比燃气内燃机降低23%;受大量冷却空气的影响,SOFC的NOx排放是燃气内燃机的2倍。由结果可知,当煤层气浓度在30%以上时,SOFC相比燃气内燃机才具有效率优势;煤层气浓度越高,SOFC的效率优势越明显;当煤层气浓度低于30%时,建议仍使用燃气内燃机进行发电。     

考虑电池利用率的燃料电池控制策略

电池利用率作为燃料电池系统控制器设计中的关键因素,它的取值决定了燃料电池是否能够安全、高效地运行。在充分考虑合理的电池利用率取值区间以及固体氧化物燃料电池(Solid Ox-ide Fuel Cell,SOFC)发电系统的动态模型之后,提出了针对燃料处理单元与直流变换器的控制策略,使得即使负载发生突变,也能保证电池利用率在限定的范围内,并表现出良好的负荷跟踪特性。基于SOFC并网的前级直流系统仿真,验证了文中控制方法的正确性与有效性。     

煤基近零排放系统中固体氧化物燃料电池本体的模拟研究

煤基近零排放(zero-emission coal,ZEC)系统采用固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)进行清洁高效发电。以西门子发电集团研发的100 kW热电联产(combined heat and power,CHP)管式固体氧化物燃料电池堆为对象,采用ASPEN流程模拟软件借助FORTRAN编程搭建了SOFC本体模型,并依据文献报道的实际运行数据,对模型进行验证分析。结果表明,该SOFC模型具有良好的可靠性,可以用于后续ZEC系统的集成研究。同时该文就不同运行条件对SOFC工作性能的影响进行了分析,发现维持电池功率恒定,电池效率在燃料利用系数为0.8左右达到峰值;在其他条件不变时,增加电流密度会使燃料电池电压下降,燃料消耗量增加,电池效率降低,电池功率在电流密度约为3 500 mA时达到峰值;随着汽碳摩尔比的增加,乏燃料循环流率增加,初级重整炉出入口温度增加,甲烷转化率上升。     

固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化研究

针对1MW固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,并对其系统参数进行了分析和优化。研究为大型SOFC发电系统的设计奠定了基础。     

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统进展

燃料电池 ,尤其是熔融碳酸盐燃料电池是 2 1世纪最有希望的发电技术。在简要叙述了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的发电原理后 ,从以下方面对系统的开发进行了论述 :单体元件 (电极和电解质 )性能的提高 ,燃料的处理 ,余热利用 ,电力调节和并网 ,电池参数 (工作压力、温度、反应气体的组成和利用率、燃料气体湿度 )的控制与优化。介绍了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的国内外研究现状 ,给出了天然气外部重整型和内部重整型燃料电池的循环模型。指出熔融碳酸盐燃料电池系统开发面临的主要课题 :延长寿命、降低成本、系统小型化、改善电能质量等 ,给出一种多段熔融碳酸盐燃料电池系统模型     

热电冷联产系统的能耗特性

从系统基础能源消耗角度建立联产系统相对于分产系统节能判断关系式，并以实际热电机组为例进行计算验证，探讨了热电比、热效率、性能系数等参数对联产系统能耗特性的影响，研究发现：热电联产及在此基础上的热电冷联产的节能需满足一定的条件，相对来讲，冷电联供节能条件较热电联产更为苛刻。热电比、热效率和性能系数对联产系统节能影响程度明显不同；在联产系统中多效吸收机的应用并不总能使联产系统节能率增加，即使满足节能条件，对系统节能率的提升数量级也很小；热电冷联产系统相对于分产系统不一定节能，但从能的梯级利用原理讲，联产与分产系统相比火用 损的减少是绝对的，而这一部分火用 损的差值是联产的收益，也是热电联产的本质所在，据此建立了新的热电分摊理论模型。     

分布式发电中燃料电池的建模与控制

合适的燃料电池(fuel cell,FC)动态模型对分布式发电技术的研究起着很重要的作用。提出了非线性质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的动态模型,该模型考虑了燃料利用率的影响和各种反应物随时间变化的压力。并在该模型的基础上,应用电池效率和发电经济性分析得出了燃料利用率一般控制在0.7~0.9范围内比较好。详细阐述了FC在并网运行时的控制策略,以及在含FC发电系统的潮流计算中,将FC的并网节点当作PV节点来处理。     

固体氧化物燃料电池分布式电源静态运行分析

固体氧化物燃料电池是一种有前途的分布式电源。从基本的热力学分析出发并结合质量平衡、焓平衡和熵平衡方程,该文提出一个以氢气为燃料的固体氧化物燃料电池数学模型用于静态分析。推导得出了氢气利用系数、电池堆温度和过量氧气比例这3个运行变量之间的解析关系。由于固体氧化物燃料电池在运行中必须满足多个限制,该文提出了合理运行空间的概念。该概念可以用于指导固体氧化物燃料电池的运行和控制。     

Three-zonal engineering method of heat calculation for fluidized bed furnaces based on data on commercial investigations of heat generation distribution during biomass combustion

A three-zonal method of heat calculation of furnaces for combustion of biomass and low-caloric fuel in the fluidized bed is described. The method is based on equations of thermal and material balances that account for heat generation by fuel in the zone, heat-and-mass transfer heat exchange between the furnace media and surfaces that bound the zone, and heat-and-mass transfer between furnace zones. The calculation procedure for heat generation by fuel in the fluidized bed (FB) using the heat generation portion by the fuel is proposed. Based on commercial investigations, the main factors that affect the average temperature in the FB and the portion of fuel heat that is released in the FB are determined. Results of commercial investigations showed that the airflow coefficient in the FB should be recognized as the main operation parameter that affects the average temperature in the FB and, consequently, heat generation in the FB. The gas flow rate in the FB can be marked out as the second factor that affects the consumption degree of oxidizer supplied in the FB. Commercial investigations revealed that mixing is affected by the gas flow rate in the FB and the bed material particle size, which may be changed during the boiler operation because of the agglomeration of particles of sand and ash. The calculation processing of commercial investigations on a KM-75-40M boiler of a CHP-3 of an Arkhangelsk Pulp and Paper Mill (APPM), which was carried out using the inverse problem procedure by means of a developed computer program, determined the range of the fuel heat release share in the FB, which was 0.26–0.45 at an excess air factor of 0.59–0.93 in the bed, and the heat release share in the maximum temperature zone in the total heat release in the superbed space. The heat release share in the bed is determined as an approximating function of the excess air factor in the bed and the fluidization number. The research results can be used during designing boilers with the fluidized bed on biomass.     

基于灵活热电比的区域综合能源系统多目标优化调度

针对热电联供(Combined Heat and Power,CHP)“以热定电”导致的弃风及运行成本较高问题,提出基于CHP灵活热电比的区域综合能源系统多目标优化调度方法。首先,采用补燃装置对CHP补燃,灵活调整各时段补燃率以使CHP热电比跟随风电出力态势,提高系统风电接纳水平与运行效益。然后,考虑补燃燃油的使用增加了系统排污,综合经济性与环保性建立区域综合能源系统多目标优化模型,通过层次分析法对各目标权重进行决策。最后,依托商业优化软件GAMS对建立的混合整数非线性规划问题进行求解。算例研究表明:对CHP热电比进行灵活调节,能够有效促进风电并网消纳、降低系统运行成本。多目标优化使CHP热电比兼顾系统经济性与环保性,较单目标而言更具优势。     

CHP Plants in Russia: the Necessity for Technological Renovation

The role of combined heat and power (CHP) plants in the electric power industry of Russia is shown. The operational efficiency analysis of public service CHP plants and the fuel, power, and age structure of the existing CHP plants are carried out. Their main problems, such as underuse of generating equipment, excessive production in the condensing mode, high degree of equipment wear, and technological heterogeneity, are identified. The necessity of technological renovation of the CHP plants is shown. The energy efficiency of the combined production of electric and thermal energy by the existing CHP plants is compared to modern technologies for their separate gas and coal production. It is shown that the thermal capacity of the CHP plants in Russia exceeds the required capacity by almost two times. Estimates of the CHP plant thermal capacity necessary to cover the current heat loads are obtained for Russian regions. Main directions of the CHP plants' renewal based on the use of competitive domestic equipment and operation according to the heat load schedule are determined. Systemic impacts achieved by technological renewal are determined for gas-fired CHP plants with allowance for the climatic and load features of the Russian regions. It is shown that the technological renewal of gas-fired CHP plants will allow saving up to 16% of today’s fuel consumption, reducing the total CHP thermal capacity by 47.5% with the same volume and heat supply mode. The operation of a CHP plant according to the heat load schedule leads to a reduction in the electric capacity of the CHP plant by 20% with an increase in electricity generation by 11%. As a result, the consumption of the installed electric and thermal capacity of the CHP plant increases dramatically as does the fuel efficiency and the annual loading balance of external gas-fired condensing power plants. The needs for GTPs and CCGTs required for the technological renovation of the CHP plants is assessed. The necessity for developing competitive domestic medium and high power GTPs is considered.     

管型固体氧化物燃料电池技术进展

叙述了以阴极、阳极、电解质、多孔陶瓷为支撑体的各类管型固体氧化物燃料电池(SOFC)的研发现状;介绍了西门子-西屋动力公司发展管型SOFC热电联供和联合循环发电技术的进展.发展以管型SOFC为主体的联合循环发电-热电联供的洁净能源供应系统,可提高以煤、天然气等燃料的发电效率,形成用户端的直接电、热、冷联供网络.     

一种新型化学链制氢与SOFC集成的能量系统

提出了一种化学链制氢(chemical looping hydr-ogen,CLH)与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel,SOFC)相结合的新型发电系统,并利用?分析法研究了该新型发电循环。在该系统中,氢气由化学链制氢子系统产生,循环材料是FeO和Fe3O4。固体氧化物燃料电池的余热在化学链制氢子系统中被利用,并通过化学链中的还原反应转化为化学能。在?平衡的基础上进行了系统关键参数的分析,并对化学链关键过程进行了研究。同时,由于化学链可以实现CO2无能耗的分离,新系统可以在分离二氧化碳的条件下实现净效率61.2%。?分析法表明,新系统获得高性能的主要原因是废热的梯级利用和高效制氢。结果表明,这种新型的热循环是实现甲烷化学能高效利用同时实现低能耗分离CO2的有效途径。