基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环.doc

收稿日期：2016-04-19 录用日期：2016-05-19 基金项目：国家国际科技合作专项（2013DFG60120） *通信作者：HYPERLINK mailto:yrzhao@yrzhao@ doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201604039 基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统优化分析 刘浩仑1，张诗琪1，吴国策1，刘美丽2，徐立平2，赵英汝1* （1. 厦门大学能源学院，福建 厦门361005；2. 西安陕鼓动力股份有限公司，陕西 西安710075） 摘要：将有机朗肯循环（ORC）作为底层循环与固体氧化物燃料电池（SOFC）、燃气轮机（GT）等能源动力系统耦合，可充分回收上层系统的低温余热进行发电，从而提高整个联合系统的能量转换效率。本文对SOFC-GT-ORC联合系统进行了一体化的建模分析与数值计算，详细讨论了燃料电池的燃料和空气流率、燃气透平的压比、ORC的分流系统等参数对联合系统性能的影响，并针对超临界工况下ORC及联合系统的运行参数进行了优化设置。本文提出的基于增压SOFC-GT混合模式与超临界ORC的新型SOFC-GT-ORC联合循环及建立的一体化流程模型有助于揭示耦合系统的一般性能特性，并给出了一些关键参数的优化判据，可为SOFC-GT-ORC及同类复合动力循环的优化设计与运行提供理论指导和参考依据。 关键词：固体氧化物燃料电池；燃气轮机；超临界有机朗肯循环；联合系统 中图分类号：TK 123 文献标志码：A 中国的能源消费量占全球总量23%，是世界最大的能源消费国，但能源综合利用效率较低。据统计，美国的能源效率高达60%，欧洲超过60%，其他发达国家的平均水平为50%，而中国仅为33%[1]。另一方面，中国的单位GDP能耗是世界平均水平的3.2倍，其中50%以上的工业能耗以热能的形式耗散，温度在350 ℃以下的低品味余热在工业过程中普遍存在。如何实现能源系统向清洁、低碳、高效的方向转型成为中国当前面临的最大问题之一。 随着集中式供能弊端的逐渐显露，以燃料电池、有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）、热电联产为代表的一系列新兴分布式能源技术逐渐成为国内外关注的焦点。其中，固体氧化物燃料电池-燃气轮机（solid oxide fuel cell – gas turbine, SOFC-GT）混合动力循环因其高效、清洁、燃料多样、发电规模灵活等特点备受青睐ADDIN CSL_CITATION { citationItems : [ { id : ITEM-1, itemData : { DOI : 10.1016/j.energy.2014.03.093, ISSN : abstract : The objective of this work is to suggest a method for optimizing the compressor and turbine components in hybrid SOFC\u2013GT (Solid Oxide Fuel Cell \u2013 Gas Turbine) applications. The hybrid system evaluations are made on the basis of a typical SOFC generator scheme without any modifications. The method consists of two steps. A parametric study is conducted in order to assess the operating range of the hybrid SOFC\u2013GT system and select the desired operating line for achieving the optimum system efficiency at various operating points. Based on that information, optimum compressor and turbine geometries are estimated using in-house turbomachinery design codes and an optimization procedure. The new components ensure the best performance not only in the design point but also during