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首页APGC燃机与燃料电池复合发电系统性能深度解析
本文探讨了一种创新的发电系统构想,即基于新型环境压力下的吸热燃气轮机循环APGC(Ambient Pressure Gas Turbine Cycle)。APGC与传统的布雷顿循环不同,它采用了先膨胀后压缩的工作原理,使得工质在燃气轮机元件中的流动量显著增加,从而提升了元件的效率,特别是在小型和微型燃气轮机领域具有显著优势。APGC系统的特点还包括低污染排放、提升热电联供效率以及节能效果。 研究者利用商业软件Aspen Plus,构建了APGC燃气动力装置和常压固态氧化物燃料电池(SOFC)的数值分析模型,以西门子公司生产的120千瓦燃料电池的结构和设计参数为基础进行分析。重点研究了APGC燃气轮机与SOFC组成的常压SOFC/APGC复合发电系统的性能表现。 研究结果显示,这种复合发电系统的发电效率高达66.5%,显示出显著的综合性能优势。这不仅体现了APGC循环技术在提高能源转化效率方面的潜力,也预示着在可持续能源领域的广阔应用前景。 尽管APGC循环在国内的研究相对较少,这可能与其在我国燃气轮机,尤其是民用微型燃气轮机发展的阶段有关,但本文的成果填补了这一领域的空白,并为今后的研究和实际应用提供了有价值的数据支持。关键词包括燃气轮机循环、性能、复合发电系统等,这些都突显了论文在能源技术和环保方面的核心内容。 本研究不仅推动了APGC循环理论的发展,也为优化未来能源系统的设计,特别是结合燃料电池技术,提供了重要的理论依据。随着对APGC/SOFC复合发电系统深入研究,我们有理由期待在可再生能源利用和环境保护方面取得更多突破。
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第49卷 第3期
2 0 0 9 年 5 月
大 连 理 工 大 学 学 报
Journal of Dalian University of Technology
Vol .49 , No .3
May 2 0 0 9
文章编号 :1000‐8608(2009)03‐0349‐04
A PGC 燃 机 与 燃 料 电 池 复 合 发 电 系 统 性 能 分 析
王 巍
倡
, 薛 利 超 , 黄 钟 岳 , 王 晓 放
( 大连理工大学 能源与动力学院 ,辽宁 大连 116024 )
摘要 :
基于新型环境压力下吸热燃气轮机循环 APGC(ambient pressure gas turbine cycle) ,
提出了 APGC 燃气轮机和常压固体氧化物燃料电池(SOFC)组成的复合发电系统 .利用商业
软件 Aspen plus ,建立了 APGC 燃气动力装置以及常压 SOFC 的数值分析模型 .以西门子公
司生产的 120 kW 燃料电池结构及设计参数作为分析基础 ,探索了 APGC 燃气轮机和 SOFC
组成的常压 SOFC/APGC 复合发电系统的性能 .研究结果表明 :复合装置的发电效率可以达
到 66 .5% ,显示出复合发电性能的优势 .
关键词 :燃气轮机循环 ;性能 ;复合发电系统
中图分类号 :TK479 .1 文献标志码 :A
收稿日期 :2007‐04‐20 ; 修回日期 :2009‐03‐20 .
基金项目 :大连理工大学‐中科院大连化学物理研究所合作科研探索基金资助项目 (2005‐2007) .
作者简介 :王 巍
倡
(1967‐) ,女 ,副教授 ,E‐mail :wangw @ dlut .edu .cn .
0 引 言
环境压力下吸热燃气轮机循环 APGC
[1]
的组
成与常规的布雷顿循环(BC)一样 ,但常规布雷顿
循环是先压缩后膨胀 ,高压下吸热 ,而 APGC 则
是先膨胀后压缩 ,直接在环境压力下吸热 .因此 ,
流经 APGC 燃气轮机元件的工质容积流量比常
规的布雷顿循环要大许多
[2]
,这在一定程度上提
高了元件的效率 ,特别在小型和微型燃气轮机上
有着明显的优势 .此外 ,APGC 装置还具有低污染
排放 、提高热电联供中的发电效率和节能系数等
优点
[3 、4]
.然而 ,对 APGC 循环的研究 ,无论在理
论上还是实用上 ,国内当前开展得不够 ,公开发表
的成果甚少 ,这和我国燃气轮机发展水平特别是
民用微型燃气轮机水平不高有关 .
加压固体氧化物燃料电池 (SOFC)是以阴极
中氧气在电解质内离解为氧离子 ,并通过电解质
进入阳极 ,在高温下通过电化学反应将化学能直
接转化为电能的发电装置 .由于工作温度 900 ~
1 000 ℃ ,正好与微型燃气轮机复合 ,所组成的复
合循环系统发电效率可达 60% ~ 70% .此外 ,在
电化学反应中 ,氮气未参加反应 ,因而排放中氮的
氧化物含量很少 .
尽管目前的研究表明提高燃料电池的工作压
力有利于提高系统性能
[5]
,但加压将增加 SOFC
的制造难度和成本 ,尤其是对于平板式 SOFC ,加
压密封一直是制造工艺中的难题 .在加压下易出
现工质泄漏 ,不易保证燃料电池的稳定工作 .因
此 ,在固体氧化物燃料电池与燃气轮机构成的联
合循环发电已成为现阶段发达国家重点研究的新
能源技 术 方 向 时 ,寻 求 常 压 下 的 燃 料 电 池 与
APGC 循环的复合 ,也将具有更加现实的意义 .
为此 ,本文提出 APGC 燃机与常压 SOFC 复
合发电系统 ,建立相应的系统分析模型 ,以天然气
为原料 ,对 SOFC/APGC 复合发电系统性能做有
益的探索 .
1 微型燃机(MGT)与 SOFC 复合发
电系统
燃料电池‐燃气轮机复合循环的结构各种各
样
[5]
,典型的复合循环结构包括顶部燃料电池循
环和 底 部 燃 机 循 环 .图 1 给 出 了加 压 SOFC /
MGT 复合发电装置 .
压气机出来的高压空气与燃料压缩机加压后
的燃料被涡轮排出的废气加热后进入燃料电池堆
中 ,在此发生电化学反应后产生一定的热量并发
出电能 ;化学反应产生的热量将加热流出燃料电
池的气体而使其成为 900 ℃ 左右的高温气体 ;高
温气体进入涡轮膨胀做功 ,排气仍具有一定的温
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