（动力机械及工程专业论文）燃料电池与微型燃气轮机混合装置热力性能分析.pdf

上海交通大学硕士学位论文摘要 高效管式的固体氧化物燃料电池s o f c 。并进一步考虑了电流密度、空 气利用系数和电池工作温度等因素对s o f c 设计工况和变工况性能的影 响。 f 由前面两个部分可知，s o f c 排气温度在9 0 0 。c 左右，排出的废气 完全可以在m g t 中继续利用，而s o f c 由完全可以在m g t 所要求的压力 下运行，因此可以将s o f c 和m g t 组成一个小型的回热循环，以s o f c 代替m g t 中传统的燃烧室，将加压空气送入燃料电池，然后排出的废 气再送入透平中膨胀做功，可以充分利用热能，提高效率。然而，对 联合循环装置的研究目前尚属于前沿课题，国内外很少有人做过类似 的研究，所以在第三部分中，作者根据自己前面的分析，由m g t 和s o f c 反应堆的模型，考虑了一些相容性的要求，给出了联合循环装置的模 型，这一模型可以较为准确的计算出联合装置在设计工况和变工况下 l 的性能。i 本文采用m a t l a b 强大的功能进行建模和计算。所建立的模型在一 定功率范围内具有通用性，为后续研究提供了参照。 关键字：燃料电池，微型燃气轮机，联合循环，性能分析 i i 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e r m o d y n a a cp e r f o r m a n c e o f ah y b r i ds y s t e mb a s e do naf u e l c e l l r e a c t o ra n da c r o t u r b i n e a b s t r a c t t h et w om a i ns u b j e c t si n2 1 ”c e n t u r ya r ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t u n d e rt h e d i r e c t i o no ft h e s u b j e c t s ，d i s t r i b u t e d e l e c t r i c a l p o w e rg e n e r a t i o n s h a v e d e v e l o p e d q u i c k l yi nt h e s ey e a r s a n di nt h ef i e l d ，a r e n f i o ni sf o c u s e do i l m i c r o t u r b i n e sa n df u e l c e l l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er e c u p e r a t o rt e c h n o l o g y , t h en e te l e c t r i c a le f f i c i e n c y o ft h er e c u p e r a t e dm i c r o t u r b i n eu n i tc a nb er e a c h e d3 0 m i c r o t u r b i n eg e n e r a t o r sh a v e b e e nt h em o s ti m p o r t a n t p a r t i nt h ed i s t r i b u t e de l e c t r i c a l p o w e rg e n e r a t i o n t h e e f f i c i e n c y o ff u e lc e l l sc a l lb er e a c h e d5 0 a n dt h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo fh i 曲 t e m p e r a t u r e f u e lc e l l si s g e n e r a l l y a b o v e6 0 0 i fam i c r o t u r b i n ea n dah i g h t e m p e r a t u r e f u e lc e l la r ei n t e g r a t e di n t oah y b r i d s y s t e m i t w i l la c h i e v eg r e a t e r e f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e l yr e d u c et h ee x h a u s te m i s s i o n s oi nt h ed i s t r i b u t e de l e c t r i c a l p o w e rg e n e r a t i o n ，t h eh y b r i ds y s t e m b a s e do nh i 【g h t e m p e m t a r e f u e lc e n sa n d m i c r o t u r b i n e sw i l lh a v es t r o n gp o t e n c y t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ff u e lc e l l sa n d m i c r o t u r b i n e si si m p o r t a n tt oo u rs o c i e t y t h i st h e s i si n c l u d e st h r e es e c t i o n s ，a n a l y z i n gt h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h em i c r o t u r b i n e ，t h ef u e lc e l l sa n dt h eh y b r i ds y s t e m i nt h ef i r s ts e c t i o no ft h et h e s i s ，am o d e lo f r e c u p e r a t e dm i c r o t u r b i n ei sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c o m p r e s s o ra n dt h e t u r b i n eb a s e do ns o m e a s s u m p t i o n s t h em o d e lo ft h em i c r o t u r b i n e u s e di nt h et h e m sh a st h e f o l l o w i n g f e a t u r e s ：l o wp r e s s u r er a t i o ，h i g hm 诅f i o ns p e e d ，w i t ht h er e c u p c r a t o ra n dn oc o o l e r , 谢t ht h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ra n dt h er a d i a lt u r b i n e t h e nt h ed e s i g na n dp a r t - l o a d p e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e di nd e t a i l i l i 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h es e c o n ds e c t i o n ，am o d e lo f h i g ht e m p e r a t u r ef u e lc e l l si sp r e s e n t e da n dt h e f u e lc e l li st h et u b u l a rs o l i do x i d ef u e l c e l l ( s o f c ) t h e nt h ed e s i g na n dp a r t - l o a d p e r f o r m a n c eo fs o f c s i sd i s c u s s e d ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo ft h ec u r r e n t d e n s i t y , t h ea i ru t i l i z a t i o nf a c t o r , t h ec e l lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，e t c f r o mt h ea b o v et w o p a r t s ，i ti sk n o w n t h a tt h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo ft h es o f c s y s t e mi sa b o u t 9 0 0 ca n d a d e q u a t ef o ra ne x p l o i t a t i o ni nam i c r o t u r b i n e ，a n dt h es o f c s y s t e m c a l la l s o o p e r a t ea tt h ep r e s s u r er e q u i r e db yam i c r o t u r b i n e t h e r e f o r ei t s p o s s i b l e t od e s i g nas m a l lr e c u p e r a t i v em i c r o t u r b i n ec y c l e ，w h e r et h ec o m b u s t o ri s s u b s t i t u t e db yas o f cs y s t e m ，f e dw i t hp r e h e a t e da n dc o m p r e s s e da i ra n dg e n e r a t i n g h o te x h a u s tg a s e se x p a n d e db yt h em i c r o t u r b i n e ，n o w , t h es t u d yo ft h eh y b r i ds y s t e m b e l o n g s t ot h e f o r e l a n d , s oa c c o r d i n g t oh e ro w na n a l y s i sa n d c o n s i d e r i n g t h e c o m p a t i b i l i t yo f t h et w os y s t e m s ，t h ea u t h o rp r e s e n t st h em o d e lo ft h eh y b r i ds y s t e mb y c o u p l i n gt h em i c r o t u r b i n ea n ds o f c s t h e m o d e la l l o w st h ee v a l u a t i o no ft h ed e s i g n a n d p a r t - l o a dp e r f o r m a n c e o ft h eh y b r i ds y s t e m i nt h et h e s i s ，t h ec a l c u l a t i o n so fa l lt h em o d e l sa r ed o n eb ym a t l a b t h em o d e li s g e n e r a li nt h ep o w e r r e s t r i c t i o na n da l s oc o n t r i b u t e st ot h ed e t a i l e dr e s e a r c h k e yw o r d s ：f u e l c e l l ，m i c r o t u r b i n e ，h y b r i ds y s t e m ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 上海交通大学项士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 1 1 微型燃气轮机与燃料电池的发展趋势 从2 0 世纪8 0 年代以来，由于气动、材料、加工工艺的技术进步，燃气轮机 及其联合循环装置在电力系统中的地位迅速上升。它们不仅可以用作紧急备用电 源和尖峰负荷机组，还被用来携带基本负荷和中间负荷。目前，简单循环燃气轮 机功率己达2 6 0 唧，净效率为3 7 4 1 ( 透平前温度己达1 4 0 0 ) ；联合循环的单杌 功率为3 9 0 m w ，净效率达5 6 7 6 0 。特别是当天然气资源被广泛开发和应用后，燃 气轮机及其联合循环已经成为全世界电力工业中的主力机组。例如，据统计，1 9 9 8 年度欧洲2 1 个国家的新增电力设备容量中，8 1 是燃用天然气的燃气轮机及其联 合循环。美国能源部估计，美国烧天然气的电站的发电量将从1 9 9 7 年的5 0 9 x 1 0 9 k w h 增为2 0 2 0 年的1 5 8 2 x 1 0 9 k w h 。即使在不太发达的亚洲，近年来电网装机 容量的增量中，燃气轮机及其联合循环的份额也已超过3 6 。 微型燃气轮机是小型燃气轮机的一种，其功率范围在3 0 - 3 0 0 k w 或更小。近年 来随着全球范围内能源与动力需求结构以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮 机得到了电力、动力等有关部门的高度关注。1 9 9 8 年1 2 月美国能源部( d o e ) 主 持召开了微型燃气轮机技术高峰会( m i c r o t u r b i n et e c h n o l o g ys u m m i t ) ，专门讨 论有关微型燃气轮机技术研发及与政策和市场相关的问题，为制订微型燃气轮机 研发计划提供思路和建议。美国a s m e 副主席l a n g s t o n 在1 9 9 9 年度燃气轮机工业 回顾中指出：微型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机( p c ) 在计算机 工业中的地位，由此可见其重要性。 与此同时，燃料电池也有了突飞猛进的发展。燃料电池是直接将化学能转化 为电能的装置，所以它不受热力学中卡诺循环的限制，转换效率高，达6 0 以上。 这种装置具有无可比拟的优点：排放低，几乎是0 排放。而且，效率几乎不受功 率大小的影响。其中熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和固体氧化物燃料电池( s o f c ) 若 和燃气轮机组成先进的联合循环，其净效率可达7 0 。 随着电力系统放松控制以及世界上分布式热、电、冷联供的发展( 就地解决 热、电、冷供热，减少运输损失，提高安全性) ，中小型燃气轮机将会有更多、更 大的发展前景。微型燃气轮机和燃料电池组成的联合循环装置是最适合分布式热、 上海交通大学项士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 1 1 微型燃气轮机与燃料电池的发展趋势 从2 0 世纪8 0 年代以来，由于气动、材料、加工工艺的技术进步，燃气轮机 及其联合循环装置在电力系统中的地位迅速上升。它们不仅可以用作紧急备用电 源和尖峰负荷机组，还被用来携带基本负荷和中间负荷。目前，简单循环燃气轮 机功率己达2 6 0 唧，净效率为3 7 4 1 ( 透平前温度己达1 4 0 0 ) ；联合循环的单杌 功率为3 9 0 m w ，净效率达5 6 7 6 0 。特别是当天然气资源被广泛开发和应用后，燃 气轮机及其联合循环已经成为全世界电力工业中的主力机组。例如，据统计，1 9 9 8 年度欧洲2 1 个国家的新增电力设备容量中，8 1 是燃用天然气的燃气轮机及其联 合循环。美国能源部估计，美国烧天然气的电站的发电量将从1 9 9 7 年的5 0 9 x 1 0 9 k w h 增为2 0 2 0 年的1 5 8 2 x 1 0 9 k w h 。即使在不太发达的亚洲，近年来电网装机 容量的增量中，燃气轮机及其联合循环的份额也已超过3 6 。 微型燃气轮机是小型燃气轮机的一种，其功率范围在3 0 - 3 0 0 k w 或更小。近年 来随着全球范围内能源与动力需求结构以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮 机得到了电力、动力等有关部门的高度关注。1 9 9 8 年1 2 月美国能源部( d o e ) 主 持召开了微型燃气轮机技术高峰会( m i c r o t u r b i n et e c h n o l o g ys u m m i t ) ，专门讨 论有关微型燃气轮机技术研发及与政策和市场相关的问题，为制订微型燃气轮机 研发计划提供思路和建议。美国a s m e 副主席l a n g s t o n 在1 9 9 9 年度燃气轮机工业 回顾中指出：微型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机( p c ) 在计算机 工业中的地位，由此可见其重要性。 与此同时，燃料电池也有了突飞猛进的发展。燃料电池是直接将化学能转化 为电能的装置，所以它不受热力学中卡诺循环的限制，转换效率高，达6 0 以上。 这种装置具有无可比拟的优点：排放低，几乎是0 排放。而且，效率几乎不受功 率大小的影响。其中熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和固体氧化物燃料电池( s o f c ) 若 和燃气轮机组成先进的联合循环，其净效率可达7 0 。 随着电力系统放松控制以及世界上分布式热、电、冷联供的发展( 就地解决 热、电、冷供热，减少运输损失，提高安全性) ，中小型燃气轮机将会有更多、更 大的发展前景。微型燃气轮机和燃料电池组成的联合循环装置是最适合分布式热、 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 电、冷联供的动力机械。美国能源部提出2 l 世纪能源系统展望，就是燃料电池与 燃气轮机组成的联合循环，如图卜1 。同时，根据统计，2 0 0 0 年度( 1 9 9 9 6 - 2 0 0 0 5 ) 世界燃气轮机订货情况如表卜1 所示，而订货趋势则如同图卜2 所示。1 。从上述图 表可以看出：小型和大型燃气轮机的订货量呈上升趋势，其中小型燃气轮机的增 长是非常明显的。这说明燃气轮机的需求量向两极发展，且小型和微型燃气轮机 占有越来越重要的地位。 东 所用的燃料 南 功率等燃气亚、 由 级范围轮机 双天 西东 由 远 由 非北 澳南 柴重 歇欧东东亚洲美 m 霄台数 燃然 大美 油油 料气 利 亚 l - 0 2 01 7 l7 65 42 31 8341 5 l841 20 3 58 11 476 06 02 l 35 5 07 l4l2 l4 51 72 721 32 82 5 0 一7 51 0 7l379 61 691 81 265 3 7l 7 5 i 09g44i l 肛1 5l 764 i1 52 19 542 1 5 以o1 62l1 341 22 2 0 3 01 0 31 82 56 01 31 3 1 45 67 3 0 6 01 8 3772 51 4 42 2i 0l 681 2 4t 2 6 0 1 2 01 1 3l3 28 074l l 18 82 1 2 0 1 8 01 9 8ll6 4 1 3 263 674391 2 75 1 8 0 以上1 0 43 76 72 0 236 71 0 总计 1 2 0 31 2 3 7 42 4 l7 6 51 2 71 3 77 62 1 23 92 72 55 t 54 5 表1 1 19 9 9 年6 月至2 0 0 0 年5 月世界燃气轮机订货统计表 1 2 5 0 7 5 0 辙 d 汪 妪 2 5 0 0 o c 0 2 ( 去埋藏) ，污染物( h 2 s ，p m ，碱金属) 图卜12 1 世纪能源系统展望 f i g 1 - 1t h ep r o s p e c t o f e n e r g ys y s t e m s i n2 1 s tc e n t u r y 衄 = 机组 9 r 8 一 + 功率 地 9 0 5 一4 7 5 d 7 3 9 ；2 c；2 f 5 5 ( ，一 _ 一一 5 4 4 4 8 3 4 6 2 j l o ： 1 11 【3 5 _ 地 _ 1 7 ( 。b - j 4 2 7 j 塑， _ - 一 r 一 ， 2 - 一 - 图1 2 燃气轮机订货趋势 f i g t 一2t h et r e n do f o r d e rf o rg a st u r b t n e 3 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 本课题研究的意义 我国是能源生产大国，同时也是消费大国。能源的短缺使国家每年拿出大量 的外汇用于进口。同时，随着煤炭和石油的大量燃烧，造成的二氧化碳排放和烟 尘污染，使大气污染问题日益严重，“酸雨”、“温室效应”等已给人类的生存和发 展带来巨大伤害。因此加快能源的开发和生产，特别是洁净能源的生产，已经成 为我国经济可持续发展的迫切要求。天然气是一种高效洁净的优质能源，每使用 1 0 0 亿m 3 天然气可代替3 0 0 万吨煤炭燃料，可减少二氧化碳排放量3 6 万吨，减少 大气粉尘3 0 万吨。并且，世界范围内天然气资源的开发与开采，预计尚能使用4 0 6 0 年。根据美国c m a r c h e t i n 博士估算，世界一次能源的替代趋势如图卜3 所示。3 。 所以从优质能源和环保的角度来讲，2 1 世纪将是天然气的世纪。为此，国家大力 扶持天然气工业，其中“西气东输”工程就是国家西部开发的一项重要措施，这 为我国天然气的开发和利用提供了良好的发展环境“1 。 八 i 繁 i 一 能油腻秒 - 艾；i 遂 时间( 年) 图卜3 世界一次能源替代趋势 f i g i - 3t h et r e n do f t h es u b s t i t u t i o nf o re n e r g y 同时，世界各国政府解除了以往颁发的“天然气不准应用于发电动力”的禁 令，为广泛使用天然气松了绑。而“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，应尽可 能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相 同的能源服务水平的前提下，使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、 4 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论 效率最高。如果能将大量分散燃用的燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖 以生存的环境和生活质量就会大大改善。 分布式供电就是我国电力发展和可持续发展战略之一。分布式发电装置 ( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 是指功率为数k w 至5 0m w 小型模块式的、与环境兼 容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第3 方所有，用以满足电力系 统和用户特定的要求。如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电 投资、提高供电可靠性等等。分散供应系统将使新能源、分散能源得到最充分有 效的利用，并且可以大大提高能源的效率，减少输送损失。同时，分散式供电还 可毗使电力建设与负荷增长之间的适应性大大增强，从而可以减少由于电力发展 和负荷增长之间不相适应而造成的浪费和损失。在美国和西欧等国分散小型发电 量占新增长电量的比率迅速增长。 当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机( i n t e r n a l c o m b u s t i o n ) 、微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) 和各种工程用的燃料电池( f u e l c e1 1 ) 。分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源； 根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式，或冷热电三联产方式；根 据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方 式等。 以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种多样( 见表卜2 ) 。随着微型燃气 轮机技术的不断完善，微型燃气轮机发电机组已成为分布式供电的主力。 发电技术能源种类 内燃机发电技术 燃气轮机发电技术 微型燃气轮机发电技术化石能源 常规的燃油发电机发电技术 燃料电池发电技术 太阳能发电技术 风力发电技术 可再生能源 小水利发电技术 生物质发电技术 氢能发电技术二次能源 垃圾发电技术一般废弃物 表i - 2 主要的分布式供电方式 微型燃气轮机是功率为数百千瓦以下的、以天然气、甲烷、汽油、柴油等为 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 燃料的超小型燃气轮机。它的雏形可追溯到6 0 年代，但作为种新型的小型分布 式供电系统和电源装置的发展历史则较短。 微型燃气轮机大都采用回热循环，通常由透平、压气机、燃烧室、回热器、 发电机及电子控制部分等组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平 排气的预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数微型气轮机由燃气轮机 直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r p m 之间，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为6 0 h z 4 8 0 v 的交流 电。 燃料电池发电也是一种很有发展前途的洁净、高效的发电方式，被称为2 l 世 纪的分布式电源，与微型燃气轮机占有同样重要的地位。燃料电池发电技术在我 国有着广阔的发展前景。未来2 0 年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的 不断完善及液化天然气的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。 本课题就是在这种大背景下提出来的。若将燃料电浊与微型燃气轮机组成联合 装置，微型燃气轮机可显著提高燃料电池的性能。燃料电池发电后，同时还产生 大量的废热，利用微型燃气轮机可以将废热加以回收，重新用于发电，这样整个 装置的效率就会提高，可达7 0 以上。联合装置不仅可提高效率，而且可有效降低 排放，减少污染( 小于0 5 p p mn o ，无s 0 。c 0 ，燃料使用天然气) 。因此，在分布 式电源系统中，由燃料电池和微型燃气轮机组成的联合循环装置将有很大的生命 力。对燃料电池和微型燃气轮机联合循环装置进行性能分析，将有助于我们进一 步改进其性能，使其能更好地发挥其优点，为我国的发电事业做出贡献。 1 3 本课题研究的主要内容 本文主要对燃料电池和微型燃气轮机的联合循环装置进行性能分析。主要完 成了以下几个方面的工作： 1 根据微型燃气轮机的基本工作原理和特点，给出了微型燃气轮机的模型，并进 一步分析了其在额定工况和变工况下的性能。 2 根据燃料电池的基本工作原理，对燃料电池进行建模，这里采用的是高效管式 固体氧化物燃料电池s o f c ，并进一步考虑了反应堆布置、电流密度、空气利用 系数和电池工作温度等因素对s o f c 设计工况和变工况性能的影响。 3 在前面研究的基础上，由微型燃气轮机和s o f c 的模型，并考虑各种相容性及 技术上的要求，给出了联合循环装置的模型，进一步进行其额定工况和变工况 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 燃料的超小型燃气轮机。它的雏形可追溯到6 0 年代，但作为种新型的小型分布 式供电系统和电源装置的发展历史则较短。 微型燃气轮机大都采用回热循环，通常由透平、压气机、燃烧室、回热器、 发电机及电子控制部分等组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平 排气的预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数微型气轮机由燃气轮机 直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r p m 之间，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为6 0 h z 4 8 0 v 的交流 电。 燃料电池发电也是一种很有发展前途的洁净、高效的发电方式，被称为2 l 世 纪的分布式电源，与微型燃气轮机占有同样重要的地位。燃料电池发电技术在我 国有着广阔的发展前景。未来2 0 年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的 不断完善及液化天然气的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。 本课题就是在这种大背景下提出来的。若将燃料电浊与微型燃气轮机组成联合 装置，微型燃气轮机可显著提高燃料电池的性能。燃料电池发电后，同时还产生 大量的废热，利用微型燃气轮机可以将废热加以回收，重新用于发电，这样整个 装置的效率就会提高，可达7 0 以上。联合装置不仅可提高效率，而且可有效降低 排放，减少污染( 小于0 5 p p mn o ，无s 0 。c 0 ，燃料使用天然气) 。因此，在分布 式电源系统中，由燃料电池和微型燃气轮机组成的联合循环装置将有很大的生命 力。对燃料电池和微型燃气轮机联合循环装置进行性能分析，将有助于我们进一 步改进其性能，使其能更好地发挥其优点，为我国的发电事业做出贡献。 1 3 本课题研究的主要内容 本文主要对燃料电池和微型燃气轮机的联合循环装置进行性能分析。主要完 成了以下几个方面的工作： 1 根据微型燃气轮机的基本工作原理和特点，给出了微型燃气轮机的模型，并进 一步分析了其在额定工况和变工况下的性能。 2 根据燃料电池的基本工作原理，对燃料电池进行建模，这里采用的是高效管式 固体氧化物燃料电池s o f c ，并进一步考虑了反应堆布置、电流密度、空气利用 系数和电池工作温度等因素对s o f c 设计工况和变工况性能的影响。 3 在前面研究的基础上，由微型燃气轮机和s o f c 的模型，并考虑各种相容性及 技术上的要求，给出了联合循环装置的模型，进一步进行其额定工况和变工况 下的性能分析，找出在保证一定热效率的基础上，可以使微型燃气轮机和燃料 电池相匹配的最佳方式，并展望其将来的发展方向。 7 上海交通大学硕士学位论文 第二章微型燃气轮机的性能分析 第二章微型燃气轮机的性能分析 2 1 微型燃气轮机的发展状况 燃气轮机具有热效率高，污染少，耗水少甚至不耗水的优点，参与联合循环 的燃气轮机能使整个系统达到更高的效率，所以燃气轮机可以提供清洁、安静和 高效的动力，供发电、飞机与船用推进以及输气管道泵站动力等。然而，长期以 来，功率在数百千瓦及其以下的小型发电机组的市场，却一直由内燃机发电机组 占领，微型燃气轮机几乎没有立足之地。主要是因为微型燃气轮机单机循环效率 低，无法与内燃机相比。而且，微型燃气轮机转速高，通常要采用齿轮减速器降 速后与发电机相连，笨重的减速器和低速发电机把燃气轮机结构轻巧的优点给抵 消了。当然可以采用回热的方式来提高循环，但常规回热器的体积和重量通常比 燃气轮机本身还要大，而紧凑式的回热器制造成本很高，所以带有回热器的地面 应用始终打不开局面”1 。 9 0 年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃 气轮机发电机组，大大简化了结构，而且使整台发电机组的尺寸明显减少，重量 减轻。再加上在回热器上面取得的进展，微型燃气轮机才重新获得了人们的重视。 微型燃气轮机应用很广，最具代表性的是热电联产机组，系统总效率可达8 0 以上。用于混合动力汽车的微型燃气轮机最近也得到了很大的发展，微型燃气轮 机的市场很具潜力。先进燃气轮机技术是2l 世纪能源动力系统中的核心关键技术。 西部大开发的“西气东输”工程将对我国燃气轮机技术的发展起到重要的推动作 用，其中微型燃气轮机作为其沿线区域和边远地区的分布式电源也将得到极大发 展，鉴于微型燃气轮机在未来我国电力和动力系统中的重要作用以及研发经费较 低、周期较短，并且可为大型燃气轮机研发提供技术储备和经验，我们应该首先 大力发展微型燃气轮机技术。 2 2 微型燃气轮机结构特点 新的微型燃气轮机几乎全为径流式，即采用离心压气机和向心透平，在转子 上两者叶轮为背靠背结构，所用回热器一般用高效板式。有的机组还采用空气轴 上海交通大学硕士学位论文第二章微型燃气轮机的性能分析 第二章微型燃气轮机的性能分析 2 1 微型燃气轮机的发展状况 燃气轮机具有热效率高，污染少，耗水少甚至不耗水的优点，参与联合循环 的燃气轮机能使整个系统达到更高的效率，所以燃气轮机可以提供清洁、安静和 高效的动力，供发电、飞机与船用推进以及输气管道泵站动力等。然而，长期以 来，功率在数百千瓦及其以下的小型发电机组的市场，却一直由内燃机发电机组 占领，微型燃气轮机几乎没有立足之地。主要是因为微型燃气轮机单机循环效率 低，无法与内燃机相比。而且，微型燃气轮机转速高，通常要采用齿轮减速器降 速后与发电机相连，笨重的减速器和低速发电机把燃气轮机结构轻巧的优点给抵 消了。当然可以采用回热的方式来提高循环，但常规回热器的体积和重量通常比 燃气轮机本身还要大，而紧凑式的回热器制造成本很高，所以带有回热器的地面 应用始终打不开局面”1 。 9 0 年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃 气轮机发电机组，大大简化了结构，而且使整台发电机组的尺寸明显减少，重量 减轻。再加上在回热器上面取得的进展，微型燃气轮机才重新获得了人们的重视。 微型燃气轮机应用很广，最具代表性的是热电联产机组，系统总效率可达8 0 以上。用于混合动力汽车的微型燃气轮机最近也得到了很大的发展，微型燃气轮 机的市场很具潜力。先进燃气轮机技术是2l 世纪能源动力系统中的核心关键技术。 西部大开发的“西气东输”工程将对我国燃气轮机技术的发展起到重要的推动作 用，其中微型燃气轮机作为其沿线区域和边远地区的分布式电源也将得到极大发 展，鉴于微型燃气轮机在未来我国电力和动力系统中的重要作用以及研发经费较 低、周期较短，并且可为大型燃气轮机研发提供技术储备和经验，我们应该首先 大力发展微型燃气轮机技术。 2 2 微型燃气轮机结构特点 新的微型燃气轮机几乎全为径流式，即采用离心压气机和向心透平，在转子 上两者叶轮为背靠背结构，所用回热器一般用高效板式。有的机组还采用空气轴 上海交通大学硕士学位论文第二章微型燃气轮机的性能分析 承，这样就不需要润滑油结构，结构可以更简单。目前，微型燃气轮机发电机维 的发电效率已能达到3 0 ，工作寿命长，运行的维护费用远远低于广泛应用的柴油 机发电机组。 目前，微型燃气轮机的开发主要集中在北美和西欧。下面主要介绍一下几家 大公司的微型燃气轮机的结构特点。 c a p s t o n e 公司9 0 年代初开始开发微型燃气轮机发电机元件。1 9 9 4 年， c a p s t o n e 展出的首台样机为3 0 k w 燃机发电装置，型号8 2 4 。1 9 9 7 年对8 2 4 s 改进 型做了现场验收实验。1 9 9 8 年推出8 3 0 型2 8 k w 样机，如图2 1 所示“1 。该机为一 单轴发电机组，转速为9 6 0 0 0 r m i n ，l o 米以外的噪音低于6 0 d b ，用天然气作燃料 时，氧化氮排放为9 p p m ，一氧化碳排放为2 5 p p m ”3 。整个发动机安置在一个圆柱形 的排气壳内，压气机与透平叶轮背靠背，发电机用永久磁铁转子，它与燃气轮机 转子联为一个整体，称单转子结构，支撑在三个空气轴承上。空气从发电机处流 入，流经布有冷却翅片的发电机定子外围，冷却发动机后流入压气机。板式回热 器布置在机组外围，压缩后的空气在其中被加热后流入环形燃烧室。燃烧室出口 燃气在透平中做功后自中心流出并导流至回热器中，流出回热器后被收集起来从 机组上部排出。图中的箭头与数字示意了气流方向和流经部件的顺序。 图2 - 1c a p st o n e 的2 8 k w 燃气轮机发电机组 f i g 2 - 1c a p s t o n eg a st u r b i n eg e n e r a t o rf o r2 8 k w a l l i e d s i g n a l 公司1 9 9 8 年底开始生产7 5 k w 的微型燃气轮机发电机，如图2 2 所示。转速为8 5 0 0 0 r m i n ，单轴，转子支撑在两个空气轴承上。机组采用单管燃 烧室。板式回热器布置在透平排气端，该种布置不如图2 - 1 结构紧凑，但很容易 9 上海交通大学硕士学位论文第二章微型燃气轮机的性能分析 去掉回热器改成无回热的循环机组。图中箭头方向为气流方向”1 。 图2 - 2a 1 l i e d s i g n a l 的p a r a l i o n7 5 燃气轮机发电机组 f i g 2 - 2a 1 1 i e d s i g n a lp a r a l i o n7 5g a st u r b i n eg e n e r a t o r 图2 - 3 装备e l l o t t 核。机的b o w m a n 微型燃气轮机 f i g 2 - 3b o w r a a nm ic r o t u r b i n ow i t hb 1 1 i o t tc o r em a t h i r i o 0 上海交通大学硕士学位论文 第二章微型燃气轮机的性能分析 此外，e l l i o t t 推出的首台样机为t a - 4 5 透平交流发电机装置，功率为4 5 k w ， 转速为11 6 0 0 0 r m i n ，装置重约1 5 8 k g 。冷起动至全功率的时间小于1 0 秒，距罩 壳3 米处的声级为6 0 d b 。b o w m a n 公司主要将e l l i o t t 的微型透平发电机成套后， 销往欧洲市场，但高速发电机和调节控制系统均由b o w n m a n 公司独立完成。图2 3 所示为装有e 1 l i o t t 核心机的b o w n m a n 微型燃气轮机“。 由图2 一l 和图2 - 2 可以看出，机组的转子由压气机叶轮、透平叶轮、发电机 永磁转子组成，是一个整体。它是整台机组中唯一转动的部件，从而将运动部件 的个数降低到最少，大大提高了工作的可靠性。机组转子的支撑方案有两种，如 图2 4 所示。双支点的特点是轴承布置在发电机转子的两端，减少了透平叶轮的 悬臂量，使之尽可能地靠近压气机叶轮。三支点的特点是在压气机叶轮和透平叶 轮之间在增加一个3 4 轴承。两种支撑方案相比较，双支点的2 4 轴承的负荷大，并 应有较强的抗振能力，而三支点的3 轴承所处的位置工作温度较高”1 。 6 _ 发电机转子：c _ 压气机叶轮：t 啦平l 轮 图2 - 4 转子的支承结构 f i g 2 - 4t h es u p p o r tf r a m eo f r o t o r 大多数公司生产的微型燃气轮机的转子，除个别外，均用滑油润捃的轴承支 撑转子，这时应尽量使用双支点，而避免用图2 4 中的3 。轴承。 起动机由发电机兼之，燃气轮机起动时发电机做电机用，起动结束后再转为 发电机的工作状态，起动时由蓄电池供电，其直流电经逆变为交流电后才能使用。 机组的燃料泵或压缩机用电动机驱动，需用润滑油的机组的滑油泵也是由电动机 驱动。因此，燃气轮机无直接驱动的辅机，结构得到最大程度的简化，又可以大 大提高机组的可靠性。 上海交通大学硕士学位论文 第二章微型燃气轮机的出如分析 此种类型的机组常用空气轴承，是箔轴承结构，它用多片金属箔片嵌在轴承 体中形成，如图2 - 5 所示。图示为悬臂型，径向轴承的箔片沿轴承体内壁，顺序 而均匀重叠排列成鱼鳞状，箔片一端用镶嵌块嵌在轴承体内，另一端自由而与相 邻箔片重叠，使轴承与轴颈之间形成多个楔型间隙。当轴颈高速旋转时( 旋转方 向如图2 5 中的n ) ，生成承载气膜将轴颈抬起。为使机组起动和停机时轴颈与箔 片之间的接触摩擦降至最低程度，箔片表面有减摩涂层以提高轴承的工作寿命。 推力轴承按图示结构，推力盘的旋转方向为逆时针。由于空气的粘性很小，形成 承载气膜的圆周速度要比用油润滑的滑动轴承高很多，故空气径向轴颈直径较粗， 推力盘的直径也较大。 微型燃气轮机的结构，主要是根据其小功率、小流量下具有一定效率来确定 的，归纳起来有如下特点： ( 1 ) 采用单级离心压气机。小流量离心压气机比轴流式压气机效率高，而且级 压比高，结构简单，尺寸重量小，制造成本低，装置的运输和安装十分方 便。 ( 2 ) 多数采用单级向心涡轮。小流量，小功率的单级向心涡轮的效率高于单级 轴流涡轮，且燃气温度与叶片温度之差大，可以适当提高燃气温度来提高 燃机的热效率。 ( 3 ) 采用回流式单管或环形燃烧室。回流式燃烧室使燃机结构紧凑，而回流式 单管燃烧室结构简单，维修方便，适合于地面使用。 ( 4 ) 单轴结构。单级离心压气机和单级向心涡轮的采用，决定了微型燃气轮机 为单轴结构，这种结构调速性能好，能适应负荷的迅速变化，很适合作为 带动发电机的发电燃机。 上海交通大学硕士学位论文第二章微型燃气轮机的性能分析 箔片 箔片翟片 取出的箔片 y 8 ) 径向轴承 推力盘 轴承体 b ) 推力辘承 图2 - 5 悬臂型箔轴承 f i g 2 - 5f o l lc a r t i l e v e rb e a r i n g 2 3 回热器的结构形式 近几年来，微型燃气轮机得到了迅猛的发展，这里回热器的技术进步起了关 键性的作用。所以下面将主要介绍一下常用回热器的结构及作用。 回热器基本上可分表面式和再生式两类，而表面式回热器中又有管壳式、钣 式、钣翅式和一次传热表面( 新型板式) 几种不同的结构，可以用于微型燃气轮机 的主要是旋转再生式回热器、钣翅式回热器和一次传热表面回热器三种结构。 23 1 旋转再生式回热器 这种回热器的换热原理是由蓄热元件组成的回热器转子的低速旋转而交替地 通过固定的燃气和空气流道，燃气通过时将热量储于蓄热元件，空气通过时则自 元件中吸热，完成热的传递，如图2 6 所示。其蓄热元件由多孔型或纱网型、波 纹型金属材料组成，单位体积传热面积大，紧凑度高、重量轻、回热度高。它的 上海交通大学硕士学位论文 第二章微型燃气轮机的性能分析 箔片 箔片 翟片取出的箔片 y 8 ) 径向轴承 推力盘