顶层简介

【释义】：1.紧贴在板状矿床(如煤层或矿脉)上面的岩石。

2.最上面的一层。2100433B

曾迪琰教授撰写的《解析顶层设计》一书，首次定义了什么是顶层设计，并对顶层设计进行了系统梳理。 分十章系统讲解了顶层设计中“顶层”的三要素和“设计”的三要素，并结合具体的顶层设计实例，分析了顶层设计与其他设计的区别，阐释了开展顶层设计的意义和作用。顶层设计在各种事物决策的过程中得以广泛应用，已成为决策者以及决策机构必备的决策工具和决策方式。全书结构严谨，分析透彻，注重理论联系实际，有一定的实用性和参考价值。

顶层循环系统作为热机热循环利用的组成构件，可有效将高温废热气体的热量转化为有用功并高效输出。在燃料电池中利用比较广泛。被誉为绿色能源的熔融碳酸盐燃料电池具有高效无污染的突出优点，是21世纪最有吸引力的发电方法之一，高品位的废热使得它可以和燃气轮机组成联合顶层循环系统，从而大幅度地提高装置整体效率，在分布式发电领域具有十分重要的意义。在IPSEPRO仿真环境下建立了顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机联合顶层循环系统仿真模型。利用该模型对联合系统在额定工况和变工况下的稳态性能进行了仿真研究，并对平均电流密度、燃料利用系数等参数对系统性能的影响作了探讨。仿真结果表明，熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机联合顶层循环系统具有较高的发电效率，并具有良好的变负荷特性。

顶层循环研究背景

固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机结合组成的混合发电系统由于具有较高的发电效率，引起了国内外的广泛关注。顶层循环SOFC/MGT混合发电系统,在获得高的发电效率方面得到了较为一致的认可，成为SOFC/MGT混合发电系统典型的流程结构。如何进一步提高顶层循环混合系统的发电效率，成为当前的研究热点。研究表明：提高电池堆燃料利用率可以提高混合发电系统的发电效率，但燃料利用率的提高要受到当前技术水平的限制，不可能达到很高；另外，提高电池堆的工作温度与增加燃料电池单体个数可以提高混合发电系统的效率，但是两者都受到微燃气轮机透平允许的最高进口烟气温度的限制。研究针对典型的顶层循环SOFC/MGT混合发电系统的特点与问题进行了改进，引入陶瓷质子膜分离技术，把燃料电池堆阳极反应产物中未反应的氢气分离出来引入第二级电池堆继续发生电化学反应，提出了SOFC两级串联/MGT混合发电新系统。该改进方法可在相同的电池堆燃料利用率及相同的透平进口温度下，使混合发电系统发电效率得到显著的提高。

顶层循环顶层循环混合发电系统改进方案

为了便于研究问题，选取了具体的算例进行计算分析。以典型的顶层循环SOFC/MGT混合发电系统作为基准系统，如图1所示；对基准系统改进后的新系统如图2所示。

基准系统：系统选用以甲烷与空气为原料的管式固体氧化物燃料电池。采用内部重整使甲烷反应生成所需的氢气，空气由压气机压缩、经换热器加热后进入SOFC阴极。甲烷气体由压缩机压缩后与余热锅炉产生的水蒸气混合，经换热器加热后进入SOFC阳极。在阳极室甲烷与水蒸气发生重整与置换反应，产生氢气。空气中的氧在空气极/电解质界面被还原，氧离子通过电解质向阳极移动。在燃料极，氧离子与氢气发生电化学反应，生成水，放出电子。电子通过外电路返回空气极，形成回路，电流通过DC/AC换流器转换为交流电。阳极与阴极的产物进入后燃室，其中可燃成分完成燃烧，燃气进入透平做功，排气分为两部分，一部分进入换热器1(HR 1)，预热空气后再进入余热锅炉生产水蒸气。另一部分进入换热器2(HR 2)预热燃料混合物。

改进后系统：改进后的混合发电系统如图2所示。采用陶瓷质子膜对第一级电池堆阳极反应产物进行分离，分离出来的氢气先由燃料及水蒸气混合物冷却，然后进入压气机3升压，压缩后的氢气进入换热器4(HR 4)被透平出口准备预热燃料混合物的烟气加热，最后被引入第二级电池堆的阳极；同时，第一级电池堆的阴极产物被引入在第二级电池堆中阴极。在第二级电池堆中氢气继续发生电化学反应。第二级电池堆的反应产物与分离膜分离氢气后的其它气体均进入后燃烧室混合燃烧，后燃室出口燃气进入透平膨胀做功。

顶层循环系统改进效果分析

提高电池堆的燃料利用率、提高电池堆工作温度及增加电池单体个数可以提高混合系统发电效率，但是燃料利用率受到技术水平的限制，而后两者受到透平允许的最高烟气进口温度的限制。所以，混合系统发电效率的进一步提高需要对原系统的流程结构进行改进才能实现。

采用陶瓷质子膜分离后，第二级电池堆阳极中燃料为纯氢气，且反应温度高，可以顺利的继续进行电化学反应。改进后新系统中第一级电池堆与第二级电池堆采用的电池堆燃料利用率以当前的技术是可以实现的。本质上讲，改进系统是通过有效反应气体(氢气)的分离技术实现了总的电池堆燃料利用率的提高。并且，改进后系统的后燃室出口烟气温度保持了原系统的930℃，满足了透平最高进口温度的要求。