二级循环发电二级循环发电

二级循环发电系统工艺流程见，,二.级级循环发电系统第一级循环为蒸汽循环，第二级循环为CO₂循环。空气与来自多股物流换热器的天然气进入反应器，燃烧反应产生高温烟气，在换热器1中与循环水充分换热后排出，循环水经过换热器1吸热后变为高温高压水蒸气，之后进入蒸汽轮机1膨胀做功，膨胀后的水蒸气乏汽经过换热器2与二级级循环的工质CO₂进行换热后，变为循环水，经泵1加加压再进入换热器1吸热，完成蒸汽循环。

CO₂循环中，通过泵2将液态CO₂进进行加压，之后进入多股物流换热器，与同时进入的LNG共同冷却来自蒸气轮机2的循环工质CO₂乏气，LNG气化吸热后与空气混合进入反应器进行燃烧反应。循环工质CO₂乏气被冷却液化，通过泵2加压，进入多股物流换热器吸热气化，进入换热器2再次吸热，之后进入蒸气轮机2膨胀做功，做功后CO₂乏气进入多股物流换热器被冷却液化，完成CO2循环。

单级循环发电系统工艺流程见图。常温常压（温度为30℃，绝对压力为0.1MPa）下的空气与天然气混合后送入反应器进行燃烧反应，系统中设定空气过剩系数为1.1，假设天然气完全燃烧，得到高温常压烟气，高温烟气经过换热器1与循环水进行换热，烟气在换热器1中换热后排出，高压循环水经过换热器1后气化为高温高压水蒸气，高温高压水蒸气通入蒸汽轮机膨胀做功，驱动发电机发电，膨胀之后的水蒸气乏汽先经过换热器2预热循环水，再进入冷凝器冷却液化，之后由泵进行加压，加压后的循环水先进入换热器2进行预热，之后再送入换热器1与高温烟气进行换热，完成一个循环过程。

（1）LNG在经过多股物流换热器后成为天然气，温度达到21℃，可以直接输入反应器中，不需要再经过气化器，同时循环工质CO2出口温度也达到了常温，不需要再通过空气加热器，实现对LNG冷能的充分利用，同时也节省了设备成本。

（2）蒸气轮机2出口的CO₂乏气完全吸收液态CO₂的气化潜热，CO₂乏气经过多股物流换热器后被冷却至液态，交换的热量分别由LNG和液态CO₂携带再次进入系统中。

（3）蒸汽循环工质水蒸气乏汽余热得到充分利用，在蒸汽轮机1中膨胀做功后物流3的乏汽温度高于700℃，处于较高的温度水平，在与CO₂循循环的CO₂换热后温度大大降低，同时由气态变为液态，汽化潜热全部释放，余热得到了充分回收利用。

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。

随着闪蒸温度的变化都出现最大值，前者的最佳闪蒸温度，为72.590(最大功率为614.2kW)，后者为9090;另一方面，由于闪蒸温度是双工质循环的热源温度，不论是比闪蒸系统或双工质循环单独发电时的最大功率。都要大20%以上，这表明，此发电系统在相同的资源条件下，能提供更多的电力。但是，由于闪蒸一双工质循环要用两台机组，设备投资较大;因此设计时要对电站投资和运行经济性进行评估:即对电站每千瓦投资及每吨地热水发电量进行综合分析，并考虑资源有效利用的社会效益。

地热水发电，由于焙降小，要提高汽轮机功率，只有增加流量。根据计算，在最佳闪蒸温度90℃时，闪蒸系统的每吨地热水净发电量Ne，1.914kWh/t，双工质循环为N。据此我们可计算出地热水流量与发电功率之间的变化关系:即随着流量增加，发电功率

也随之增加。例如，当地热水流t达350t/h时，总发电净功率可达1047.6kW，而功率愈大，电站经济性将愈好。因此，只要地热田条件允许，应尽可能增加地热水流量，或采用多口井提供热水。

在目前情况下，我国地热等新能源发电，总体上与化石燃料(煤、油、气)发电相比，经济上还不能与之竞争，需要国家政策支持。但在偏远的特殊地区，或在电网不到的偏远地区，地热发电在经济上是可行的(如西藏羊八井地热电站，年发电量100GWh，约占拉萨电网容的30%，在当地起着重要作用)。

由于工业上的高温余热资源和地热资源一样，可用以发电，因此本联合地热发电方法，可为工业余热发电提供参考 。

(1)单位投资费用和发电成本比较高；

(2)不适宜在功率较小的条件下使用； ‘

(3)对制造工艺要求很高。

一般来讲，煤气化联合循环发电适宜于采用含硫量高于3%的煤种，其装置功率最好能达到300～400MW及以上，这样才能有利于降低投资费用和发电成本。 2100433B