齊宇博,吳 昊,張 霖,張淑興,王雨晴
(1.中廣核研究院有限公司,廣東深圳 518124;2.北京理工大學(xué)機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種能夠連續(xù)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源裝置,因不受卡諾循環(huán)限制,發(fā)電效率通常在50%~60%[1],SOFC 與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合的靜態(tài)電廠,從1~500 kW 功率范圍均有發(fā)電示范,其系統(tǒng)的發(fā)電效率最高可達(dá)70%~90%[2]。作為一種顛覆性發(fā)電技術(shù),SOFC不僅具有能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn),還具有環(huán)境友好、應(yīng)用形式靈活等特點(diǎn),在大型電廠、汽車備用電源、航天及化工領(lǐng)域擁有廣闊前景[3]。SOFC 技術(shù)歷經(jīng)上百年的磨練,發(fā)展道路充滿艱辛。1899 年,Nernst 發(fā)明固體氧化物電解質(zhì)宣告SOFC技術(shù)的開始。1937 年,Baur 和Preis 等制造出第一個高溫陶瓷燃料電池,奠定了SOFC 的發(fā)展基礎(chǔ)[4]。1962 年,美國Weissbart 和Ruka 等首次使用甲烷作為燃料,擴(kuò)展了SOFC 的進(jìn)料范圍。1986 年,400 W 管式SOFC 電池組在田納西州運(yùn)行成功。1989 年,在日本東京、大阪煤氣公司各安裝3 kW 列管式SOFC 發(fā)電機(jī)組,連續(xù)運(yùn)行時間達(dá)到5 000 h,標(biāo)志著管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的研究從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)化。2000 年,美國西屋公司成功開發(fā)100 kW 管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng),能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到46%,連續(xù)運(yùn)行時間達(dá)到16 000 h[5]。2002 年,西屋公司與加州大學(xué)合作,在加州安裝一套220 kW 的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到58%。經(jīng)過無數(shù)SOFC 從業(yè)者的努力,固體氧化物電堆技術(shù)的發(fā)展取得了豐碩成果,現(xiàn)階段日本ENE-Farm 家庭電站700 W 管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的電效率達(dá)到55%,5 000 W 管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的電效率甚至可達(dá)65%以上[6-9]。SOFC 突飛猛進(jìn)地發(fā)展,但同時,也要清醒地認(rèn)識到SOFC 仍然存在性能不穩(wěn)定、高溫運(yùn)行部件易損壞的技術(shù)瓶頸,制約其產(chǎn)業(yè)前進(jìn)步伐。因此,如何考量各種技術(shù)要素,開發(fā)出綜合性能優(yōu)良的發(fā)電系統(tǒng)工藝,值得深入研究和思考。
國內(nèi)外學(xué)者在電堆發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面開展大量研究。大連理工大學(xué)薛利超等采用Aspen Plus 軟件模擬管式SOFC與微型燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)合系統(tǒng),詳細(xì)研究4 種發(fā)電系統(tǒng),卻未探討有無燃料再循環(huán)對管式SFOC 發(fā)電系統(tǒng)的利弊[10]。Gonzalo A等[11]采用Aspen Plus 建立1 MW 管式電堆發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,使用含硫化基雜質(zhì)如SO2、SO3燃料,并采用非能動引射器回流裝置來研究1 000 ℃高溫尾氣再循環(huán)技術(shù)特征,卻并未探討非陽極再循環(huán)的發(fā)電差異。Wayne Doherty 等[12]采用Aspen Plus 建立120 kW 陽極再循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng),研究生物質(zhì)氣等低品質(zhì)燃料發(fā)電,指出燃料利用率從55%變化至95%,AC發(fā)電效率為23.5%~40%。清華大學(xué)張斌等采用Aspen Plus 建立管式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,研究側(cè)重于論證化工軟件仿真發(fā)電系統(tǒng)的可靠性,而未探討多種發(fā)電工藝的利弊權(quán)衡[13]。本文采用相同的Aspen Plus 化工模擬軟件,構(gòu)建多種發(fā)電工藝,并與文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證模型的可靠性。本文分別構(gòu)建了有無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),保持燃料進(jìn)料、水碳比和空燃比等關(guān)鍵參數(shù)恒定,詳細(xì)分析和論證兩種發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo),并從工程實(shí)踐角度出發(fā),探討兩種發(fā)電系統(tǒng)的利弊,有關(guān)研究結(jié)論具有指導(dǎo)開發(fā)工程樣機(jī)的現(xiàn)實(shí)意義。
電堆關(guān)鍵的電化學(xué)反應(yīng)為[14-16]:
總體電化學(xué)反應(yīng)為:
模擬軟件尚無現(xiàn)成的電化學(xué)模塊,要特殊設(shè)計(jì)與開發(fā),采用以下關(guān)系式約束相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)參數(shù):
進(jìn)料氣為甲烷,水蒸氣重整反應(yīng)主要反應(yīng)為[17]:
千瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模擬分析中,采用吉布斯反應(yīng)器模擬甲烷蒸氣重整反應(yīng),考慮重整為吸熱反應(yīng),熱量來源為尾氣燃燒器化學(xué)反應(yīng)放熱,兩種設(shè)備能夠結(jié)合起來模擬。
使用Aspen Plus 軟件,構(gòu)建千瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的流程圖,如圖1 所示。該流程模型做如下基本假設(shè):在幾何尺度上,單模塊簡化為零維模型;在時間尺度上,單模塊簡化為穩(wěn)態(tài)模型;所有參與反應(yīng)的氣體為理想氣體;考慮系統(tǒng)的總體散熱,通常按陽極生產(chǎn)熱5%~10%模擬,本文結(jié)合固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),考慮系統(tǒng)散熱損失按250 W 計(jì)取,系統(tǒng)寄生功率損失按100 W 計(jì)取;同時,考慮系統(tǒng)的交直流轉(zhuǎn)換損失,轉(zhuǎn)換效率按95%計(jì)取。
圖1 發(fā)電系統(tǒng)流程
燃料進(jìn)氣為甲烷氣體,軟件物性方法選擇RKS-BM,該方法常用于合成燃料,例如合成氣體、煤氣化、煤液化等。Aspen Plus 軟件中有關(guān)模塊與發(fā)電系統(tǒng)部件對應(yīng)關(guān)系見表1。
表1 SOFC發(fā)電系統(tǒng)部件及模擬說明
本文根據(jù)文獻(xiàn)報道的發(fā)電系統(tǒng)模型[7,16],采集相同的計(jì)算輸入,包括:(1)SOFC 工作溫度取765 ℃;(2)SOFC 工作壓力取1.05×105Pa;(3)入口燃料和空氣溫度取25 ℃;(4)SOFC 電堆陽極出口溫度取765 ℃;(5)SOFC 電堆陰極出口溫度取750 ℃;(6)空氣組分O2∶N2為21∶79;(7)燃?xì)鈮嚎s機(jī)效率取90%;(8)空氣壓縮機(jī)效率取72%;(9)甲烷流量0.22~0.34 mol/min;(10)重整溫度為700 ℃;(11)空燃比為30;(12)水碳比為3。
本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報道結(jié)果進(jìn)行比較,見圖2。雙方計(jì)算結(jié)果較吻合,最低相對誤差僅0.034%。隨著燃料流量提高,雙方計(jì)算結(jié)果有一定差異,最大相對誤差為5.39%。本文研究結(jié)果與鐘杰等的研究相似[7,16],文獻(xiàn)報道的最大相對誤差為7.6%。通過與文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和比較,說明本文所建立的Aspen Plus 系統(tǒng)模型與實(shí)際SOFC 發(fā)電系統(tǒng)吻合較好,表明本發(fā)電模型的可靠性。同時,該模型還考慮系統(tǒng)散熱損失、交直流轉(zhuǎn)化損失、燃燒和重整的熱量耦合等,更能反映出實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)的工況。
圖2 發(fā)電功率比較
關(guān)于無燃料再循環(huán)千瓦級電堆發(fā)電系統(tǒng)的額定工況,做以下假設(shè)和約束:系統(tǒng)進(jìn)料方面,甲烷氣體額定流量0.01 kmol/hr,額定空燃比按35 計(jì)取,即空氣流量0.35 kmol/hr,假設(shè)空氣成分O2∶N2取值為0.21∶0.79,水碳比按3 計(jì)取,即去離子水流量0.03 kmol/hr。電堆方面,額定燃料利用率為0.70,電堆陽極進(jìn)口額定溫度800 ℃,電堆陰極進(jìn)口額定溫度750 ℃,電堆陽極和陰極出口溫度為850 ℃。系統(tǒng)部件方面,甲烷重整溫度800 ℃,燃燒尾氣分流按0.8∶0.2 擇取,為保障蒸發(fā)器有足夠汽化能量,汽化溫度規(guī)定為500 ℃。燃?xì)鈮嚎s機(jī)和空氣風(fēng)機(jī)的多變效率為0.8,機(jī)械效率為0.95。給水泵機(jī)械效率取0.8,電機(jī)效率取0.95。無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模擬流程如圖3 所示。
圖3 無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模擬流程
按燃料利用率70%的額定工況分析,系統(tǒng)交流發(fā)電功率為1 203.8 W,系統(tǒng)發(fā)電效率為49.3%。余熱排煙損失占比33.8%,為824.5 W。發(fā)電系統(tǒng)散熱損失及寄生功率占比14.3%,為350 W。交直流DC/AC 轉(zhuǎn)化損失占比2.6%,為63.4 W。綜合而言,發(fā)電系統(tǒng)熱電聯(lián)供效率達(dá)到83%。實(shí)際工程中,可通過改變模擬負(fù)載的電流值來控制發(fā)電系統(tǒng)的燃料利用率,從而控制系統(tǒng)發(fā)電功率,有必要模擬實(shí)際拉電流過程,參數(shù)化研究系統(tǒng)的燃料利用率,分析系統(tǒng)最佳操作狀態(tài)。
圖4 所示為無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明:電堆燃料利用率與電堆發(fā)電功率為正相關(guān)的線性關(guān)系,這是由于電堆入口燃料進(jìn)料保持恒定,燃料利用率與發(fā)電功率成正比、與工作電壓成反比。根據(jù)能斯特方程、電阻損失、活化損失和擴(kuò)散損失方程,電堆工作電壓受電堆溫度影響。有學(xué)者研究指出:電堆接觸電阻不僅與溫度相關(guān),也與電堆組裝壓力相關(guān)[18],對于已完成組裝的電堆,電堆溫度成為接觸電阻最主要的影響因素,在電堆工作溫度保持恒定情況下,電堆發(fā)電功率則與燃料利用率保持線性相關(guān)是成立的。WANG 等[19]建立柴油重整的SOFC-GCHP 發(fā)電系統(tǒng),其研究揭示系統(tǒng)燃料利用率從60%變化至85%,總體發(fā)電功率從102 kW 線性變化至116 kW,其線性變化規(guī)律與本文研究結(jié)果相似。
圖4 無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果
關(guān)于有燃料再循環(huán)千瓦級電堆發(fā)電系統(tǒng)的額定工況,有關(guān)假設(shè)和約束條件同上節(jié),燃料再循環(huán)分流比例方面,額定工況暫按50%分流份額計(jì)取。模擬流程如圖5 所示。
圖5 有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模擬流程
有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。研究結(jié)果表明:按燃料利用率70%的額定工況分析,發(fā)電系統(tǒng)交流發(fā)電功率為1 323.3 W,系統(tǒng)發(fā)電效率為53.96%。余熱排煙損失占比28.9%,為708.7 W。發(fā)電系統(tǒng)散熱及寄生損失占比14.3%,為350 W。交直流DC/AC 轉(zhuǎn)化損失占比2.8%,為69.6 W。
圖6 有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果
研究表明:在相同進(jìn)料下,有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率要普遍高于無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。在燃料利用率70%的額定工況下,有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)交流發(fā)電功率為1 323.3 W,相比無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的1 203.8 W,多出119.5 W。有燃料再循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率為53.96%,發(fā)電效率提高4.67%。有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的重整器吸熱較高,為1 300.3 W,相比無燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的813.4 W,提高37.4%,這是因?yàn)樵傺h(huán)過程中,更多的燃料進(jìn)入重整器發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。發(fā)電功率與發(fā)電效率比較及分流比影響如圖7所示。
圖7 發(fā)電功率與發(fā)電效率比較及分流比影響
研究表明,約束電堆陽極燃料再循環(huán)比例,盡管會對發(fā)電系統(tǒng)功率和電效率有一定影響,然而影響程度有限,例如再循環(huán)比例65%,發(fā)電效率為52.74%;再循環(huán)比例35%,發(fā)電效率為54.64%,增量為1.9%,反映到電功率則多發(fā)46.6 W??傮w上,保持電堆燃料利用率不變的前提下,再循環(huán)比例越低,發(fā)電效率越高,余熱損失越小。這是由于再循環(huán)分流量會同時影響重整器化學(xué)反應(yīng)的吸熱量、燃燒尾氣溫度、廢氣余熱損失等,是深度耦合的交叉影響。再循環(huán)比例不能低于35%,否則會造成發(fā)電系統(tǒng)熱量分布不匹配,致使發(fā)電系統(tǒng)熱失穩(wěn)。
維持電堆額定燃料利用率70%的前提下,盡管有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)能夠提高發(fā)電效率,但從工程實(shí)踐角度出發(fā),有燃料再循環(huán)弊端也非常明顯,主要體現(xiàn)在:一是增加發(fā)電系統(tǒng)熱耦合程度,致使發(fā)電系統(tǒng)控制上的自由度下降,實(shí)際調(diào)試難度和不確定性增加,提高系統(tǒng)研發(fā)的時間投入;二是發(fā)電系統(tǒng)要增設(shè)一臺高溫燃料再循環(huán)壓縮機(jī),目前國內(nèi)高溫壓縮機(jī)選型較困難,這不但增加發(fā)電系統(tǒng)的造價,也增加發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)成本,降低系統(tǒng)的可靠性。
盡管通過適當(dāng)提高電堆運(yùn)行溫度[20],優(yōu)化燃燒尾氣利用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[21],選擇合適的重整催化劑[22],能提高電堆發(fā)電系統(tǒng)的凈電效率,然而從工程實(shí)踐角度出發(fā),最有效的措施還是強(qiáng)化發(fā)電系統(tǒng)絕熱,降低系統(tǒng)排煙絕熱損失,并在電堆技術(shù)參數(shù)許可下,適當(dāng)提高燃料利用率,發(fā)電效率提升則更直接。
(1)本文所建立的千瓦級發(fā)電系統(tǒng)Aspen Plus 模型與有關(guān)文獻(xiàn)報道的計(jì)算結(jié)果相吻合,雙方計(jì)算誤差低于5%。
(2)若約束電堆額定燃料利用率為70%,發(fā)電系統(tǒng)交流發(fā)電功率為1 203.8 W,系統(tǒng)交流發(fā)電效率為49.3%。其中,余熱排煙損失占比33.8%,為824.5 W。發(fā)電系統(tǒng)散熱損失及寄生功率占比14.3%,為350 W。交直流DC/AC 轉(zhuǎn)化損失占比2.6%,為63.4 W。燃料利用率與系統(tǒng)發(fā)電功率呈線性正相關(guān)性,這與本文實(shí)驗(yàn)室觀察測試數(shù)據(jù)相吻合。
(3)若約束電堆額定燃料利用率為70%,發(fā)電系統(tǒng)交流發(fā)電功率為1 323.3 W,系統(tǒng)發(fā)電效率為53.96%。余熱排煙損失占比28.9%,為708.7 W。發(fā)電系統(tǒng)散熱及寄生損失占比14.3%,為350 W。交直流DC/AC 轉(zhuǎn)化損失占比2.8%,為69.6 W。
(4)盡管有燃料再循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)能提高系統(tǒng)發(fā)電效率,例如分流比例50%情況下,系統(tǒng)發(fā)電效率提高4.67%。然而,有燃料再循環(huán)卻帶來工程實(shí)踐上的兩項(xiàng)弊端。該發(fā)電流程下,燃料再循環(huán)最佳比例為35%~50%,調(diào)整再循環(huán)分流比例對發(fā)電系統(tǒng)總體功率輸出影響非常有限。