【摘 要】
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目前,我国大部分液化天然气（LNG）卫星站在实际运行过程中未对LNG冷能进行利用,气化过程中冷能直接被空气或水带走,造成了冷能的浪费。采用清洁高效的新型能源系统对LNG冷能进行利用已经成为能源行业发展的趋势之一。但是,目前采用固体氧化物燃料电池（SOFC）的集成系统对LNG冷能进行利用的研究尚不充足。且SOFC高温尾气有着较高的余热利用价值,湿空气透平（HAT）和注蒸汽燃气轮机（STIG）等湿化燃
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目前,我国大部分液化天然气（LNG）卫星站在实际运行过程中未对LNG冷能进行利用,气化过程中冷能直接被空气或水带走,造成了冷能的浪费。采用清洁高效的新型能源系统对LNG冷能进行利用已经成为能源行业发展的趋势之一。但是,目前采用固体氧化物燃料电池（SOFC）的集成系统对LNG冷能进行利用的研究尚不充足。且SOFC高温尾气有着较高的余热利用价值,湿空气透平（HAT）和注蒸汽燃气轮机（STIG）等湿化燃气轮机又需要稳定的热源。基于此,本文提出并研究了利用LNG冷能的SOFC-STIG分布式能源系统和SOFC-HAT分布式能源系统,完成的主要工作如下:建立了管式SOFC直接计算法模型,通过对比第三方实验数据验证了模型的准确性。与文献中直接计算法模型相比,本模型提高了计算结果的精确度。同时基于管式SOFC系统的性能评价准则,归纳分析出影响其热力性能的主要参数,并研究了主要参数对SOFC的电流密度、电压、输出电功率、设备?损失、电效率和?效率等主要热力性能指标的影响规律。研究表明,运行压力和运行温度的增加会提高SOFC系统的电效率和?效率等主要性能指标,而燃料流量的增加会降低SOFC系统的电效率和?效率等主要性能指标,燃料利用率在0.85时使SOFC系统的电效率和?效率等主要性能指标达到最优,为利用LNG冷能的SOFC集成系统的研究奠定了基础。从能量品位的角度出发,揭示了管式SOFC发电过程中燃料化学能梯级利用的机理:先通过重整反应将高品位的燃料气化学能转换成较低品位的合成气化学能,并通过降低的燃料化学能品位来提升重整反应热的品位,使其提升到合成气的品位,完成其化学能的一次利用,再通过SOFC内部的电化学反应,将合成气的化学能转换为电能,完成其化学能的二次利用。推导出了SOFC发电系统的品位平衡关系式和发电过程中化学能梯级利用的收益式,得到了发电过程中化学能有效利用的收益来源和成因。在此基础上,提出了系统集成中能量利用的原则,即根据能量的品位不同合理集成不同功能的系统,为后续集成系统的研究提供了理论依据。基于品位分析方法以及物理能与化学能的综合梯级利用原则,提出并研究了利用LNG冷能的SOFC-STIG分布式能源系统和SOFC-HAT分布式能源系统。建立了系统方案中湿化器等关键设备的数学模型,验证了模型的准确性并研究了主要参数对湿化器性能的影响;同时分别根据SOFC-STIG集成系统和SOFC-HAT集成系统的热力性能评价准则,对集成系统进行了能量分析和?分析,并研究了主要参数对其热力性能的影响规律。研究表明,两种新型集成系统中SOFC的?损失占系统总?损失的比例均最高,其中SOFC-HAT集成系统的SOFC?损失比例达到37.08%;两种新型集成系统的热力性能均随燃料流量的增大而降低;SOFC-STIG集成系统的热力性能随注蒸汽比的增大先升高后降低,在注蒸汽比为0.2384时,SOFC-STIG集成系统的热力性能最优;两种新型集成系统的热力性能随燃料利用率的增大先升高后降低,在燃料利用率为0.85时,两种新型集成系统热力性能最优。两种新型集成系统通过梯级利用LNG冷能,不仅降低了约10%的空气压缩机耗功,还有效回收了尾气中的CO2,其回收率和纯度均达到98%以上。此外,该系统还具有调峰功能,为我国LNG冷能利用提供了一种新途径,具有理论指导意义。建立了利用LNG冷能的SOFC-STIG分布式能源系统和SOFC-HAT分布式能源系统的性能分析模型,并从热力性能、经济性能和环境性能等多角度对比研究了两种新型集成系统与东南沿海某LNG接收站的冷能利用系统。结果表明,SOFC-STIG集成系统和SOFC-HAT集成系统的发电功率、发电效率、热效率和CO2排放量等综合性能指标均明显优于已有的冷能利用系统;两种新型集成系统具有不同的性能优势,SOFC-HAT集成系统在热力性能和LNG的气化能力方面较好,而SOFC-STIG集成系统在环境性能和经济性能方面较好。利用LNG卫星站冷能的SOFC-STIG集成系统和SOFC-HAT集成系统的提出和研究,为后续工程实践提供了合理的计算模型和理论支撑。
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