燃料由油与燃气轮机组成的一体化发电系统.pdf

1/9 燃料电池与燃气轮机组成的一体化发电系统许世森(国家电力公司热工研究院)摘要 对各种燃料电池进行了综合比较。重点介绍团体氧化物(SoFC)燃料电池与微型燃气轮机组成的混合体化发电系统的构成和特点，简述了其性能和经济性，分析了这种发电技术的发展趋势和应用前景。关键词 燃料电池 燃气轮机 0 引言 燃料电池从 1839 年发明以来，就以高效、清洁而闻名。它是将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与常规发电技术相比，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到5070，被视为 21 世纪重要的发电方式之。但由于与其竞争的燃气轮机发电技术的飞速发展，其商业化的进展缓慢。直到20 世纪 90 年代，燃料电池在关键技术中取得了些突破，性能不断提高，目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005 年。2010 年 200 kW 将全面进入商业化。发电领域内的一个重要趋势是大型燃气轮机联合发电系统应用的增加。低于25MW 级电站，传统上被用于自备发电和驱动机械，但是，面对全球对电力的各种需求和集中电网出现的问题，为了向用户提供更安全可靠的电力，建设分散电源作为电网的有效补充，已逐渐成为世界能源界的共识。这预示着燃料电池和小型燃气轮机这两种高效清洁的分散电源有着广阔的应用前景。燃料电池在高温和加压下运行，使得燃料电池和小型燃气轮机组成混合式的一体化发电系统成为可能，而 SiemensWestinghouse经过长期的努力将其变为现实，在 2000 年 7 月，成功地开发出 220kW 加压型 SOFC 和 Micro-Turbine组成的一体化发电系统，目前正在位于美国 Califomia 的燃料电池研究中心进行实验。该装置的开发成功为组成大容量的燃料电池联合循环一体化发电系统奠定了坚实的基础，说明了燃料电池不仅可作为小容量的分散电源，而且可组成大容量的中心电站，标志着燃料电池进 入了一个崭新的阶段。l 各种燃料电池发电技术综合比较 目前，正在研究和发展的燃料电池主要有碱件燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔触碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池2/9(PEFC)。由于它们的电解质材料、电池结构和操作条件不同，使其性能各具特点，各有其适用的 X 围。(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC 功率密度和比功率较高、性能可靠。但它要以纯氢做燃料、纯氧做氧化剂，必须使用 Pt、Au、Ag 等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀性严重、寿命较短，这些特点决定了人 AFC 仅限于航天或军事应用，不适合于民用。(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中 CO2的存在。这使得 PAFC 成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与 AFC 相比，它可以在 180210运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC 的发电效率目前仅能达到 4045(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整；而且，燃料气中 C0的浓度必须小于 1(175)2(200)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使 PAFC 的寿命难以超过 40000 小时。PAFC 目前的技术已成熟，产品也进入商业化，作为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC 还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。(3)MCFC：在历 650700运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属；燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO 可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气蒸汽联合循环、使发电容量和发电效率进一步提高。与 SOFC 相比，MCFC 的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低 缺点是：必须配置 C02循环系统；要求燃料气中 H2S 和 CO 小于 O5mgkg；熔融碳酸盐具有腐蚀件，而且易挥发；肖 SOFC 相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比 SOFC 低。与低温燃料电池相比，MCFC 的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC 已接近商业化，示 X 电站的规模已达到 2MW。从 MCFC 的技术特点和发展趋势看，MCFC 是 将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。(4)S0FC：电解质是固体，可以被做成管形、板形成整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC 和 MCFC)相比，SOFC 避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到 70 OOO 小时)。CO 可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC 的运行温度在 1000左右，燃料可以任电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC 的启动时间较长，不适合作应急电源。与 MCFC 相比，SOFC 组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于 40000 小时)；但 SOFC 面临3/9 技术难度较大，价格可能比 MCFC 高。示 X 业绩证明 SOFC 是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500 kw50 MW)，也可用作大容量的中心电站(100 MW)。尤其是加压型 SOFC 与微型燃气轮机结合组成联合循环发电的示 X，将使 SOFC 的优越性进一步得到体现。(5)PEFC：PEFC 的运行温度较低(约 80)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与 PAFC 相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(4550(LHV)，对 co的容许值较高(10mgkg)。PEFC 的余热温度较低，热利用率较低。与 PAFC 和 MCFC 等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC 是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做 大容量中心电站。综上所述，MCFC 和 SOFC 这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。比较而言，SOFC 的运行温度最高(9501000)，更容易与底部的燃气轮机简单循环或联合循环形成一体化的发电系统，发电效率更高：2 SOFC 发电系统特性分析 常压 SOFC 发电系统，电池的高温排气用余热锅炉回收。大容量时可组成底部蒸汽循环发电，小容量时只能供热。加压 S0FC 发电系统，电池的高温排气可用小型燃气轮机回收，除带动压缩机外，还可以发电，大容量时，还可组成燃气蒸汽联合循环。2 1 常压 SOFC 发电系统分析图 1 是常压 SOFC 发电系统的原则流程图。常压的空气经过滤后，用空气压缩机或高压头风机压缩至丁艺过程要求的压力(主要是克服系统的阻 力)、然后，经过两级利用电池排气加热的预热器和一级空气加热器，在进入 SOFC 电池堆之前，使温度达到 600。管道天然气的压力应比工艺过程的压力高出 13 个大气压。天然气经脱硫后，直接进入 SOFC 电池堆，在电池堆内部天然气被重整为 H2 和 CO，参与电化学的氧化反应，产生直流电。燃料的利用率一般为 85。S0FC 的排气温度一般在 70850之间，通过余热锅炉和空气加热器来回收余热，产生蒸汽和加热空气。常压 SOFC 的发电效率一般为50(acLHV)。余热锅炉产生蒸汽和热水，可使总热效率达到 80(LHV)。常压 SOFC 的主要用途是热电联产。4/9 1997 年，荷兰 NUON 采用美国西屋公司的管形 S0FC 技术建成运行了 EOBEISAM 10OkW常压的 SOFC 热电联产系统，可向电网输送 100kW 交流电，同时以热水形式向当地的郊区热网中输送45kW的热源。该机组的最大出力可达到160kW，最高净发电效率可达到47(acLHV)。整个机组包括四个模块，即燃料供给系统、SOFC 电池堆、热回收系统、电气调节系统，每个模块独立出厂，模块之间在现场组装。若不算电气调节系统，该机组的体积为(859275358)8457m3。22 加压的 SOFC 联合循环发电系统分析 图 2 是加压 SOFC 和 GT(PSOFCGT)的联合循环发电系统原则流程图。该系统相当于用 SOFC 取代燃气轮机的燃烧室的燃气轮机联合循环发电系统。在 MW 级以下，只有燃气轮机发电，余热产生蒸汽和加热空气，无法组成燃气和蒸汽联合循环。50MW 以上可以组成 SOFC燃气蒸汽联合循环发电系统。非再热的单燃气轮机发电系统的发电效率可达到 6065(LHV)，若采用再热系统，发电效率可达到 70，未来大型 SOFC 发电系统(数百 MW)的发电效率可超过 72%（LHV）。热电联产的效率可达 85%。由燃气轮机驱动的压缩机将空气压缩到工艺所需的压力，经过一系列换热器，使进入 S0FC电池堆的空气温度达到 600700。SOFC 的排汽温度一般为 850、SOFC 的操作压力一般为 610 个大气压。系统优化研究还表明，在燃气轮机入口利用燃气补燃以提高燃机人口温度的做法并不能有效地提高整个系统的效率 WEstinghouse 公司对 250kW 至数百兆瓦的 PS0FCGT 系统进行了优化研究，总结出 SOFC 与 GT 的出力的最佳比为 35。由于它具有非常高的发电效率，Siemens Westinghouse 电力公司将把 250kW 的 PSOFCGT 做为他们的第一个商业产品，预计2001年可商业化。第一台220kW的PSOFCGT示X机组将采用已验证过的200kWSOFC5/9 和 20kW 的微型燃气轮机。SOFC 中包括 1152 个单电池。运行压力为 35 个大气压。体积与100 kW 常压型 S0FC 相当。该示 X 机组已于 2000 年 5 月开始在位于美国南加州的国家燃料电池研究中心进行示 X 实验。与此同时，一座 250kW 不带燃气轮机的热电联产 SOFC 发电系统正在加拿大进行示 X。一座 320kW 的燃料电池燃气轮机(POFCGT)发电系统正在设计之中。Westinghouse 希望尽快推出 MC 级 POFCGT 的商业化产品。1MW 的 PSOFCGT 系统将由 4 个 200 kW 电池堆组成，分成两组布置于一个水平放置的压力容器内，运行的压力也是 35 个大气压，燃气轮机的功率为 200 kW，发电效率超过 65(LHV)。该机组将于 2002 年投运。2MW 的 PSOFCGT 系统将采取两台燃气轮机一台用驱动压缩机，另一台用于发电，每台燃气轮机的燃烧室都用 S0FC 取代。空气压缩采取中间冷却式压缩。这样的系统可获得 70(LHV)的发电效率。图 3 是双级联合循环 PS0FCGT 发电系统流程图。在该系统个，第一级 SOFC 的操作压力为 9 个大气压，第一级燃气轮机驱动中间冷却式压缩机，没有净功率输出：第二级 SOFC 操作压力为 3 个大气压，第一级 SOFC 的排气做为第二级 SOFC 的阴极气，第二级 SOFC 的排气驱动发电燃气轮机。2MWPSOFCGT 系统比 l MW的占地增加 30。SOFC 巳达到很高的可靠性。最长运行时间已有 70000 小时，可以达到 lO 000 小时无衰减。在 13000 小时的运行时间里，可用率达到了 90，最长连续运行时间达到 6500 小时。燃料6/9 采用天然气、柴油或航空汽油：SOFC 是用空气冷却，若无蒸汽循环发电，则整个 PSOFCGT 系统的用水量很少。SOFC的运行噪音非常小，常压 S0FC 系统中唯一运转部件是鼓风机。由于 GT 的功率占总功率的 l3 或更少。所以，PSOFCGT 的噪音也远低于常规的发电方式(包括常规的联合循环)。SOFC发电系统的高效率使CO2的排放量大幅度减少，PS0FCGT系统单位出力下的C02排放量是荧国常规发电厂平均单位排放量的一半。S0Fox的排放可以控制在 2mgkg 以下。由于燃料进 SOFC 之前必须进行脱硫处理，因此，S0FC 的 SOx排放几乎没有。SOFC 既可与 GT 组成联合发电系统，也可组成 SOFCGTST 联合循环的发电系统，还可组成热电联产系统。3 Sure CELLTM 一体化 PSOFCTurbineSure CELLTM电站是将一个 SOFC 与个燃气轮机整体化系统。图 4 是它的简明工艺流程图。天然气被运送到电站内，预热和脱硫后，被压缩至所需压力。在热回收系统中由燃气轮机排气加热并送往S0FC 中。SOFC 系统所匹配的燃气轮机压力比率为 10：1。电气调节系统把直流电转变为交流电。SOFC 的排气(850和增压力下)被送往燃气轮机。本系统设计了一个天然气辅助燃烧器，可以优化整个系统。设备设计为简化装配和便于卡车运输：表 1 是 3MWe、5MWe 和 10MWe 概念电站的设计 表 1 SureCELL TM 概念电站设计性能 电站参数 3A4We 5MWe l0MWe 电站详述：电站净交流电出力(MWc)33 52 103 SOFC 净交流电出力(MWe)19 38 68 7/9 燃气轮机净交流电出力(Mw，f)14 14 36 燃料流量(kgh)391 509 1296 压缩空气(k9h)18565 18565 5544O 电站排烟量(kgh)l8950 19115 56160 电站排气温度()210 217 357 电站性能：电站效率(净 LHV，)61 69 61 Nox 排放(mgkg)5 4 5 电站计划成本：1996 承包安装电站成本($)1200 1000 900 计划的原型结构是一个 19MWe SOFC 与一个 14MWe 燃气轮机的联合，提供 3MWe 出力。19MWe SOFC 由三个子模块组成，每一个提供约 600kW，三个电池模块装在同一个容器中 c 运输条件的限制是束缚发电出力的因素，每增加一个 600 kW 模块使 SOFC 发电机组长度增加了 27m。计算的净发电效率在 6070之间。Westinghouse 对 Sure CELLTM电站进行了一个使用寿命期的估算。主要因素包括效率和燃料消耗、一次成本和安装费用、经费、计划中的运行和维护费用，还有可靠性和可用性等。评估同样是基于对 2000 年工业状况的预计，天然气燃料成本为$250300million Btu。电站的经费和建设成本从独立发电机(IPP)的角度出发。资金成本和对比系统的性能来自 1996 年版的燃气轮机世界年度设备报道。图 5 是这个评估的初步结果。在标准燃料成本和 2000 年时的设备成本下，Sure CELLTM电站比目前燃气轮机发电机组技术有 3040的发电成本优势。如与能源部先进的燃气轮机系统(ATS)或更大出力(50 MWe)设备相比,至少也有 20的优势。8/9 4 结论 4.1 MCFC 和 SOFC 既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。比较而言，S0FC 更容易与底部的燃气轮机简单循环或联合循环形成一体化的发电系统，发电效率更高。42 功率为 220 kW 的 PSOFCTurbine 系统已进入示 X，发电效率达到 5560；1MW PS0FCTurbine 系统将于 2002 年投入运行，发电效率可达到 6065；2MW3MWPSOFCTurbine 系统将于 2005 年投入运行，发电效率可达到 6570；预 计 2010 年，发电效率将达到 72；2015 年，发电效率将达到 80以上。43 SureCELLTM 电站与其它电站相比具有许多独特的优势。随着燃料电池发电技术的不断成熟和系统容量进一步增大，以及采用燃料电池和燃气轮机一体化，其比投资将大幅度减小了。其经济方面的优势将会是燃料电池分布式电站系统被广泛应用的一个催化剂。参考文献 1 许世森，朱宝田等，在我国电力系统发展的燃料电池发电 的技术路线和实施方案研究，国家电力公司热工研究 院，199912 2 FBevc，Advances in so1id oxide fuel cells and integated Power Plants，ProcInsnMechEngrsVol 211，pantA，PP359 3661997 9/9 3 FBevc，Parker，WG.，SureCELLTM integrated solid oxide fuel cell Power Plants for distributed PoWer In PowerGen95，Anaheim，Califomia，December U95 作者简介 许世森，男，1965 年 10 月出生。工学博士，高级工程师研 究室主任。长期从事 IGCC、燃料电池发电技术的研 究，是国家电力公司研究燃料电池发电技术的技术 路线和实施方案的技术负责人，负责编写国家电力 公司燃料电池发展规划。