頂層循環(huán)概念

頂層循環(huán)系統(tǒng)作為熱機熱循環(huán)利用的組成構(gòu)件，可有效將高溫廢熱氣體的熱量轉(zhuǎn)化為有用功并高效輸出。在燃料電池中利用比較廣泛。被譽為綠色能源的熔融碳酸鹽燃料電池具有高效無污染的突出優(yōu)點，是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一，高品位的廢熱使得它可以和燃氣輪機組成聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)，從而大幅度地提高裝置整體效率，在分布式發(fā)電領(lǐng)域具有十分重要的意義。在IPSEPRO仿真環(huán)境下建立了頂層熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃氣輪機聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)仿真模型。利用該模型對聯(lián)合系統(tǒng)在額定工況和變工況下的穩(wěn)態(tài)性能進行了仿真研究，并對平均電流密度、燃料利用系數(shù)等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響作了探討。仿真結(jié)果表明，熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃氣輪機聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率，并具有良好的變負荷特性。

頂層循環(huán)研究背景

固體氧化物燃料電池與微型燃氣輪機結(jié)合組成的混合發(fā)電系統(tǒng)由于具有較高的發(fā)電效率，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng),在獲得高的發(fā)電效率方面得到了較為一致的認可，成為SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)典型的流程結(jié)構(gòu)。如何進一步提高頂層循環(huán)混合系統(tǒng)的發(fā)電效率，成為當(dāng)前的研究熱點。研究表明：提高電池堆燃料利用率可以提高混合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，但燃料利用率的提高要受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，不可能達到很高；另外，提高電池堆的工作溫度與增加燃料電池單體個數(shù)可以提高混合發(fā)電系統(tǒng)的效率，但是兩者都受到微燃氣輪機透平允許的最高進口煙氣溫度的限制。研究針對典型的頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)的特點與問題進行了改進，引入陶瓷質(zhì)子膜分離技術(shù)，把燃料電池堆陽極反應(yīng)產(chǎn)物中未反應(yīng)的氫氣分離出來引入第二級電池堆繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，提出了SOFC兩級串聯(lián)/MGT混合發(fā)電新系統(tǒng)。該改進方法可在相同的電池堆燃料利用率及相同的透平進口溫度下，使混合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率得到顯著的提高。

頂層循環(huán)頂層循環(huán)混合發(fā)電系統(tǒng)改進方案

為了便于研究問題，選取了具體的算例進行計算分析。以典型的頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)作為基準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖1所示；對基準(zhǔn)系統(tǒng)改進后的新系統(tǒng)如圖2所示。

基準(zhǔn)系統(tǒng)：系統(tǒng)選用以甲烷與空氣為原料的管式固體氧化物燃料電池。采用內(nèi)部重整使甲烷反應(yīng)生成所需的氫氣，空氣由壓氣機壓縮、經(jīng)換熱器加熱后進入SOFC陰極。甲烷氣體由壓縮機壓縮后與余熱鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣混合，經(jīng)換熱器加熱后進入SOFC陽極。在陽極室甲烷與水蒸氣發(fā)生重整與置換反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被還原，氧離子通過電解質(zhì)向陽極移動。在燃料極，氧離子與氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水，放出電子。電子通過外電路返回空氣極，形成回路，電流通過DC/AC換流器轉(zhuǎn)換為交流電。陽極與陰極的產(chǎn)物進入后燃室，其中可燃成分完成燃燒，燃氣進入透平做功，排氣分為兩部分，一部分進入換熱器1(HR 1)，預(yù)熱空氣后再進入余熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣。另一部分進入換熱器2(HR 2)預(yù)熱燃料混合物。

改進后系統(tǒng)：改進后的混合發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。采用陶瓷質(zhì)子膜對第一級電池堆陽極反應(yīng)產(chǎn)物進行分離，分離出來的氫氣先由燃料及水蒸氣混合物冷卻，然后進入壓氣機3升壓，壓縮后的氫氣進入換熱器4(HR 4)被透平出口準(zhǔn)備預(yù)熱燃料混合物的煙氣加熱，最后被引入第二級電池堆的陽極；同時，第一級電池堆的陰極產(chǎn)物被引入在第二級電池堆中陰極。在第二級電池堆中氫氣繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。第二級電池堆的反應(yīng)產(chǎn)物與分離膜分離氫氣后的其它氣體均進入后燃燒室混合燃燒，后燃室出口燃氣進入透平膨脹做功。

頂層循環(huán)系統(tǒng)改進效果分析

提高電池堆的燃料利用率、提高電池堆工作溫度及增加電池單體個數(shù)可以提高混合系統(tǒng)發(fā)電效率，但是燃料利用率受到技術(shù)水平的限制，而后兩者受到透平允許的最高煙氣進口溫度的限制。所以，混合系統(tǒng)發(fā)電效率的進一步提高需要對原系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)進行改進才能實現(xiàn)。

采用陶瓷質(zhì)子膜分離后，第二級電池堆陽極中燃料為純氫氣，且反應(yīng)溫度高，可以順利的繼續(xù)進行電化學(xué)反應(yīng)。改進后新系統(tǒng)中第一級電池堆與第二級電池堆采用的電池堆燃料利用率以當(dāng)前的技術(shù)是可以實現(xiàn)的。本質(zhì)上講，改進系統(tǒng)是通過有效反應(yīng)氣體(氫氣)的分離技術(shù)實現(xiàn)了總的電池堆燃料利用率的提高。并且，改進后系統(tǒng)的后燃室出口煙氣溫度保持了原系統(tǒng)的930℃，滿足了透平最高進口溫度的要求。

微型燃氣輪機(Microturbine)功率范圍大約30～300kW，通常采用回?zé)嵫h(huán)。微型燃氣輪機發(fā)電效率已提高到25%～30%，與同功率等級的內(nèi)燃機相比，先進微型燃機技術(shù)具有潔凈、可靠、緊湊、可移動、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，并具有燃用多種燃料、低燃料消耗率、低噪聲、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等重要技術(shù)特征?，F(xiàn)今微型燃氣輪機的主要發(fā)展趨勢是：在進一步提高發(fā)電效率的前提下，盡量降低機組成本，促進其市場推廣。研究動力學(xué)非穩(wěn)態(tài)過程和設(shè)備，如波轉(zhuǎn)子(Wave Rotor)，它利用波現(xiàn)象和脈動壓力增益燃燒來提高機組的發(fā)電效率，有效地控制了成本。

頂層循環(huán)波轉(zhuǎn)子

波轉(zhuǎn)子概念已經(jīng)提出半個多世紀(jì)了，隨著新技術(shù)的發(fā)展特別是不穩(wěn)定波動的研究，它的研究開發(fā)又得到了人們的重新重視。波轉(zhuǎn)子是一種自冷式動態(tài)增壓裝置，在微型燃氣輪機中應(yīng)用，可以提高其功率系數(shù)并降低燃料消耗量，其結(jié)構(gòu)如圖3，圖4為NASA 四開口波轉(zhuǎn)子。在圓柱形滾筒側(cè)壁中安排著許多氣流通道，兩端各有一個環(huán)形側(cè)板，環(huán)形側(cè)板上有許多的小孔用來控制氣流通道。環(huán)形側(cè)板上孔的數(shù)量和位置是由波轉(zhuǎn)子的應(yīng)用需求決定的。波轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，流通通道周期性地與環(huán)形側(cè)板上的小孔相吻合，氣流則流經(jīng)通道并在其內(nèi)部壓縮或者膨脹。波轉(zhuǎn)子中沒有像活塞或者壓氣機葉輪那樣的機械部件，它與傳統(tǒng)的穩(wěn)流渦輪機組不同，是采用特殊的幾何結(jié)構(gòu)，利用兩股流體之間的不穩(wěn)定波動進行能量交換，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮和膨脹，與傳

統(tǒng)的穩(wěn)流渦輪機組相比，具有較高的等熵效率。波轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了在一個機構(gòu)上可同時進行氣體的壓縮和膨脹。波轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周通常至少完成兩次氣流交換過程：高壓過程和低壓過程。在高壓過程中，通過壓縮波直接將驅(qū)動氣流的能量轉(zhuǎn)移；在低壓過程中，驅(qū)動氣流利用膨脹波降壓，并流出波轉(zhuǎn)子。

頂層循環(huán)微型燃氣輪機與波轉(zhuǎn)子頂層循環(huán)

波轉(zhuǎn)子頂層簡單循環(huán)和微型燃氣輪機簡單循環(huán)具有相同的透平入口溫度和壓氣機壓比。在波轉(zhuǎn)子頂層簡單循環(huán)中，波轉(zhuǎn)子并沒有軸功消耗，波轉(zhuǎn)子在壓縮過程所消耗的功與膨脹過程中所做的功是相等的。微型燃氣輪機簡單循環(huán)中1b到4b的能量增加值與波轉(zhuǎn)子頂層簡單循環(huán)中1A到4A的能量增加值也是相等的。波轉(zhuǎn)子頂層循環(huán)輸出功之所以比微型燃氣輪機簡單循環(huán)輸出功要高，主要是由于波轉(zhuǎn)子頂層簡單循環(huán)的壓力增益比微型燃氣輪機簡單循環(huán)的壓力增益要高(P4A>P4b)。因此波轉(zhuǎn)子頂層簡單循環(huán)的熱效率比微型燃氣輪機簡單循環(huán)的要高。

頂層循環(huán)研究結(jié)論

波轉(zhuǎn)子是一種增壓裝置，它主要通過提高透平入口燃氣的壓力來提高整個機組的性能。在微型燃氣輪機循環(huán)中，波轉(zhuǎn)子位于離心壓氣機和透平之間，與燃燒室并排放置。波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，在微型燃氣輪機中應(yīng)用，可有效控制其成本，有利于市場推廣。由上面計算可知，在微型燃氣輪機簡單循環(huán)中加入波轉(zhuǎn)子可以有效地提高發(fā)電功率及其效率。如果在微型燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)中使用波轉(zhuǎn)子，其性能可以進一步得到提高。 2100433B

曾迪琰教授撰寫的《解析頂層設(shè)計》一書，首次定義了什么是頂層設(shè)計，并對頂層設(shè)計進行了系統(tǒng)梳理。 分十章系統(tǒng)講解了頂層設(shè)計中“頂層”的三要素和“設(shè)計”的三要素，并結(jié)合具體的頂層設(shè)計實例，分析了頂層設(shè)計與其他設(shè)計的區(qū)別，闡釋了開展頂層設(shè)計的意義和作用。頂層設(shè)計在各種事物決策的過程中得以廣泛應(yīng)用，已成為決策者以及決策機構(gòu)必備的決策工具和決策方式。全書結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹，分析透徹，注重理論聯(lián)系實際，有一定的實用性和參考價值。

當(dāng)悶頂層設(shè)計加以利用時凈高超過2.10m的部位應(yīng)計算全面積；凈高在1.20m至2.10m的部位應(yīng)計算1/2面積；當(dāng)設(shè)計不利用或室內(nèi)凈高不足1.20m時不應(yīng)計算面積。2100433B

序

第一講 對頂層設(shè)計中“頂層”的理解

1.1 “頂層”的一般意義

1.2 “頂層”的特殊意義

1.2.1 頂層設(shè)計行為人對行為本身的“頂層”給定

1.2.2 頂層設(shè)計行為人對事物本身的“頂層”給定

1.2.3 頂層設(shè)計行為人對頂層設(shè)計成果的“頂層”給定

1.3 對頂層設(shè)計中“頂層”的定義

第二講 對頂層設(shè)計中“設(shè)計”的理解

2.1 “設(shè)計”的一般含義

2.2 “設(shè)計”的特殊含義

2.2.1 對頂層設(shè)計事前的“設(shè)計”的理解認識

2.2.2 對頂層設(shè)計事中的“設(shè)計”的理解認識

2.2.3 對頂層設(shè)計事后的“設(shè)計”的理解認識

2.3 對頂層設(shè)計中“設(shè)計”的定義

第三講 對頂層設(shè)計中“決策者”的理解

3.1 決策與決策者

3.1.1 決策

3.1.2 決策者

3.2 對頂層設(shè)計中“決策者”的理解

3.2.1 頂層設(shè)計中“決策者”的產(chǎn)生

3.3 頂層設(shè)計中“決策者”的作用

3.3.1 頂層設(shè)計中“決策者”的領(lǐng)導(dǎo)作用

3.3.2 頂層設(shè)計中“決策者”的核心作用

3.3.3 頂層設(shè)計中“決策者”的決策作用

3.4 對頂層設(shè)計中“決策者”的要求

3.5 頂層設(shè)計中的領(lǐng)導(dǎo)者、決策者、設(shè)計者、參與者

第四講 對頂層設(shè)計中“系統(tǒng)”的理解

4.1 辭書、字典、詞典中“系統(tǒng)”的定義

4.2 國內(nèi)外一些知名專家、學(xué)者對“系統(tǒng)”定義的表述

4.3 相關(guān)系統(tǒng)工程學(xué)教材對“系統(tǒng)”的定義

4.3.1 系統(tǒng)及其要素

4.3.2 系統(tǒng)和環(huán)境

4.3.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.3.4 系統(tǒng)的功能

4.4 本書中所用“系統(tǒng)”的自定義

4.4.1 注重系統(tǒng)的內(nèi)外在統(tǒng)一性

4.4.2 “系統(tǒng)”的自定義

4.5 簡述系統(tǒng)思想、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)功效、系統(tǒng)共性特性、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)運用、系統(tǒng)科學(xué)

4.5.1 系統(tǒng)思想

4.5.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.5.3 系統(tǒng)功能

4.5.4 系統(tǒng)功效

4.5.5 系統(tǒng)共性、特性

4.5.6 系統(tǒng)的分類

4.5.7 系統(tǒng)的運用

4.5.8 系統(tǒng)科學(xué)

第五講 對頂層設(shè)計中“系統(tǒng)工程”的理解

5.1 認識“系統(tǒng)工程”

5.1.1 “系統(tǒng)工程”的定義

5.1.2 “系統(tǒng)工程”的由來

5.1.3 “系統(tǒng)工程”的若干標(biāo)志性成就

5.1.4 “系統(tǒng)工程”的作用和系統(tǒng)工程師

5.2 “系統(tǒng)工程”的自定義或稱“系統(tǒng)工程”的實用性理解

第六講 對頂層設(shè)計中“謀劃”的理解

6.1 謀劃

6.1.1 想辦法（設(shè)計）

6.1.2 權(quán)衡辦法（選計）

6.1.3 定辦法（定計）

6.1.4 用辦法（用計）

6.2 頂層設(shè)計中的“謀劃”

6.2.1 謀事

6.2.2 謀略

6.2.3 謀取

第七講 對頂層設(shè)計中“謀劃”的理解

7.1 謀劃與策劃的相關(guān)分析

7.2 頂層設(shè)計的策劃內(nèi)容

7.2.1 對目標(biāo)、任務(wù)的策劃

7.2.2 對相關(guān)要求、原則的策劃

7.2.3 對實現(xiàn)方式的策劃

7.2.4 對系統(tǒng)化的策劃

7.2.5 對系統(tǒng)工程化的策劃

7.2.6 對規(guī)劃設(shè)計的策劃

7.2.7 對實施方式的策劃

7.2.8 對應(yīng)對變化的策劃

7.2.9 對運行方式的策劃

7.3 解釋三個方式

第八講 對頂層設(shè)計中“規(guī)劃”的理解

8.1 頂層設(shè)計中的“規(guī)劃”

8.2 總體規(guī)劃的作用

8.3 總體規(guī)劃的任務(wù)

8.4 總體規(guī)劃綱要

8.5 總體規(guī)劃的編制內(nèi)容

8.6 總體規(guī)劃的編制程序和方法

第九講 定義頂層設(shè)計

9.1 對頂層設(shè)計認識的小結(jié)

9.2 定義頂層設(shè)計

9.3 對頂層設(shè)計的再認識

9.4 頂層設(shè)計的工作對象

9.4.1 頂層設(shè)計與其他設(shè)計的區(qū)別

9.4.2 頂層設(shè)計的對象

9.5 頂層設(shè)計的作用與成果

9.5.1 作用

9.5.2 成果

9.6 頂層設(shè)計的服務(wù)對象

9.7 頂層設(shè)計的意義

9.8 頂層設(shè)計運用的一些重要工具類學(xué)科知識

第十講 頂層設(shè)計定義的實例釋義

10.1 實例：《珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》

10.2 實例：批復(fù)文件與規(guī)劃目錄

10.2.1 《國務(wù)院關(guān)于珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》

10.2.2 《珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》目錄

10.3 從《批復(fù)》與《規(guī)劃目錄》理解頂層設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)者、決策者、設(shè)計者、決策程序

10.3.1 領(lǐng)導(dǎo)者

10.3.2 決策者

10.3.3 設(shè)計者

10.3.4 決策程序

10.4 實例中的謀劃、策劃、規(guī)劃

10.4.1 其中的謀劃

10.4.2 其中的策劃

10.4.3 其中的規(guī)劃

10.5 實例中的系統(tǒng)化與系統(tǒng)工程化

10.5.1 其中的系統(tǒng)化

10.5.2 其中的系統(tǒng)工程化

10.6 實例中的實現(xiàn)方式、實施方式、運行方式

10.6.1 其中的實現(xiàn)方式

10.6.2 其中的實施方式

10.6.3 其中的運行方式

10.7 實例中的總體規(guī)劃

10.7.1 其中的總體規(guī)劃成果構(gòu)成與形式

10.7.2 其中的總體規(guī)劃內(nèi)容與格式

《珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》（附件一）

《國務(wù)院關(guān)于珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》（附件二）

后記

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