頂層循環(huán)微型燃?xì)廨啓C(jī)與波轉(zhuǎn)子頂層循環(huán)分析

微型燃?xì)廨啓C(jī)(Microturbine)功率范圍大約30～300kW，通常采用回?zé)嵫h(huán)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率已提高到25%～30%，與同功率等級(jí)的內(nèi)燃機(jī)相比，先進(jìn)微型燃機(jī)技術(shù)具有潔凈、可靠、緊湊、可移動(dòng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，并具有燃用多種燃料、低燃料消耗率、低噪聲、低排放、低振動(dòng)、低維修率、可遙控和診斷等重要技術(shù)特征?，F(xiàn)今微型燃?xì)廨啓C(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：在進(jìn)一步提高發(fā)電效率的前提下，盡量降低機(jī)組成本，促進(jìn)其市場(chǎng)推廣。研究動(dòng)力學(xué)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程和設(shè)備，如波轉(zhuǎn)子(Wave Rotor)，它利用波現(xiàn)象和脈動(dòng)壓力增益燃燒來(lái)提高機(jī)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(gè)多世紀(jì)了，隨著新技術(shù)的發(fā)展特別是不穩(wěn)定波動(dòng)的研究，它的研究開(kāi)發(fā)又得到了人們的重新重視。波轉(zhuǎn)子是一種自冷式動(dòng)態(tài)增壓裝置，在微型燃?xì)廨啓C(jī)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(kāi)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(gè)環(huán)形側(cè)板，環(huán)形側(cè)板上有許多的小孔用來(lái)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(shí)，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(méi)有像活塞或者壓氣機(jī)葉輪那樣的機(jī)械部件，它與傳統(tǒng)的穩(wěn)流渦輪機(jī)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(dòng)進(jìn)行能量交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮和膨脹，與傳

統(tǒng)的穩(wěn)流渦輪機(jī)組相比，具有較高的等熵效率。波轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)機(jī)構(gòu)上可同時(shí)進(jìn)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(guò)程：高壓過(guò)程和低壓過(guò)程。在高壓過(guò)程中，通過(guò)壓縮波直接將驅(qū)動(dòng)氣流的能量轉(zhuǎn)移；在低壓過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)氣流利用膨脹波降壓，并流出波轉(zhuǎn)子。

頂層循環(huán)微型燃?xì)廨啓C(jī)與波轉(zhuǎn)子頂層循環(huán)

波轉(zhuǎn)子頂層簡(jiǎn)單循環(huán)和微型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)具有相同的透平入口溫度和壓氣機(jī)壓比。在波轉(zhuǎn)子頂層簡(jiǎn)單循環(huán)中，波轉(zhuǎn)子并沒(méi)有軸功消耗，波轉(zhuǎn)子在壓縮過(guò)程所消耗的功與膨脹過(guò)程中所做的功是相等的。微型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)中1b到4b的能量增加值與波轉(zhuǎn)子頂層簡(jiǎn)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?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)輸出功要高，主要是由于波轉(zhuǎn)子頂層簡(jiǎn)單循環(huán)的壓力增益比微型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)的壓力增益要高(P4A>P4b)。因此波轉(zhuǎn)子頂層簡(jiǎn)單循環(huán)的熱效率比微型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)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(guò)提高透平入口燃?xì)獾膲毫?lái)提高整個(gè)機(jī)組的性能。在微型燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，波轉(zhuǎn)子位于離心壓氣機(jī)和透平之間，與燃燒室并排放置。波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，在微型燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用，可有效控制其成本，有利于市場(chǎng)推廣。由上面計(jì)算可知，在微型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)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?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)中使用波轉(zhuǎn)子，其性能可以進(jìn)一步得到提高。 2100433B

頂層循環(huán)研究背景

固體氧化物燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)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(guó)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(rèn)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(jìn)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(diǎn)。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(dá)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(gè)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?xì)廨啓C(jī)透平允許的最高進(jìn)口煙氣溫度的限制。研究針對(duì)典型的頂層循環(huán)SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，引入陶瓷質(zhì)子膜分離技術(shù)，把燃料電池堆陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物中未反應(yīng)的氫氣分離出來(lái)引入第二級(jí)電池堆繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，提出了SOFC兩級(jí)串聯(lián)/MGT混合發(fā)電新系統(tǒng)。該改進(jìn)方法可在相同的電池堆燃料利用率及相同的透平進(jìn)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(jìn)方案

為了便于研究問(wèn)題，選取了具體的算例進(jìn)行計(jì)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(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)改進(jìn)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(jī)壓縮、經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入SOFC陰極。甲烷氣體由壓縮機(jī)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(jìn)入SOFC陽(yáng)極。在陽(yáng)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(guò)電解質(zhì)向陽(yáng)極移動(dòng)。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(guò)外電路返回空氣極，形成回路，電流通過(guò)DC/AC換流器轉(zhuǎn)換為交流電。陽(yáng)極與陰極的產(chǎn)物進(jìn)入后燃室，其中可燃成分完成燃燒，燃?xì)膺M(jìn)入透平做功，排氣分為兩部分，一部分進(jìn)入換熱器1(HR 1)，預(yù)熱空氣后再進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣。另一部分進(jìn)入換熱器2(HR 2)預(yù)熱燃料混合物。

改進(jìn)后系統(tǒng)：改進(jìn)后的混合發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。采用陶瓷質(zhì)子膜對(duì)第一級(jí)電池堆陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離，分離出來(lái)的氫氣先由燃料及水蒸氣混合物冷卻，然后進(jìn)入壓氣機(jī)3升壓，壓縮后的氫氣進(jìn)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(jí)電池堆的陽(yáng)極；同時(shí)，第一級(jí)電池堆的陰極產(chǎn)物被引入在第二級(jí)電池堆中陰極。在第二級(jí)電池堆中氫氣繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。第二級(jí)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(jìn)入后燃燒室混合燃燒，后燃室出口燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。

頂層循環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)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(gè)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(jìn)口溫度的限制。所以，混合系統(tǒng)發(fā)電效率的進(jìn)一步提高需要對(duì)原系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)。

采用陶瓷質(zhì)子膜分離后，第二級(jí)電池堆陽(yáng)極中燃料為純氫氣，且反應(yīng)溫度高，可以順利的繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。改進(jìn)后新系統(tǒng)中第一級(jí)電池堆與第二級(jí)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(shí)現(xiàn)的。本質(zhì)上講，改進(jìn)系統(tǒng)是通過(guò)有效反應(yīng)氣體(氫氣)的分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了總的電池堆燃料利用率的提高。并且，改進(jìn)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(jìn)口溫度的要求。

頂層循環(huán)系統(tǒng)作為熱機(jī)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(yù)為綠色能源的熔融碳酸鹽燃料電池具有高效無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn)，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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)仿真模型。利用該模型對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)在額定工況和變工況下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)平均電流密度、燃料利用系數(shù)等參數(shù)對(duì)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?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷特性。

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

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

序

第一講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)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(jì)行為人對(duì)行為本身的“頂層”給定

1.2.2 頂層設(shè)計(jì)行為人對(duì)事物本身的“頂層”給定

1.2.3 頂層設(shè)計(jì)行為人對(duì)頂層設(shè)計(jì)成果的“頂層”給定

1.3 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“頂層”的定義

第二講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“設(shè)計(jì)”的理解

2.1 “設(shè)計(jì)”的一般含義

2.2 “設(shè)計(jì)”的特殊含義

2.2.1 對(duì)頂層設(shè)計(jì)事前的“設(shè)計(jì)”的理解認(rèn)識(shí)

2.2.2 對(duì)頂層設(shè)計(jì)事中的“設(shè)計(jì)”的理解認(rèn)識(shí)

2.2.3 對(duì)頂層設(shè)計(jì)事后的“設(shè)計(jì)”的理解認(rèn)識(shí)

2.3 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“設(shè)計(jì)”的定義

第三講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)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(duì)頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的理解

3.2.1 頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的產(chǎn)生

3.3 頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的作用

3.3.1 頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的領(lǐng)導(dǎo)作用

3.3.2 頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的核心作用

3.3.3 頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的決策作用

3.4 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“決策者”的要求

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

第四講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外一些知名專家、學(xué)者對(duì)“系統(tǒng)”定義的表述

4.3 相關(guān)系統(tǒng)工程學(xué)教材對(duì)“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(jiǎn)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(yùn)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(yùn)用

4.5.8 系統(tǒng)科學(xué)

第五講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“系統(tǒng)工程”的理解

5.1 認(rèn)識(shí)“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(lái)

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(shí)用性理解

第六講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“謀劃”的理解

6.1 謀劃

6.1.1 想辦法（設(shè)計(jì)）

6.1.2 權(quán)衡辦法（選計(jì)）

6.1.3 定辦法（定計(jì)）

6.1.4 用辦法（用計(jì)）

6.2 頂層設(shè)計(jì)中的“謀劃”

6.2.1 謀事

6.2.2 謀略

6.2.3 謀取

第七講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)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(jì)的策劃內(nèi)容

7.2.1 對(duì)目標(biāo)、任務(wù)的策劃

7.2.2 對(duì)相關(guān)要求、原則的策劃

7.2.3 對(duì)實(shí)現(xiàn)方式的策劃

7.2.4 對(duì)系統(tǒng)化的策劃

7.2.5 對(duì)系統(tǒng)工程化的策劃

7.2.6 對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的策劃

7.2.7 對(duì)實(shí)施方式的策劃

7.2.8 對(duì)應(yīng)對(duì)變化的策劃

7.2.9 對(duì)運(yùn)行方式的策劃

7.3 解釋三個(gè)方式

第八講 對(duì)頂層設(shè)計(jì)中“規(guī)劃”的理解

8.1 頂層設(shè)計(jì)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(jì)

9.1 對(duì)頂層設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)的小結(jié)

9.2 定義頂層設(shè)計(jì)

9.3 對(duì)頂層設(shè)計(jì)的再認(rèn)識(shí)

9.4 頂層設(shè)計(jì)的工作對(duì)象

9.4.1 頂層設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的區(qū)別

9.4.2 頂層設(shè)計(jì)的對(duì)象

9.5 頂層設(shè)計(jì)的作用與成果

9.5.1 作用

9.5.2 成果

9.6 頂層設(shè)計(jì)的服務(wù)對(duì)象

9.7 頂層設(shè)計(jì)的意義

9.8 頂層設(shè)計(jì)運(yùn)用的一些重要工具類學(xué)科知識(shí)

第十講 頂層設(shè)計(jì)定義的實(shí)例釋義

10.1 實(shí)例：《珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》

10.2 實(shí)例：批復(fù)文件與規(guī)劃目錄

10.2.1 《國(guó)務(wù)院關(guān)于珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》

10.2.2 《珠江—西江經(jīng)濟(jì)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(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者、決策者、設(shè)計(jì)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(jì)者

10.3.4 決策程序

10.4 實(shí)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(shí)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(shí)例中的實(shí)現(xiàn)方式、實(shí)施方式、運(yùn)行方式

10.6.1 其中的實(shí)現(xiàn)方式

10.6.2 其中的實(shí)施方式

10.6.3 其中的運(yùn)行方式

10.7 實(shí)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(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》（附件一）

《國(guó)務(wù)院關(guān)于珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》（附件二）

后記

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