頂層簡介

【釋義】：1.緊貼在板狀礦床(如煤層或礦脈)上面的巖石。

2.最上面的一層。2100433B

曾迪琰教授撰寫的《解析頂層設計》一書，首次定義了什么是頂層設計，并對頂層設計進行了系統(tǒng)梳理。 分十章系統(tǒng)講解了頂層設計中“頂層”的三要素和“設計”的三要素，并結(jié)合具體的頂層設計實例，分析了頂層設計與其他設計的區(qū)別，闡釋了開展頂層設計的意義和作用。頂層設計在各種事物決策的過程中得以廣泛應用，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。

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產(chǎn)物中未反應的氫氣分離出來引入第二級電池堆繼續(xù)發(fā)生電化學反應，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)作為基準系統(tǒng)，如圖1所示；對基準系統(tǒng)改進后的新系統(tǒng)如圖2所示。

基準系統(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，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)生電化學反應，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)被透平出口準備預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)生電化學反應。第二級電池堆的反應產(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，且反應溫度高，可以順利的繼續(xù)進行電化學反應。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。