Системная топливная эффективность комбинированных энергетических установок на базе топливных элементов

Исследование и создание новых технологий производства электрической и тепловой энергии характеризуется большой инерционностью. Это обстоятельство требует детального предварительного научного обоснования принимаемых схемнопараметрических решений новых технологий производства электрической и тепловой энергии на основе показателей системной топливной и общей экономической эффективности. Кроме того, необходимо обоснование критериев принятия оптимальных решений в условиях возможного множества схемных, технологических, конструктивных и параметрических вариантов создания перспективных энергетических технологий, прогнозируемых особенностей их функционирования в определенных природно-климатических и режимных условиях. Разработка, научное обоснование и решение задач создания и развития новых распределенных технологий генерации электрической и тепловой энергии должны базироваться на методологии системного анализа и синтеза, математического моделирования и эвристических процедур.

Одним из перспективных направлений создания и развития новых технологий производства электрической энергии является применение твер-дооксидных топливных элементов (ТОТЭ) [1]. Отсутствие промежуточных переходов в преобразовании энергии при использовании ТОТЭ позволяет минимизировать потери энергии и повысить общую эффективность энергетических установок на их базе. Твердооксидные топливные элементы обладают особой уникальностью, которая заключается в модульности технологии, что позволяет создавать комбинированные энергоустановки широкого диапазона мощностей (от сотен ватт до десятков мегаватт). Кроме того, топливные элементы (ТЭ) обладают высоким температурным уровнем процессов и коэффициентом полезного действия, что позволяет создавать на их базе комбинированные теплоэнергетические установки высокой эффективности для производства электрической и тепловой энергии, в частности утилизационные газотурбинные установки.

Целью настоящей работы является разработка теоретических положений определения термодинамической и топливной эффективности комбинированных газотурбинных установок на базе топливных элементов в системах теплоэнергоснабжения.

Созданию и совершенствованию твердоок-сидных топливных элементов (ТОТЭ) и применению их в составе теплоэнергетических установок посвящены работы ряда отечественных и зарубежных исследователей [1-15]. На рис. 1 приведен исторический обзор исследований по проблемам использования ТОТЭ в различных отраслях, указывающий на рост исследований по их применению в энергетике [10].

Теоретические и практические аспекты создания ТОТЭ и теплоэнергетических установок на их основе изложены в [1–8]. В [2, 3] приведены возможные компоновочные решения гибридных энергетических систем, основанных на комбинировании ТОТЭ с газотурбинными установками (ГТУ), и приведены результаты исследования их параметров. Методические положения и результаты термодинамического анализа процессов и параметров рабочих тел одноцелевых гибридных установок изложены в работах [4–6]. Основополагающие исследования по разработке и использованию ТОТЭ в составе комбинированных энергетических установок различного типа принадлежат коллективу авторов и изложены в [1, 2]. Анализ выполненных исследований, приведенных в [1, 4, 5, 12], указывает на необходимость разработки теоретических положений обоснования рациональных схем, оптимизации параметров рабочих тел, определения

Рис. 1. История исследований топливных элементов, их применение и интеграция в различных отраслях согласно данным Scopus (июль 2024 г.)

Fig. 1. Fuel cell research history, applications and integration into aerospace, transport and energy systems, according to Scopus (July 2024)

системной термодинамической, топливной и общей экономической эффективности использования гибридных установок на базе ТОТЭ с газотурбинными установками для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

В топливных элементах (ТЭ) происходит преобразование химической энергии топлива (метана) в электрическую энергию. Принципиальная схема работы ТЭ приведена на рис. 2. Топливный элемент состоит из двух электродов с электродными камерами и ионного проводника (электролита). На одном из электродов (аноде) происходит реакция электроокисления метана. На втором электроде (катоде) происходит электрохимическое восстановление окислителя (кислорода). В электролите происходит движение положительно и отрицательно заряженных ионов. Ионный проводник служит для разделения окислителя и восстановителя. При работе ТЭ анод и катод замыкаются проводником, а получаемая полезная работа обеспечивается перетоком электронов от анода к катоду [2, 9].

электронов

Рис. 2. Принципиальная схема работы топливных элементов

Fig. 2. Principle scheme of fuel cell operation

Если в качестве топлива используется водород, то реакция в топливном элементе при избытке воздуха α = 1,25 записывается в виде [9]

H 2 + 0,625 ( 0 2 + 3,76N 2 ) =

= H₂O + 2,35N 2 + 0,1250 2 .                (1)

Расход воздуха определится как

Be = Вн2 -[0,625(цо2 + 3,76^n2 )]/^н2, где µ – молекулярная масса вещества (кислорода, водорода).

Электрическая мощность (переменного тока) ЭХГ рассчитывается по формуле [6]

NЭХГ = ^H2 nf neFI(1000MH2 ) ■ UТэЛинв , где ВН – расход водорода через ЭХГ (пересчитывается из расхода первичного топлива в зависимости от состава топлива); П/ — коэффициент ис пользования топлива в ТЭ; ne – число электронов, участвующих в реакции (для ТОТЭ ne = 2); F – постоянная Фарадея ( F = 96 485 Кл/моль); M – молярная масса водорода ( MH = 2,0158 г/моль); UТЭ - напряжение ТЭ по ВАХ; пинв — КПД инвертора.

Электродвижущая сила (ЭДС) топливного элемента определяется по формуле

Е _э =-А G/nF ,                        (2)

где А G - уменьшение свободной энергии (энергия Гиббса); n – число моль-эквивалентов на 1 моль превращенного вещества.

Тогда выражение для определения ЭДС реакции (1) с учетом парциальных давлений газов принимает вид

E H²⁰ = Е э⁰ + ( 2,3 RT/ 4 F ) lg ( p H 2 p 0 2/ Р H 2 O ) , (3)

где R – универсальная газовая постоянная; p – парциальное давление вещества; T – абсолютная температура; Е ⁰ – ЭДС, связанная с изменением стандартной энергией Гиббса А G ⁰ определится как

Еэ =-AG ⁰ /nF .                        (4)

Величина идеального термического КПД ТЭ определится по формуле [9]

П т = A G / A H = - nFE₃ / A H ,              (5)

где AH - изменение энтальпии рабочего тела в результате протекания токообразующей реакции (1).

Напряжение на клеммах ТЭ оказывается ниже ЭДС в связи с омическим сопротивлением электролита и электродов, поляризации катода и анода, вычисляется согласно формуле

U = Е_э -A E - IR ,                      (6)

где AE - сумма поляризаций анода и катода; I – ток; R – активное сопротивление ТЭ, в основном сопротивление электролита.

Эффективный КПД ТЭ вычисляется с учетом энергии, полученной в ТЭ, отнесенной к количеству подведенной к нему энергии

П эф = ^nFU П F /(^{-A H} ) = П т П и П f ,           ⁽⁷⁾

где п _и - КПД по напряжению, n _и = U / E э ; П _F -фарадеевский КПД (эффективность использования топлива в ТЭ), учитывающий неполное использование теплоты реакции окисления топлива, равный отношению количества электрической энергии q , реально полученного от 1 моль восстановителя (топлива), к теоретическому количеству электроэнергии q _Т = nF [9]

n f = q p / q т .                                 ⁽⁸⁾

Топливный элемент способен генерировать электроэнергию и высокопотенциальную теплоту, которая может быть использована в комбинированной схеме с газотурбинной установкой. Принципиальная технологическая схема установки приведена на рис. 3.

Для приведенной схемы разработаны расчетные модели определения состава, расходов и термодинамических параметров рабочих тел в элементах технологической схемы гибридной установки. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Выражение для определения КПД ЭХГ имеет вид

П эхг =HmWП F П с.н , (9) где п _сн — КПД, учитывающий потребление электрической энергии на собственные нужды ЭХГ.

Таким образом, суммарный КПД ГЭУ с учетом расходов топлива в ЭХГ и ГТУ рассчитывается по формуле пГибЭУ = РЛиnFпс.н + пГТУ (I — Рл^nF ), (10)

где в - доля топлива, подаваемого в ЭХГ; п _ГТУ — КПД ГТУ.

Из (10) следует, что термодинамическая эффективность гибридных установок зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются степень повышения давления воздуха в компрессоре, температура газа перед газовой турбиной и поляризационные потери в ТЭ. Кроме того, расчетными исследованиями установлено, что термодинамическая эффективность ГТУ существенно ниже, чем топливных элементов. Поэтому общая эффективность гибридных установок с ростом температуры перед ГТУ снижается вследствие того, что мощность ГТУ ниже, чем ГЭУ.

Системная топливная эффективность от комбинированной выработки ГЭУ по сравнению с раздельным производством:

^ В ЭК = ⁽ В КЭС ⁺ В КОТ ) ^- В ГЭУ ^- АВ рез , ⁽¹¹⁾ где В КЭС – расход топлива на КЭС; В КОТ – расход топлива на отопительных котельных; В _ГЭУ – расход

Рис. 3. Принципиальная схема гибридной установки с паровым прериформером и камерой дожигания после ТОТЭ: КТ – топливный компрессор; К – компрессор; ГТ – газовая турбина; ТОВ – воздушный теплообменник; ВТОВ – воздушный высокотемпературный теплообменник; КД – камера дожигания; ПГ – парогенератор; ТОТ – теплообменник топливный;

С1, С2, С3 – смесители; Р1, Р2, Р3 – редукторы

Fig. 3. Schematic diagram of a hybrid installation with a steam pre-reformer and an afterburning chamber after the TTE: КТ– fuel compressor; К – compressor; ГТ – gas turbine; ТОВ – air heat exchanger; ВТОВ – high temperature air heat exchanger;

КД – afterburning chamber; ПГ – steam generator; TOT – fuel heat exchanger; C1, C2, C3 – mixers; P1, P2, P3 – gearboxes

Таблица 1

Состав и параметры рабочих тел в характерных точках схемы гибридной установки с паровым прериформером и камерой дожигания после ТОТЭ

Table 1

Composition and parameters of working bodies at characteristic points of the scheme of hybrid plant with steam pre-reformer and afterburning chamber after SOFC

№ т.	Рабочее тело (РТ)	Состав РТ, кг/кг	Массовый расход, кг/с	Давление, кПа	Температура, К	Энтальпия, кДж/кг
1	Отфильтрованный входной воздух	О 2 – 23 %; N 2 – 75,76 %; СО 2 – 0,05 %; H 2 O – 1,2 %	2,166	101,3	298	26,1
2	Воздух	О 2 – 23 %; N 2 – 75,76 %; СО 2 – 0,05 %; H 2 O – 1,2 %	2,166	1114	636	379,3
3	Нагретый воздух	О 2 – 23 %; N 2 – 75,76 %; СО 2 – 0,05 %; H 2 O – 1,2 %	2,166	1092	800	558,5
4	Нагретый воздух	О 2 – 23 %; N 2 – 75,76 %; СО 2 – 0,05 %; H 2 O – 1,2 %	2,166	1070	1173	990,8
5	Воздух	О 2 – 19,5 %; N 2 – 80,17 %; СО 2 – 0,05 %; H 2 O – 1,2 %	2,072	1070	1257	1104,0
6	Часть высокотемпературного отходящего газа	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,3 %; H 2 O – 6,3 %	1,200	1048	960	776,0
7	Выхлопные газы турбины	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,33 %; H 2 O – 6,35 %	2,243	103	644	404,8
8	Выхлопные газы турбины	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,33 %; H 2 O – 6,35 %	2,243	101	642	402,5
9	Топливо (метан)	CH 4 – 100 %.	0,039	101,3	298	55,9
10	Топливо (метан)	CH 4 – 100 %	0,028	1114	522	743,3
11	Подогретое топливо (метан)	CH 4 – 100 %	0,028	1092	600	1069,0
12	Часть анодного выхлопного газа + топливо (метан)	О 2 – 5,5 %; СО 2 – 31,9 %; H 2 O – 40,7 %; H 2 – 0,45 %; CH 4 – 23,8 %; СО – 3,13 %	0,118	1080	1036	2526,5
13	Воздух + предварительно реформированное топливо	СО 2 – 37,9 %; H 2 O – 42,6 %; H 2 – 2,7 %; CH 4 – 14,2 %; СО – 2,7 %	0,149	1080	1173	3894,2
14	Часть анодного выхлопного газа	СО 2 – 41,8 %; H 2 O – 53,4 %; H 2 – 0,6 %; СО – 4,1 %	0,250	1080	1273	2841,2
15	Часть анодного выхлопного газа + часть метана	О 2 – 1,5 %; СО 2 – 39,1 %; H 2 O – 49,9 %; H 2 – 0,56 %; CH 4 – 6,6 %; СО – 3,8 %	0,171	1080	1220	2831,1
16	Высокотемпературный отходящий газ	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,3 %; H 2 O – 6,3 %	2,243	1070	1570	1554,8
17	Часть высокотемпературного отходящего газа + выхлопные газы ТОТЭ	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,3 %; H 2 O – 6,3 %	2,243	1048	1250	1138,2
18	Выхлопные газы турбины	О 2 – 15,8 %; N 2 – 73,44 %; СО 2 – 4,3 %; H 2 O – 6,3 %	2,243	108	801	585,6
топлива на ГЭУ; ∆ В Р си Е с З – расход топлива резервных    КЭС; Q раз – тепловая энергия, выработанная на агрегатов для обеспечения заданного уровня надеж-    котельной раздельным способом. ности системы тепло- и электроснабжения потреби-        Величина удельной относительной экономии телей. В КЭС и В КОТ определяются по формулам:          топлива в системе от использования ГЭУ составит В КЭС = Э раз   η к э эс Q н р ;                                      β Т = ∆ В Э си К ст В ГЭУ .                          (13) (12)          Из соотношений (11) и (13) следует, что сис- В КОТ = Q max η кот Q н ,                           темная экономия топлива при использовании гиб- где Эраз – электроэнергия, выработанная на КЭС    ридных установок на базе ТЭ достигается за счет КЭС                                           больших показателей КПД по выработке электри- раздельным способом; η э кэс – электрический КПД    ческой энергии.

Таблица 2

Изложенные методические положения использованы для определения показателей термодинамической и системной топливной эффективности гибридных ТЭУ с использованием ГТУ и приведены в табл. 2.

Приняты следующие исходные данные: по ЭХГ плотность тока – 3800 А/м2; температура на входе – 900 °С; число ячеек – 32 100; по риформеру – отношение S/C – 2,5, температура – 900 °С; по ГТУ – степень повышения давления в компрессоре ГТУ 8,0–14,0; суммарные потери давления в газовоздушном тракте ГТУ – 11 %; мощность инвертора – 875 кВт, ГТУ – 490 кВт, топливного компрессора – 25 кВт, риформера – 290 кВт.

Таким образом, расчетными исследованиями установлено, что величина КПД гибридной установки составляет 58,1–59,3 %, а относительная системная экономия топлива с учетом отпуска тепловой энергии составляет 36,8–39,1 % в зави-

симости от степени повышения давления воздуха в компрессоре и температуры наружного воздуха.

Выводы

• 1.    Разработаны методические положения определения термодинамической и системной топливной эффективности гибридных ТЭУ на базе топливных элементов и газотурбинных установок. Установлено, что использование гибридных ТЭУ позволяет повысить КПД на 22–24 % по сравнению с ГТУ, что обеспечивает системную экономию топлива на выработку электрической и тепловой энергии до 40 % в зависимости от параметров и условий работы в энергосистемах.

• 2.    Необходим комплекс научных исследований по оптимизации основных параметров рабочих тел и схемных решений комбинированных гибридных ТЭУ на базе топливных элементов и газотурбинных установок.

Показатели термодинамической и топливной эффективности гибридных ГТУ

Table 2

Thermodynamic and fuel efficiency indicators of hybrid GTU

Степень повышения давления воздуха в компрессоре	8	10	12	14
КПД гибридной установки, %	58,7	59,3	58,8	58,1
Относительная системная экономия топлива в системе	37,5	39,1	37,9	36,8