Обзор проектных схем гибридных систем с твердооксидным топливным элементом и газовой турбиной для комбинированного производства тепла и электроэнергии

Abstract

В статье представлен всесторонний обзор и классификация возможных компоновочных решений гибридных систем на основе интеграции твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и газовых турбин (ГТ). Большинство гибридных систем ТОТЭ/ГТ используют в качестве топлива метан в связи с его доступностью и простотой в обращении в отличие от водорода. Важным элементом конструкции установки является подсистема переработки топлива. Системы ТОТЭ/ГТ направляют часть энергии, вырабатываемой топливным элементом, для осуществления процесса парового риформинга метана. Пар производится в анодном отсеке топливного элемента либо альтернативно во внешнем парогенераторе с использованием тепла выходящих с топливного элемента газов. Большинство проектов гибридных систем ТОТЭ/ГТ, представленных в литературе, работают под давлением, установки в них связаны герметично, что позволяет достичь высокой и сверхвысокой энергоэффективности с относительно низкими капитальными затратами. В гибридных системах с атмосферным давлением установки связаны с помощью системы теплообменников, что обеспечивает их независимость и более простой процесс управления. В статье также исследуются более сложные конфигурации ТОТЭ/ГТ с использованием органического цикла Ренкина, с несколькими топливными элементами и газовыми турбинами, с паровой турбиной, системой охлаждения и др. Устройство и характер взаимосвязей между компонентами гибридной системы оказывают значительное влияние на достижения целевых показателей эффективности по результатам численного моделирования предлагаемых схемных решений

The article presents a comprehensive review and classification of possible layout solutions for hybrid systems based on the integration of solid oxide fuel cells (SOFC) and gas turbines (GT). Most SOFC/GT hybrid systems use methane as a fuel due to its availability and ease of handling, unlike hydrogen. An important element of the plant design is the fuel processing subsystem. SOFC/GT systems direct part of the energy generated by the fuel cell to carry out the methane steam reforming process. Steam is produced in the anode compartment of the fuel cell, or alternatively in an external steam generator, using the heat from the gases leaving the fuel cell. Most of the designs of hybrid SOFC/GT systems presented in the literature are pressurized, the installations in them are hermetically connected, which makes it possible to achieve high and ultra-high energy efficiency with relatively low capital costs. In atmospheric hybrid systems, the units are connected via a system of heat exchangers, which makes them independent and easier to control. The article also explores more complex SOFC/GT configurations using an organic Rankine cycle, multiple fuel cells and gas turbines, with a steam turbine, a cooling system, etc. The design and nature of the relationship between the components of a hybrid system have a significant impact on achieving performance targets based on numerical simulation of the proposed circuit solutions