Один из известных способов повышения КПД энергоустановок (ЭУ) на базе ГТД, это создание комбинированных ЭУ (КЭУ) различной степени сложности, в том числе с топливными элементами. В последнее время в такие КЭУ активно внедряются топливные элементы (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить КПД ЭУ до 80 % [1].
Из множества существующих классификаций ТЭ наиболее удачной является классификация по типу электролита: щелочные (ЩТЭ), фосфорнокислые (ФКТЭ), протонопроводящие или твердополимерные (ТПТЭ), с расплавленным карбонатом (РКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ).
Наиболее перспективными для использования в энергетике являются ТОТЭ (SOFC — Solid oxide fuel cell), особенность которых заключается в том, что электрическая проводимость электролитов на основе оксидов циркония и иттрия становится приемлемой при температуре выше 1173К. ТОТЭ также наиболее эффективны при совместной работе с газотурбинными установками (ГТУ) за счет рабочей температуры 1173–1273К.
Основным видом топлива в ТОТЭ служит водород, а окислителем — кислород воздуха. Отличительной способностью ТОТЭ является возможность производить как электроэнергию, так и высокопотенциальную теплоту, которую можно использовать в циклах ГТУ, паротурбинной установки (ПТУ) или парогазовой установки (ПГУ).
КПД по выработке электроэнергии КЭУ на базе ГТУ и ТЭ может достигать более 70 %. В настоящее время диапазон рассматриваемых мощностей таких КЭУ — от 200 кВт до 10 МВт. Крупные корпорации уже проявили интерес к таким КЭУ, продемонстрировав первые КЭУ мощностью 1 МВт (Rolls-Royce Fuel Cell Ltd развивает ТЭ пригодные для КЭУ от 20 кВт до ЭУ мегаваттного класса с КПД порядка 90 %) [7].
Известные в настоящее время математические модели и программные средства моделирования ГТД: комплексные математические модели ЦИАМ, ГРАД, GasTurb, GSP, GECAT, Ebsilon Professional, United cycle, ОГРА, АСТРА, некоторые программы, например, GasTurb, АСТРА, ОГРА — предназначены для моделирования определенных схем ГТД, другие являются универсальными и предоставляют большие функциональные возможности, обеспечивают естественную среду для создания и модификации модели.
В перечисленных комплексах отсутствует математическая модель ТЭ, что делает невозможным выполнение системных исследований рабочих процессов ТЭ, а также КЭУ на их основе. В Объединенном институте высоких температур РАН созданы программные продукты инженерного расчета ЭУ открытого цикла на углеводородном топливе. Основным достоинством работы является использование обращения к свойствам среды термодинамической модели рабочего тела, представляющего собой двухфазную многокомпонентную химически реагирующую систему. На основании этого рассчитывается как термодинамика горения в КС, так и реакции через электролит в ТЭ. Данный программный продукт не рассчитывает пароводяную конверсию углеводородного топлива в ТЭ, а также позволяет производить расчет только основной электрохимической реакции, пренебрегая многоступенчатыми превращениями и смешениями, происходящими в ТЭ.
Анализ особенностей работы ТЭ и систем математического моделирования выявил необходимость разработки алгоритма расчета ТОТЭ, который позволит достаточно точно и оперативно проводить расчеты различных схем и режимов работы КЭУ с ТОТЭ. Учет основных значимых факторов элементов ЭУ позволит осуществлять учет влияния изменения физических свойств рабочего тела на характеристики элементов КЭУ.
В модуль SOFC входят три информационных потока: топливо, окислитель, водяной пар (см. шаг 1 алгоритма).
На 2-ом шаге алгоритма рассчитывается смесь топлива и водяного пара для расчета ПВК топлива. К примеру, реакция ПВК метана происходит следующим образом [1]:
На 3-ем шаге рассчитываются равновесные параметры реакции ПВК. Необходимая часть полученного в результате ПВК водорода и кислород воздуха смешиваются, но без прохождения основной реакции окисления в ТЭ (шаг 4 алгоритма). Производится расчет парциальных давлений водорода и кислорода для основной реакции на входе в основную камеру ТЭ. На 5 шаге алгоритма рассчитывается реакция окисления водорода кислородом воздуха, определяются температуры продуктов реакции, а также парциальные давления продуктов и исходных веществ. Расчет основных электрохимических параметров ТЭ происходит на 6-ом шаге алгоритма.
При использовании продуктов ПВК углеводородов на электродах ТОТЭ протекают следующие основные потенциалобразующие реакции:
Н2 + О-2 = Н2О (Г) (на аноде); (2)
СО + О-2 = СО2 (на аноде); (3)
О2 + 4е = 2 О-2 (на катоде). (4)
Суммарные токообразующие реакции в ТОТЭ:
2Н2 + О2 = 2Н2О; (5)
2СО + О2 = 2СО2. (6)
Математическая модель, базирующаяся на законах сохранения массы, энергии и уравнениях электрохимических реакций, служит главным образом для определения ЭДС ТЭ, так как ЭДС представляет собой отношение полной работы, совершаемой источником тока при перемещении единичного заряда по электрической цепи к величине этого заряда. Энергия химической реакции окисления топлива трансформируется в электрическую и тепловую энергию.
К основным параметрам ТОТЭ относятся:
— ЭДС:
(7)
где: pатм — стандартное атмосферное давление;
F — постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/ (моль. экв);
R — молярная газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/ (моль. К).
— сопротивление ТЭ в зависимости от расхода водорода на ТЭ и температуры основной электрохимической реакции. Зависимость получена авторами по экспериментальным данным, опубликованным в [1,7], приведена на рис. 3. Значения расхода водорода и сопротивления в точке образмеривания соответствуют расчетному режиму.
Созданный программный модуль SOFC официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009. Модуль SOFC, встроенный в систему моделирования DVIGwT позволяет исследовать различные схемы КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ.
Для оценки работоспособности и адекватности разработанного алгоритма, программного модуля SOFC в системе DVIGwT, выполнены моделирования ячейки ТОТЭ как планарной конструкции, так и трубчатой конструкции в составе электрохимического генератора (ЭХГ) мощностью 1 кВт, описанного в [4].
В системе моделирования DVIGwT, с включенным модулем SOFC создана структурная схема модели ТОТЭ. Номенклатура параметров, передающихся по потокам, а также составы топлива и окислителя соответствуют принятым для программного комплекса DVIGwT [3,4].
Отличия экспериментальных параметров и параметров, полученных расчетом в модуле SOFC, не превышают 3 %.
Моделирование ЭХГ модуля ТОТЭ для макета ЭУ мощностью 1 кВт произведено по методике проведения экспериментов, представленной в [1]. ЭХГ состоит из последовательно соединенных 16 батарей ТОТЭ Р111-Л305.030, каждая батарея в свою очередь — из 8 трубчатых ТОТЭ, соединенных параллельно [1].
Максимальное отклонение рассчитанных характеристик параметров ЭХГ не превышает 3,35 % в сравнении данными эксперимента.
Расхождение экспериментальных и рассчитанных величин объясняется отсутствием учета влияния катализатора на процессы в ТОТЭ в программном продукте. Экспериментальные данные получены также с определенной погрешностью.
Для снижения себестоимости электрической и тепловой энергии ОАО «НПП «Мотор» создало блочно — модульную ГТЭ-10/95БМ номинальной электрической мощностью 8–10 МВт и тепловой производительностью 17–19 Гкал/час с суммарным коэффициентом использования топлива более 80 %. Установка ГТЭ-10/95БМ создана конвертированием авиационного двигателя Р95Ш.
Проверка созданной в программном комплексе DVIGwT математической модели ГТЭ показала, что отклонение результатов расчетных параметров с экспериментальными данными разработчика не превышает 1 %, и подтверждает адекватность созданной модели.
Рассмотрим предложенные расчетные схемы КЭУ с ТОТЭ для повышения эффективности базовой ГТЭ 10 МВт.
Давление воздуха за компрессом низкого давления (КНД) составляет 0,3 МПа при номинальной мощности 8 МВт. ТОТЭ в этой схеме питается окислителем, отобранным за КНД (схема № 1). Разработана математическая модель.
Допустимый расход отбираемого воздуха за КНД для ЭХГ, составляет не более 4 % от расхода на входе в КНД. Температура пароводяной конверсии (ПВК) не менее 925 К [1], а для основной реакции в ТЭ 1197–1293 К [1].
В ЭХГ состоит из батареи ТОТЭ, газового теплообменника для подогрева входящего воздуха, пароперегревателя для получения необходимых параметров пара, газового подогревателя топлива. Топливо, направляемое в ЭХГ, предварительно подогревается водой, нагретой в КУ. В ЭХГ смешиваются сжатый воздух с топливом, прошедшим предварительную ПВК, пар для которой генерируется из части питательной воды в КУ, состоящей из пароперегревателя, испарителя и экономайзера. В выхлопном тракте ГТУ устанавливается КУ, в котором за счёт тепла выхлопных газов генерируются водяной пар, а также вода для горячего водоснабжения. Генерируемый пар частично расходуется на нужды ЭХГ.
Разработанная и реализованная в системе математического моделирования DVIGwT математическая модель ТОТЭ — SOFC, учитывающая внутренние электрохимические процессы в ТОТЭ, с достаточной для инженерных расчетов точностью позволяет определять параметры ТОТЭ на различных режимах работы.
Адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели SOFC подтверждается согласованностью результатов расчетов ТОТЭ с экспериментальными данными.
Рассмотрены несколько схем повышения эффективности ГТЭ-10 МВт при совместной работе с ТОТЭ:
автономная ЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ;
КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ, работающем на отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ;
КЭУ с ЭХГ, установленном вместо камеры сгорания на ГТЭ-10/95, требует значительных переделок базовой ГТЭ;
КЭУ на базе каскада НД ГТУ и ЭХГ характеризуется значительной доработкой базовой ГТЭ.
Очевидно, что для оценки эффективности каждой представленной схемы КЭУ необходимо провести расчетные исследования ЭУ на различных режимах для сравнения основных показателей ее работы.
Литература:
Введение в термодинамику топливного элемента / В. Н. Борисов, И. Г. Лукашенко, М. А. Ахлюстин / Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно — технических статей. — Снежинск: Издательство РФЯЦ — ВНИИТФ, 2003. С. 9–15.
Горюнов И. М. Структурно-параметрический синтез и анализ ГТД и ЭУ / Вестник УГАТУ. — Уфа. УГАТУ, 2008. Т. 11 № 2 (29). — С. 30–38.
Горюнов И. М. Термогазодинамические расчеты ГТД и теплоэнергетических установок с использованием системы DVIGwT // Вестник УГАТУ, 2006. Т 7, № 1 (14). С. 61–70.
Захаренков Е. А. Исследование и оптимизация схем и параметров гибридных электростанций на основе топливных элементов и газотурбинных установок. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 — “Энергетические системы и комплексы”. — М.: МЭИ (ТУ), 2009. — 20 с.