Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе комбинированных ГТУ

В связи с ростом цен на энергоносители, все большее значение приобретают работы по повышению КПД энергоустановок. Тем более что даже незначительный рост КПД, при длительном сроке эксплуатации дает существенную экономию ресурсов.

Для повышения КПД энергоустановок (ЭУ) на базе ГТД разрабатываются и создаются комбинированные ЭУ (КЭУ). различной степени сложности. В последнее время в такие КЭУ активно внедряются топливные элементы (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить КПД ЭУ до 80% [7,8].

ТЭ – это устройство, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию.

В отличие от обычного гальванического элемента электроды в ТЭ в процессе работы не изменяются, так как окислители и восстановители в состав электродов не входят. Вследствие этого ТЭ в основном работает в стационарном режиме.

Принцип действия ТЭ состоит в том, что при пропускании кислорода и водорода через пористые трубки, находящиеся в сосуде со щелочным электролитом, происходит соединение атомов водорода с гидроксильным остатком OH, полученным в результате распада электролита на ионы и остаток OH. При этом образуется вода, и высвобождаются электроны (см. рисунок 2.1) [5].

В то же время на положительном электроде происходит соединение кислорода с водой и образование гидроксильного остатка OH.

В качестве отрицательного электрода может служить не только водород, но и любое углеводородное топливо (метан, водяной газ, природный газ, окись углерода и другие). Положительным электродом служат кислород или воздух, а также сильные окислители.

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).

В ЩТЭ электролитом служит раствор КОН, рабочая температура 90…200°С. В ФКТЭ применяется 95 – 98 % фосфорная кислота, рабочая температура 200°С. Ионным проводником в ТПТЭ служит протонообменная мембрана, рабочая температура 80 – 90°С. Электролитом в РКТЭ являются расплав карбонатов щелочных металлов. РКТЭ работают при температуре 600 – 700°С [1,7].

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].

Для подбора оптимальной схемы включения, а также расчета основных параметров КЭУ на базе ГТУ и ТОТЭ требуется эффективный, надежный и простой в эксплуатации модуль, способный рассчитывать параметры как отдельного ТЭ, так и КЭУ на их основе.

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.

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.

Топливоподготовка проходит с использованием пароводяной конверсии (ПВК) углеводородного топлива в среде водяного пара, для выделения водород и монооксида углерода. В анодной полости ТОТЭ на трехфазной границе твердый электролит-электрод-газ происходит окисление топлива кислородом воздуха, ионизированном на трехфазной границе с катодом и прошедшем через твердый электролит в виде двухзаряженного иона. Протекают основные электрохимические реакции окисления водорода и СО, в результате которых выделяются водяной пар и СО₂ [1,7].

К основным критериям оценки эффективности ТЭ согласно [7] относятся: напряжение, мощность, КПД (термический, общий, по напряжению, фарадеевский), а также генерируемая в ТЭ теплота.

Напряжение, измеряемое на зажимах работающего ТЭ, меньше ЭДС из-за наличия поляризации, падения напряжения вследствие наличия сопротивления электролита, а также разности между ЭДС и напряжением разомкнутой цепи. На основании [7] принимаем, что напряжение разомкнутой цепи равно ЭДС (для случая, когда стационарные потенциалы равны равновесным потенциалам электродов).

Термический КПД ТЭ зависит от изменения энтропии, если оно близко к нулю, то термодинамический КПД ТЭ равен единице и практически не зависит от температуры. Термический КПД ТЭ ниже 100% в случаях, когда изменение энтропии имеет отрицательный знак. Так как энтропия газообразных веществ обычно выше энтропии твердых и жидких веществ, то основной вклад в энтропию реакции вносят газообразные реагенты и продукты реакции.

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 % [2]. Установка ГТЭ-10/95БМ создана конвертированием авиационного двигателя Р95Ш.

Разработанная и реализованная авторами 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-10/95 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

1. 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.

2. Газотурбинная энергоустановка ГТЭ-10/953-002. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. ГТП 953.00.0.0000РЭ. Уфа: ФГУП “НПП”Мотор”, 2004. – 458 с.

3. Горюнов И. М. Структурно-параметрический синтез и анализ ГТД и ЭУ / Вестник УГАТУ. – Уфа. УГАТУ, 2008. Т. 11 № 2 (29). – С. 30 – 38.

4. Горюнов И.М. Термогазодинамические расчеты ГТД и теплоэнергетических установок с использованием системы DVIGwT // Вестник УГАТУ, 2006. Т 7, № 1 (14). С. 61 – 70.

5. 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.

6. Исследование электрических характеристик планарного твердооксидного топливного элемента / Д.В. Белов, А.В. Устюгов, В.Ф. Чухарев // Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно- технических статей. – Снежинск: Издательство РФЯЦ – ВНИИТФ, 2003. С. 334 – 339.

7. Коровин Н. В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 280 с.

8. Липилин А. С. Состояние и будущее индивидуальной энергетики. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №9(77) 2009, с. 139-152.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры РФ»