Актуальность работы и степень ее разработанности. Электрохимическое преобразование топлива в топливных элементах позволяет получить достаточно высокий КПД до 70% и экологический чистый состав продуктов реакции (пары воды, азот, углекислый газ). Для энергетических установок, применяемых в стационарной распределенной промышленной теплоэнергетике и ЖКХ, наиболее удобными являются твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), так как в них в качестве окислителя можно использовать воздух, а в качестве топлива синтез-газ.
Одна из основных задач при разработке и эксплуатации энергетических установок на ТОТЭ - это выявление зависимостей и расчет основных параметров, таких как ЭДС, мощность, КПД, плотность тока и т.д. Все перечисленные параметры в той или иной степени зависят от состава газа, выходящего из риформера. Многие исследователи используют для расчета специализированное программное обеспечение, кроме того можно использовать и известные методы расчета, например, на основе баланса компонентов и уравнений констант равновесия. Но при разработке установки на ТОТЭ и ее системы управления необходимо использовать методики, адаптированные к инженерной практике, которые позволят провести анализ работы оборудования, уменьшить отклик системы и повысить надежность оборудования. Используемые для этого методики, не могут быть применимы в установках на твердооксидных топливных элементах в связи с тем, что они разработаны для научно-теоретических расчетов.
Цель работы. Разработка и верификация адаптированной к инженерной практике методики расчета основных характеристик энергетических установок на твердооксидных топливных элементах с паровым, воздушным риформером или с рециркуляцией уходящих газов, которая при применении позволит обеспечить повышение маневренности и надежности системы, а также снижение стоимости установки.
Для реализации цели исследования поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка адаптированной к инженерной практике методики расчета равновесного состава продуктов неполного сгорания для энергетических установок на твердооксидных топливных элементах с паровым, воздушным риформером или с рециркуляцией уходящих газов и определение границ его применимости.
2. Проведение режимных испытаний модуля воздушный риформер/ каталитическая горелка/теплообменник и энергетической установки на базе твердооксидных топливных элементов мощностью 5 кВт с целью определения основных параметров оборудования и особенностей его эксплуатации, а также получение значений для внесения в систему управления;
3. Разработка механизма устойчивой работы воздушного риформера с катализа-тором на основе никеля после краткосрочного прохождения зоны сажеобразования;
4. Разработка адаптированного к инженерной практике метода расчета основных энергетических параметров модуля воздушный риформер/каталитическая горелка/ теплообменник и энергетической установки на ТОТЭ с паровым риформером на основе анализа уравнений теплового баланса основных звеньев оборудования.
Научная новизна и теоретическая значимость заключаются в следующем:
1. Подтверждена возможность устойчивой работы воздушного риформера природного газа с катализатором на основе никеля после краткосрочного прохождения зоны сажеобразования, оформлены рекомендации для инженерной практики для обеспечения безопасной работы оборудования в таких условиях.
2. Получена аналитическая зависимость теплоты реакции парового и воздушного риформинга от коэффициента подачи воздуха и водяного пара, соответственно.
3. Определены влияние степени рециркуляции на ЭДС топливного элемента и степень рециркуляции обеспечивающая протекание реакций в риформере с отсутствием сажеобразования. Выданы рекомендации для обеспечения работоспособности установок на ТОТЭ рециркуляцией анодных газов.
4. Предложена адаптированная к инженерной практике методика расчета основных энергетических характеристик установок на твердооксидных топливных элементах с паровым и воздушным риформером, а также при рециркуляции анодных газов.
Практическая значимость работы:
1. Предложенная адаптированная к инженерной практике методика расчета основных энергетических параметров позволяет при внедрении в систему управления энергетической установкой на ТОТЭ повысить ее быстродействие.
2. Результаты расчетно-теоретических исследований с проведенными режимными испытаниями позволяют осуществлять безопасную работу энергетических установок на базе ТОТЭ с воздушным риформером вблизи зоны сажеобразования.
3. Разработанная адаптированная к инженерной практике методика позволяет выполнять прогнозирование необходимых параметров при разработке и проектировании установок с ТОТЭ различной мощности с достаточной для практики точностью.
Внедрение. Адаптированная к инженерной практике методика и результаты расчетно-теоретических исследований использованы при создании энергетической установки на твердооксидных топливных элементах. Данная установка разработана ООО «УПК», резидентом фонда Сколково, в рамках проекта «Создание энергоустановки на ТОТЭ для станций катодной защиты нефтегазового сектора и линейки установок для других отраслей народного хозяйства» в соответствии с соглашением 23.04.2013 № Г-13-130, по «Временным техническим требованиям к установке катодной защиты ПАО Газпром». Необходимость разработки и внедрения энергетических установок на базе твердооксидных топливных элементах на объекты нефтегазового сектора подтверждена справкой о внедрении №08/02-08-15 от 09.06.2016, справкой о внедрении №1 от 09.06.2016 и Перечнем наиболее важных видов продукции для импортозамещения и локализации производств с целью технологического развития ОАО "Газпром" от 2015 г. (п. 1.1.1.12). Разработанная установка прошла заводские испытания, доказав свою эффективность и подготовлена для прохождения опытно-промышленной эксплуатации на объекте заказчика.
Личное участие автора. Заключается в постановке целей и задач исследований, разработке адаптированной к инженерной практике методики расчета, проведении экспериментальных исследований, разработке энергетической установки с воздушным риформером, обобщении результатов экспериментальных и численных исследований, разработке рекомендаций по использованию результатов.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы основные теоретические положения теории тепло-массообмена, физической химии, данные по константам равновесия реакций горения и конверсии, уравнения материального и теплового баланса. Численное моделирование выполнено с использованием программных продуктов Microsoft Excel, Mathcad 15 и MathCAD Prime 3.1, верификация разработанных моделей выполнена на основании полученных автором результатов экспериментальных исследований, апробированных аналитических зависимостей и на основании уже известных данных.
Положения, выносимые на защиту:
1. Зависимость теплоты сгорания реакции парового и воздушного риформинга от коэффициента подачи окислителя (воздуха или водяного пара) полученная на основе адаптированной к инженерной практике методики расчета равновесного со-става.
2. Результаты испытаний Модуля риформер/горелка/теплообменник и энергетической установки на твердооксидных топливных элементах с паровым риформером мощностью 5 кВт.
3. Адаптированная к инженерной практике методика расчета основных энергетических характеристик установки на твердооксидных топливных элементах применимую для анализа работы и при разработке энергетических установок на ТОТЭ.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались на VII заочной международной научно-практической конференции «Система управления экологической безопасностью», Екатеринбург, 30-31 мая 2013; Конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике» 12-14 ноября, 2013 года, Екатеринбург, УрФУ; VIII Ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования -2013», 11-13 декабря, 2013 г., Москва, МЭИ; Шестой Российской национальной конференции по теплообмену 27-31 октября 2014 г., Москва, МЭИ; VII международной научной конференции молодых ученых Электротехника. Электротехнология. Энергетика - 2015; г. Новосибирск, 9-12 июня 2015 г., Международной конференции SOFC XIV, Глазго, июль 2015 г.; Конференции «Энерго- и ресурсосбережение нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» 15-18 декабря 2015 г., УрФУ; XV Минский международный форум по тепломассообмену, 23 - 26 мая 2016 г.; Конференции Energy Quest 2016, Анкона, Италия, 6-8 сентября 2016 года.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 17 статей, из них 5 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, получено 7 патентов РФ на изобретения, одно учебное пособие с ГРИФом УМО.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика. В рамках диссертационной работы проводилась оптимизация тепловой схемы теплотехнического оборудования на твердооксидных топливных элементах на основании разработанной адаптированной к инженерной практике методики расчета с целью сбережения энергетических ресурсов и уменьшения затрат.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня условных обозначений, списка литературы и двух приложений. Весь материал изложен на 139 страницах, содержит 61 рисунок, 128 формул, 15 таблиц.
1. Предложенная в работе адаптированная к инженерной практике методика расчета основных характеристик энергетических установок на твердооксидных топливных элементах с паровым, воздушным риформером и с рециркуляцией анодных газов может быть рекомендована для внедрения в энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах, а также для проведения анализа эффективности работы оборудования. Внедрение методики позволило повысить маневренность системы управления и надежность оборудования.
2. По результатам проведенных режимных испытаний модуля воздушный риформер/каталитическая горелка/теплообменник и энергетической установки на базе ТОТЭ с паровым риформером мощностью 5 кВт были определены основные энергетические характеристики оборудования и получены необходимые данные для внесения в систему управления этими установками.
3. Экспериментально и теоретически подтверждена возможность устойчивой работы воздушного риформера с Ni катализатором после краткосрочного прохождения зоны сажеобразования. Разработаны рекомендации для инженерной практики направленные на поддержание работоспособности энергетических установок с воздушным риформером при работе вблизи зоны сажеобразования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
