常压SOFC双逆流燃气轮机系统在蒸汽注入氧燃后置燃烧条件下的技术经济优化

《Fuel》：Techno-economic optimization of a hydrogen-methane fueled atmospheric SOFC-dual inverted gas turbine system with steam-injected oxy-fuel afterburning

　　

• 评估了氢掺混甲烷在SOFC-双IGT系统中的应用。
• 氧燃料后燃烧改善了残余燃料的利用。
• 蒸汽注入可调节透平入口温度并增强IGT余热回收。
• 优化后的系统实现了75.76%的净效率。
• 氢气价格决定了首选的燃料柔性运行方式。

**引言**

氢掺混甲烷作为一种过渡燃料引起了越来越多的关注，因为用氢气部分替代甲烷可以降低供应燃料的碳含量，同时保持与现有基于甲烷的燃料基础设施的兼容性[1]。模块化固态储氢技术的最新进展，包括Mg基合金床中反应诱发的局部自加热，进一步证明了储氢和供氢技术的持续发展[2]。与纯甲烷相比，掺入氢气会改变燃料的热值、重整行为、电化学反应环境、排气成分和燃烧特性[3]。这些变化对于基于固体氧化物燃料电池（SOFC）的混合系统尤为重要，因为在这些系统中，燃料转化、排气余热回收和下游燃烧是强烈耦合的。因此，理解氢掺混甲烷利用的热力学和经济效应对于开发燃料柔性高效电力系统至关重要[4]，[5]。

SOFC适用于氢掺混甲烷的利用，这得益于其高电效率[6]、高温运行和内重整能力。甲烷可通过蒸汽重整和水-气变换反应进行转化，而氢气直接参与电化学氧化。高温SOFC排气还可为底部循环或后燃烧过程提供可回收的热能[7]，[8]，[9]。然而，氢气比例的变化[10]，[11]会影响电流密度、工作电压、排气流量和热平衡，这可能导致对电堆性能和系统级电力回收产生相互竞争的影响。

将SOFC与燃气轮机耦合是提高燃料电池供电系统整体热力学性能的有效方法。固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）混合系统的效率通常可以超过独立燃气轮机或独立SOFC系统的效率[12]，[13]。现有研究从多个角度对SOFC-GT系统进行了探讨，包括系统集成建模[14]，[15]、设计分析[12]和性能优化[16]。关键运行参数的影响，如燃料利用率[12]、压比[14]，[17]、汽碳比[16]，[18]也已被广泛讨论。

先前的研究通过朗肯循环、卡琳娜循环、超临界CO2循环、有机朗肯循环和多联产循环增强了SOFC废热利用[19]，[20]，[21]，[22]。将SOFC与氧燃料燃烧或碳捕集技术相结合的碳减排配置也展示了同时高效发电和CO2分离的潜力[23]，[24]。这些研究确立了集成SOFC系统的热力学潜力，但大多数研究侧重于常规燃料或加压配置，而非氢掺混常压SOFC-双IGT系统。

然而，将SOFC与常规燃气轮机集成仍然面临挑战，原因在于SOFC工作压力与透平膨胀要求之间的不匹配。根据工作压力，SOFC系统一般可分为加压配置和常压配置。虽然加压SOFC可以直接与常规布雷顿循环耦合，但需要压力容器和更复杂的系统结构，从而增加了技术复杂性和成本。相比之下，常压SOFC在结构简洁性和运行安全性方面具有优势，但其接近常压的排气压力限制了与常规燃气轮机的直接集成。由此产生的压力不匹配通常需要间接传热过程，这增加了?损失并限制了性能的进一步提升。

为了解决这一局限性，先前的研究提出了将常压SOFC与常压膨胀布雷顿循环相结合的方案[25]，[26]，[27]。倒置燃气轮机（IGT）或倒置布雷顿循环配置为回收常压SOFC排气余热提供了一条有前景的解决方案[28]，[29]。与常规布雷顿循环不同，IGT系统通过膨胀工质至低于常压来回收常压SOFC排气的热能，随后进行冷却、冷凝和再压缩。这种配置提供了一种有效的解决方案来回收常压SOFC系统的废热，同时避免了与加压相关的技术难题。

氧燃料后燃烧为改善燃料利用和形成富含CO2的阳极侧排气提供了另一条途径。在SOFC混合系统中，阳极排气中的残余H2和CO可在后燃烧器中进一步氧化，从而增加可用于下游电力回收的热能。与空气燃烧相比，氧燃料后燃烧避免了阳极侧的氮气稀释，有利于后续的CO2分离。然而，高绝热燃烧温度可能超过允许的最高透平入口温度，尤其是在富氢运行条件下。因此，当氧燃料后燃烧与常压SOFC-IGT系统集成为一体时，需要有效的热调节策略。

先前的研究通过实验和数值模拟证明了SOFC-IGT混合系统的可行性。实验研究验证了常压膨胀布雷顿配置的运行可行性[30]，[31]，而数值分析进一步确认了其高效发电的潜力[32]，[33]。Facchinetti等人[34]，[35]将SOFC模块与常压膨胀布雷顿循环中的两个独立燃气轮机集成，并引入了氧燃料燃烧单元。其结果表明，该配置可以在实现高能量转换效率的同时，避免与SOFC加压相关的技术挑战。Wang等人[36]使用Aspen Plus建模了一个常压SOFC与环境压力燃气轮机循环相结合的混合系统，所提出的系统实现了66.5%的发电效率，比常压SOFC效率高14.5%，比加压SOFC效率高近12%。Cardena等人[29]提出了一种固体氧化物燃料电池-倒置布雷顿循环混合系统，发电效率达到63.5%。Li等人[37]进一步将氧燃料燃烧纳入常压SOFC-IGT系统并优化了不同配置，净电效率达到53.9-65.8%。

虽然先前的研究已经确立了常压SOFC-IGT集成、双流排气余热回收和氧燃料燃烧的可行性，但氢比例、燃料通量和蒸汽注入对SOFC性能、透平热工条件、净效率和发电成本之间的耦合效应仍缺乏充分的量化研究。特别是，富氢可能提高电化学性能，但同时会改变燃料能量输入、后燃烧器温度、余热回收条件和燃料成本。因此，本研究旨在量化这些耦合效应并确定在净效率和LCOE之间提供有利权衡的运行条件。

为了解决这些挑战，本研究通过在氧燃料后燃烧过程中引入蒸汽辅助的透平入口温度调节，研究了一种常压SOFC-双IGT系统中的氢掺混甲烷利用。该系统结合了SOFC电化学转化、残余燃料氧燃烧、双流倒置布雷顿余热回收和蒸汽辅助的透平入口温度调节。开发了一个包含经定量验证的SOFC子模型的热力学模型，用于评估氢比例、总燃料流量和蒸汽注入率对SOFC性能、IGT电力回收、透平热工条件和氧燃料后燃烧特性的耦合效应。其余组件模型基于组分和能量守恒方程、标准透平机械关系以及文献中的运行参数建立，因此将其视为模型验证而非完整的实验验证。随后建立了基于LCOE的经济模型，用于量化资本成本、运维成本和CH4/H2燃料成本的贡献。最后，进行了NSGA-II双目标优化和氢气价格敏感性分析，以确定所提出的燃料柔性混合系统的效率-成本权衡。

与我们先前的研究[25]，[26]，[37]不同，那些研究在基于甲烷的运行条件下考察了常压SOFC-IGT集成、双流IGT余热回收和氧燃料燃烧，本研究并未声称全新的系统拓扑结构。相反，本研究将已建立的**Section snippets**

**热力学建模**

本研究的方法论框架包括四个阶段。首先，基于质量与能量守恒、电化学关系和热力学组件模型，开发了一个稳态的Aspen Plus SOFC-IGT系统模型。运行参数和组件假设取自文献和已建立的工程关联；未收集新的实验数据集。其次，SOFC子模型针对已发表的参考数据进行了定量验证。然后，开展了参数研究，以考察入口燃料组成、燃料摩尔流量和后燃烧器中蒸汽注入率对SOFC-双IGT混合系统运行特性的影响。基于这些结果，主要……

**结论**

本研究在配备蒸汽注入的常压SOFC-双倒置燃气轮机氧燃料后燃烧混合系统中，考察了氢掺混甲烷的利用。采用了一个包含经定量验证的SOFC子模型的热力学模型，并结合了基于LCOE的经济模型、NSGA-II双目标优化和氢气价格敏感性分析，以阐明燃料组成、燃料流量、蒸汽注入和燃料价格对系统性能的耦合效应。

**CRediT作者贡献声明**

Jiaxin Ding：撰写——原稿，验证，监督，软件，方法学，调查研究，形式分析，概念设计。Yongyi Li：撰写——审阅与编辑，资源，资金获取，概念设计。Yuxuan Zhang：方法学，数据整理。Guoqiang Zhang：调查研究，资金获取，形式分析。Rongrong Zhai：监督，数据整理。Cheng Xu：形式分析，数据整理。Ligang Wang：项目管理，概念设计。Chang Huang：

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的可能影响本研究中报告工作的竞争经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究获得的资助来自中国国家自然科学基金（项目编号：52306010）、中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4102600）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2026MS150）和河北省自然科学基金（项目编号：E2026502051）。

Jiaxin Ding | Yongyi Li | Yuxuan Zhang | Guoqiang Zhang | Rongrong Zhai | Cheng Xu | Ligang Wang | Chang Huang