一种新型固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机联合发电系统的技术经济分析，该系统采用压缩空气和热能储存技术

《Journal of Energy Storage》：Techno-economic analysis of a novel solid oxide fuel cell-steam injection gas turbine cogeneration system with compressed air and thermal energy storage

　　摘要：本研究提出了一种新型固体氧化物燃料电池与蒸汽注入燃气轮机相结合的能源系统，该系统整合了压缩空气储能和热能储存技术，专为油田应用设计。与传统固体氧化物燃料电池系统相比，该系统能够回收压缩机产生的压缩热，并利用热能储存技术为油田作业提供支持。除了用于加热原油外，该系统还能供应蒸汽。同时，该系统用固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机循环替代了传统燃气轮机用于发电。这种集成系统可同时提供热量、电力和蒸汽。研究中对能量、有效能、能量等级、经济性以及有效能经济性进行了全面分析。热力学计算结果显示，该系统的总发电功率为4311.41千瓦，供热功率为1372.35千瓦。该集成系统的电气效率、有效能利用率及放电效率分别为60.92%、60.11%和73.26%。与传统的补充燃烧式压缩空气储能系统的往返效率相比，该系统的往返效率提升了约5.12%。敏感性分析表明，最佳蒸汽注入比例为0.132，在此比例下，该系统的往返效率、蒸汽注入燃气轮机的发电功率、储能密度以及充电速率均达到最大值。此外，空气压缩机的压力比和燃料流量也被确定为影响往返效率的关键参数。有效能经济性分析显示，固体氧化物燃料电池和蒸汽注入燃气轮机的成本分别高达每小时43.02美元和42.73美元。另外，重整器的有效能经济性指标为81.56%。经济性分析进一步表明，油田中的燃料价格会对系统的动态投资回收期产生显著影响，该系统的投资回收期为9.26年。所提出的系统通过集成储能技术实现了高效的能源转换，为偏远油田的清洁可持续能源供应提供了重要参考。

引言：化石燃料的过度消耗导致了大量的二氧化碳排放，加剧了气候变化问题。石油和天然气行业占据了全球温室气体排放量的近36%[1]。因此，加快绿色转型对于实现碳中和以及推进全球气候治理具有重要意义[2]。在产油地区，必须在推动石油勘探、开发及炼制各阶段清洁能源利用的同时，积极发展可再生能源。实现清洁能源替代是迈向绿色低碳转型的重要步骤。然而，油田中新建电力系统面临诸多挑战，包括可再生能源的间歇性和不确定性，以及微电网中储能系统整合的难度。为有效解决产油地区新能源系统带来的问题，必须将储能系统纳入可再生能源发电体系之中[3]。将可再生能源发电与储能技术相结合，有助于缓解可再生能源固有的不稳定性和间歇性问题，从而保障电网的安全与稳定[4][5]。压缩空气储能技术因其大规模储能能力、长寿命以及环境友好性而具有广阔应用前景[6]。传统的压缩空气储能系统基于燃气轮机发电模式，但其能源效率较低[7]。因此，研发高效的新型储能系统以提高整体系统效率 merupakan一项可行的研究方向。

学者们对压缩空气储能系统的集成应用进行了大量研究。Kilicaslan等人[8]提出了一种太阳能驱动的能源系统，该系统结合了压缩空气储能和抽水蓄能技术，可用于提供热能、冷却能、电能以及氢气。Ran等人[9]则开发了一种利用太阳能热能的集成型蒸汽注入压缩空气储能热电联产系统，通过向压缩空气中注入蒸汽以增加湿度，使得压缩空气储能系统的发电功率提升至41,430千瓦。Calise等人[10]研究了结合可再生能源与压缩空气储能的新型系统的非设计工况性能，实验结果表明该系统的循环效率可达59%。Alirahmi等人[11]将太阳能热发电技术与质子交换膜电解槽以及压缩空气储能技术相结合，有效解决了传统补充燃烧式压缩空气储能系统所带来的二氧化碳排放问题。Kim等人[12]研究了一种结合压缩空气储能与燃气轮机的新型系统，该系统的往返效率提升了2.2%。Razmi等人[13]开发了一种将压缩空气储能与有机朗肯循环及压缩制冷循环相结合的新型热电联产系统。Jienkulsawad等人[14]则提出了一种基于熔融碳酸盐燃料电池与压缩空气储能技术相结合的集成框架，用以满足不同的电力需求。尽管已有大量关于压缩空气储能系统各种应用场景的研究，但针对其在油田中的应用研究仍相对较少。

目前，油田开采作业仍依赖燃气轮机组来提供动力。然而，燃气轮机的发电效率较低，碳排放量大，且废热利用效率不高[15]。因此，开发先进的油田发电技术已成为一种重要趋势。作为新兴的发电技术，固体氧化物燃料电池相比传统柴油发电机具有更高的效率以及更低的环保影响[16][17]。此外，固体氧化物燃料电池产生的高温废气中含有大量可回收的热能，便于实现级联能源利用[18]。因此，将固体氧化物燃料电池用于油田的热电联产具有巨大潜力。近年来，关于固体氧化物燃料电池废热回收与利用的研究十分活跃。Liu等人[19]研究了一种以液氨为燃料、结合固体氧化物燃料电池与溴化锂制冷技术的综合能源系统。在设计条件下，该集成系统在夏季的能源利用效率为47.83%，冬季则为50.52%。You等人[20]分别设计了利用太阳能热能的固体氧化物燃料电池冷暖电联产系统以及不利用太阳能热能的同类系统，实验结果表明，采用太阳能热能的系统整体能源效率提升了9.38%。Emadi等人[21]将固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统与有机朗肯循环系统相结合，并通过多目标优化方法分析了20种不同有机工质的表现，发现乙烷在该系统中具有较好的热力学性能。Chitgar等人[22]提出了一种将固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统与通过有机闪蒸循环实现海水淡化的系统相结合的集成系统，该系统可同时产生电力、淡水以及氢气。Zheng等人[23]提出了一种新型热电联产系统，该系统将质子交换膜电解槽与固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统相结合，同时配备储能装置用于回收压缩热以及燃气轮机的废气热能，以用于供暖和制冷。Qiang等人[24]提出了一种用于生物质气化固体氧化物燃料电池的新型冷暖电联产系统，该系统的能源利用效率达到了70.2%。Zhao等人[25]研究了一种以生物质气为燃料的固体氧化物燃料电池新型联产系统，在该系统中，超临界二氧化碳发电系统用于回收废热以发电，而NH3-H2O吸收式制冷系统则用于回收废热以用于制冷。Ranjbar等人[26]分析了基于固体氧化物燃料电池的热电联产系统的稳态运行情况，重点研究了电流密度和入口温度变化对系统整体性能指标的影响，研究结果表明，增加电流密度会降低系统的能源效率及有效能效率。Guo等人[27]研究了一种由低温固体氧化物燃料电池与高温质子交换膜组成的集成热电联产系统，实验结果显示，该集成系统的发电效率为62.5%，整体能源利用效率为86.5%。

固体氧化物燃料电池产生的高温废热回收问题受到了广泛研究关注。目前已有多种回收方法被探索，包括燃气轮机、有机朗肯循环、超临界二氧化碳循环、制冷循环以及液化天然气系统等。不过，专注于利用蒸汽注入燃气轮机技术进行废热回收的研究相对较少。蒸汽注入燃气轮机技术无需增加蒸汽朗肯循环系统即可提升系统的总输出功率[28]。在蒸汽注入燃气轮机系统中，废气热能被用于预热废热回收锅炉中的给水，从而产生过热蒸汽，这些蒸汽随后会被注入燃烧室[29]。这一过程能够提高燃气轮机的烟气流量和发电功率。与通过蒸汽轮机回收高温废热的传统方法相比，蒸汽注入燃气轮机系统减少了對蒸汽轮机的依赖，同时也简化了整个系统的结构。

将压缩空气储能技术与固体氧化物燃料电池技术相结合，作为一种提升传统压缩空气储能系统效率的方法，也引起了人们的关注。Zhong等人[30]从热力学角度研究了一种结合热化学储能、压缩空气储能以及固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统的混合系统，他们发现该系统的有效能循环效率可达58%。Roushenas等人[31]利用固体氧化物燃料电池的废热在压缩空气储能系统放电过程中提高空气涡轮机的入口温度，该研究从热力学和环境两个角度进行了分析。Ou等人[32]研究了压缩空气储能技术与固体氧化物燃料电池技术相结合在微型离网供电中的应用。然而，很少有研究专门探讨将固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机技术与压缩空气储能及热能储存技术相结合、用于油田应用的系统。现有的研究主要侧重于通过利用固体氧化物燃料电池产生的高温烟气为涡轮机加热，或利用压缩废热为涡轮机预热，从而分析系统的热力学性能。在集成系统功能方面，关于利用压缩热能储存技术为油田中的原油加热的研究还比较少。此外，针对这类集成系统的有效能经济性分析也还不够充分。为填补这一空白，本研究主要聚焦于针对油田应用场景、结合热能储存技术的新型系统的热力学性能及有效能经济性分析。通过向燃烧室注入蒸汽，无需增加额外的蒸汽轮机即可提升发电功率。此外，该集成系统还能通过为抽油机以及原油加热提供电力，助力油田实现碳减排。本研究提出的综合能源系统与现有文献中的系统有很大不同，它有效地利用了压缩热能以及固体氧化物燃料电池产生的高温废气，同时还融入了新型的蒸汽注入燃气轮机技术。废热则来源于原油加热和蒸汽生成过程。

与现有的固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统、热能储存型压缩空气储能系统以及集成热电联产系统相比，本研究的主要创新点在于所提出的系统架构。该系统能够高效回收压缩热能，将其用于向燃烧室注入蒸汽，从而提升系统发电功率。与单一的固体氧化物燃料电池系统相比，该系统利用储存的高压空气替代了固体氧化物燃料电池原有的空气压缩装置，进而降低了系统的能耗。此外，与传统的压缩空气储能系统相比，该系统采用固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机子系统来代替传统的空气膨胀机用于发电，这显著提升了压缩空气储能系统的整体能源效率。不仅如此，该集成系统不仅为油田中的可再生能源利用提供了稳定的储能解决方案，还能够高效地实现固体氧化物燃料电池废气热能与压缩热能的级联利用，进一步提升了系统的整体热力学性能。本研究的主要贡献如下：（1）提出了一种全新的油田热电联产系统，该系统整合了压缩空气储能、热能储存以及固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机技术，可实现原油加热与电力生产的同步进行。（2）实现了对固体氧化物燃料电池废气热能以及压缩热能的高效利用。（3）对该系统进行了全面的能量、有效能、有效能经济性以及经济性分析。（4）通过有效能利用图分析，揭示了该集成系统内部有效能损耗的机制。

本研究的主要目标如下：（1）提出一种结合压缩空气储能与热能储存的固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机集成系统的新型结构及运行模式。（2）评估该系统的热力学性能，包括往返效率、放电效率以及有效能损耗特性。（3）针对油田中的兆瓦级应用场景，对该新型热电联产系统的经济性进行评估。

系统模式描述：图1展示了油田中结合压缩空气储能与热能储存的固体氧化物燃料电池-蒸汽注入燃气轮机热电联产系统的流程图。该系统可分为三个过程：能源储存、热能储存以及能源释放，这三个过程相互独立运行。

模型假设：在本研究中，该集成系统的热力学性能是通过Aspen Plus软件及嵌入式的Fortran程序进行模拟计算的，而固体氧化物燃料电池的电压、电流密度以及发电功率则是通过Fortran程序来计算的。能量经济分析与经济分析是通过工程方程求解器（EES）来进行的。基本设计条件列于表1中。此外，基本假设如下[36]、[37]：(1)空气中的主要成分是N2和O2。(2)所有组件都处于稳定状态。

模型验证
由于该组合系统此前未被研究过，因此整个集成系统尚未经过验证。不过，对主要子系统（SOFC、CAES和STIG）的模型验证是分别进行的。基于其系统流程和数学模型，通过在Aspen Plus仿真软件中嵌入Fortran编程，完成了SOFC系统的仿真计算。得到了电流密度、SOFC电压、SOFC排气温度、SOFC效率以及气体成分等相关数据。

结果与讨论
由于这种新型集成能源系统在以往的文献中尚未有相关报道，因此没有完整的实验数据可用于对整个系统进行验证。表8列出了在该设定运行条件下系统的热力学性能仿真结果。该系统的总发电功率为4311.41千瓦，蓄热能力为1372.35千瓦。循环电效率、循环能量效率以及功率等其他参数也有所体现。

结论
本研究构建并评估了一种将压缩空气、热能存储与SOFC-STIG相结合、用于油田应用的新型能源系统。在设计条件下，该集成系统的循环电效率为60.92%，放电效率为73.26%，可输出4311.41千瓦的电力，同时具备1372.35千瓦的蓄热能力。研究结论如下：(1)所提出的系统能够有效利用SOFC产生的压缩热和排气废热。

研究局限与未来工作
本研究的主要局限在于缺乏对集成系统的建模验证及动态分析。在未来的研究中，我们将探讨动态控制策略、实验验证方法，以及在实际负载情况下的集成系统优化方案。

作者贡献说明
张泰恒：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、方法论。赵洪斌：撰写——审阅与编辑、监督、概念设计。唐明：撰写——审阅与编辑、资源协调。陈春谦：验证、软件应用、资源协调。郭新宇：数据收集、形式分析、数据整理。

利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：有专利申请中。其他作者则声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本项目得到了中国国家重点实验室项目编号PLC2025005CJRH以及国家自然科学基金项目编号52374012的支持。

术语说明
CAES：压缩空气能量存储
SOFC：固体氧化物燃料电池
STIG：蒸汽喷射涡轮机
TEST：热能存储
EUD：能量利用图
GT：燃气轮机
HT：热罐
CT：冷罐
AC：空气压缩机
AB：加燃室
FC：燃料压缩机
AST：空气储存罐
PRV：压力调节阀
HEX：换热器
HRSG：热回收蒸汽发生器
SD：存储密度
WSOFC：SOFC的交流功率（千瓦）
WSTIG：STIG的功率输出（千瓦）
WAC：空气压缩机的能耗（千瓦）
WFC：燃料压缩机的能耗（千瓦）

作者：张泰恒|赵洪斌|唐明|陈春谦|郭新宇
单位：中国四川省成都市610500，西南石油大学油气储层地质与开发国家重点实验室