直接內(nèi)部重整固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、燃料電池是一種新興的、高效率的且清潔的發(fā)電裝置。從能量轉(zhuǎn)換角度考慮,燃料電池與普通的一次電源和二次電源相同,都是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。從實際應(yīng)用來考慮,燃料電池有其獨特的性質(zhì),其運行所需燃料和氧化劑并非存儲在其內(nèi)部,而是源源不斷地由電池外部設(shè)備供給。直接內(nèi)部重整固體氧化物燃料池(DIR-SOFC)除了具有燃料電池共有的優(yōu)點(高效率、低污染、低噪聲、高能量密度和高可靠性)外,其憑借自身運行溫度高、電極催化劑特殊的特點,可以直接利用

2、天然氣、煤氣或者其它碳氫化合物作為燃料,因此DIR-SOFC無需外部燃料重整器,從而簡化了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外,DIR-SOFC可以與燃氣輪機或蒸汽輪機等構(gòu)成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),對電池排出的含有大量未使用燃料和熱量的尾氣加以再利用,以提高系統(tǒng)總的發(fā)電效率(其系統(tǒng)總體效率可以超過80％)和進一步降低對環(huán)境的污染。而且,SOFC系統(tǒng)發(fā)電容量大,用途更為廣泛。
　　 本課題是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(863計劃)“中溫平板型SOFC模塊

3、發(fā)電系統(tǒng)的研制”和國家自然科學(xué)基金項目“燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)非線性對象的協(xié)調(diào)控制”課題的一部分。本文以DIR-SOFC發(fā)電系統(tǒng)為研究對象,以甲烷蒸汽混合氣體作為其燃料,對DIR-SOFC系統(tǒng)的建模、數(shù)值模擬、控制策略等問題進行了研究。以甲烷蒸汽重整反應(yīng)動力學(xué)、DIR-SOFC系統(tǒng)機理模型為研究基礎(chǔ),詳細地分析討論了DIR-SOFC系統(tǒng)在不同運行條件下的靜態(tài)和動態(tài)特性。在此基礎(chǔ)上,采用基于數(shù)據(jù)的小波網(wǎng)絡(luò)(WN)方法(免疫優(yōu)化WN

4、(IOWN)和自遞歸WN(SRWN))對DIR-SOFC系統(tǒng)建立了輸入輸出黑盒模型。根據(jù)對DIR-SOFC系統(tǒng)動態(tài)特性的分析討論,設(shè)計了適合其的控制方案(包括模糊控制和預(yù)測控制),并對不同控制方法的結(jié)果進行了比較分析。本文的主要工作包括:
　　 1.在甲烷蒸汽重整動力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,建立了甲烷蒸汽重整過程中各個反應(yīng)的動力學(xué)模型。依據(jù)模型,在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境里,建立了重整反應(yīng)平衡組成計算模塊和反應(yīng)速度計算模塊

5、。基于建立的計算模塊,對甲烷蒸汽重整過程進行了熱力學(xué)計算分析,并對其穩(wěn)定狀態(tài)和動態(tài)行為進行了仿真,考察了運行溫度、壓力、S/C等重要參數(shù)對重整反應(yīng)的影響,給出了不同運行條件下,甲烷轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)產(chǎn)物平衡組成(甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳)、以及重整過程中不同反應(yīng)進行速度的計算結(jié)果。同時,分別對不同條件下的結(jié)果進行了對比,并對反應(yīng)中出現(xiàn)的各種狀態(tài)進行了分析討論。
　　 2.基于甲烷蒸汽重整反應(yīng)動力學(xué)、化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換原理、質(zhì)量和能量

6、傳遞原理建立了DIR-SOFC的機理數(shù)學(xué)模型。模型中采用了微分方程組來描述DIR-SOFC內(nèi)部的各種物理和化學(xué)過程,為了求得模型方程的解,結(jié)合本研究的需要并采用計算流體動力學(xué)方法推導(dǎo)了DIR-SOFC模型的二維矩陣形式進而對其進行了數(shù)值計算。在MATLAB環(huán)境中編寫仿真程序(m文件),將其封裝成SIMULINK中可調(diào)用的子模塊,并整合為便于操作和調(diào)用的DIR-SOFC模塊。針對電池運行中的重要變量和參數(shù)(SOLID厚度、燃料氣流、空氣氣

7、流、壓力、S/C和電壓),考察了它們對交叉流場電池運行狀態(tài)及性能的影響,給出了由各種輸入和參數(shù)的階躍變化引起的電池二維參數(shù)分布動態(tài)變化過程,并對結(jié)果進行了分析和討論。DIR-SOFC性能研究表明:1)在燃料入口處,DIR-SOFC溫度有明顯的下降,在達到最低值之后,會沿著陽極流道逐漸上升,在陽極流道中部陰極流道出口附近達到溫度的最大值,接著沿流道緩慢下降；2)沿著陰極流道,電池溫度逐漸上升,在陰極流道出口附近達到最大值；3)陽極和陰極入

8、口處的電流密度較小,沿著陽極流道電流密度逐漸升高,在溫度最高點附近達到電流密度的最大值,接著逐漸下降,而沿著陰極流道,電流密度總的趨勢是逐漸增大的,在陽極出口附近,沿著陰極流道方向,電流密度是逐漸減小的,這與陽極出口處燃料消耗殆盡有關(guān):4)DIR-SOFC中甲烷氣體濃度沿著陽極流道逐漸減小,氫氣的濃度沿著陽極流道先增大然后逐漸減小,水蒸汽的濃度則是先減小而后逐漸增大,氧氣的濃度沿著陰極流道逐漸減小,并在電流密度最大處達到其最小值；5)增

9、加SOLID厚度,會降低電池的平均溫度、平均電流密度、燃料和氧氣的利用率；6)燃料氣流量減少20％,會減低電池的平均溫度、平均電流密度,增加燃料利用率,減小氧氣利用率；7)燃料氣流量增加20％,使得平均電流密度增加,但是平均溫度下降了,燃料利用率相應(yīng)減小,氧氣利用率會突然增加而后回落；8)空氣流量減少20％,會增大電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率；9)空氣流量增加10％,降低了電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率

10、和氧氣利用率；10)壓力從3bar變?yōu)?bar,降低了電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率；11)壓力從3bar變?yōu)?bar,增加了電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率；12)S/C2.14·1.8,增加了電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率；13)S/C2.14·3.0,降低了電池的平均溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率；14)單電池電壓從0.7V升至0.75V,降低了電池的平均

11、溫度、平均電流密度、燃料利用率和氧氣利用率。
　　 3.在WN建模方法基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)免疫優(yōu)化算法(MOIA)對原始WN模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和初始狀態(tài)進行優(yōu)化,用以達到提高WN模型精度的目的。為了提高模型對DIR-SOFC及其系統(tǒng)的動態(tài)行為的學(xué)習(xí)能力,本文采用改進了的SRWN。為了進一步實現(xiàn)在線模型辨識,采用了帶遺忘因子的二次函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),并推導(dǎo)了SRWN中參數(shù)的更新公式(包括小波尺度和平移參數(shù)的梯度更新公式,以及權(quán)重參數(shù)的迭代更

12、新公式)。接著,對其參數(shù)更新算法的收斂性進行了證明,提出了參數(shù)學(xué)習(xí)速度自適應(yīng)調(diào)整律。仿真結(jié)果表明IOWN和SRWN(采用帶遺忘因子的目標(biāo)函數(shù))均能夠成功地對DIR-SOFC建模,并能獲得較高的精度,其中SRWN具有更好的在線學(xué)習(xí)能力。
　　 4.根據(jù)質(zhì)量、能量守恒定律以及經(jīng)驗公式建立了DIR-SOFC發(fā)電系統(tǒng)中其它各部件(燃燒室、壓氣機、透平、熱交換器)的模型,并創(chuàng)建了SIMULINK中可調(diào)用的子模塊。以這些部件模塊為基礎(chǔ),構(gòu)建

13、了190kW級DIR-SOFC發(fā)電系統(tǒng)的SIMULINK模型,通過該模型,設(shè)置了多種運行條件,進行了仿真實驗,獲得了DIR-SOFC系統(tǒng)在不同工況下的動態(tài)運行特性,分析了各變量對系統(tǒng)性能的影響。基于對DIR-SOFC系統(tǒng)的動態(tài)仿真實驗,確定了各操縱量(入口燃料和空氣流量以及燃燒室添加燃料流量)來控制發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和輸出性能(電堆溫度、燃料利用率和系統(tǒng)輸出功率)。應(yīng)用智能控制中具有代表性的模糊控制和預(yù)測控制方法設(shè)計了針對該DIR-SO

14、FC發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。在模糊控制算法中采用了改進的非均勻分布模糊變量隸屬度函數(shù)、T-S模糊規(guī)則以及加權(quán)平均反模糊方法。在預(yù)測控制算法中,采用SRWN模型作為DIR-SOFC系統(tǒng)的預(yù)測模型,并對DIR-SOFC系統(tǒng)進行了在線建模和預(yù)測仿真實驗,結(jié)果表明DIR-SOFC系統(tǒng)的SRWN模型具有較好的在線辨識能力和適應(yīng)性,而且具有較高的預(yù)測精度。在控制實驗中,為了展示基于SRWN的預(yù)測控制方法的優(yōu)越性,還采用了IOWN模型替換預(yù)測控制中的SR