SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵問題研究.pdf

1、燃料電池／燃?xì)廨啓C(jī)混合系統(tǒng)具有高效、低排放、燃料多樣性等優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)電技術(shù)最重要發(fā)展方向之一。由于混合系統(tǒng)本身固有的非線性、多變量、強(qiáng)熱力耦合的高度復(fù)雜性以及運(yùn)行過程中的不確定性，導(dǎo)致其變工況運(yùn)行時(shí)會(huì)面臨諸多嚴(yán)重的運(yùn)行問題，如混合系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、生物質(zhì)燃料適應(yīng)性、高含濕量工質(zhì)對(duì)混合系統(tǒng)運(yùn)行的影響、燃料余能高效利用等關(guān)鍵問題。這些問題的研究以及有效解決，不僅對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)從理論研究到實(shí)際應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用，還可以為我國開展混合系統(tǒng)

2、相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)以上問題，從理論和實(shí)驗(yàn)的角度開展了研究，取得如下幾方面的進(jìn)展：
　　首先，建立了完整的SOFC/GT混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型?；诨旌舷到y(tǒng)集成原理和匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)了頂層循環(huán)模式的SOFC/GT混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖；根據(jù)各個(gè)部件工作特性所基于的質(zhì)量、能量等守恒方程，考慮各部件的壓力損失、熱力損失，按照所設(shè)計(jì)的混合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了以生物質(zhì)氣化氣為燃料的SOFC/GT混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)

3、模型。該模型中的燃料電池電化學(xué)參數(shù)選取來源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)模型通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其他部件的數(shù)學(xué)模型來源于成熟模型。在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上，通過選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的混合系統(tǒng)輸出功率為182.40 kW，發(fā)電效率為60.78%，性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，這對(duì)中小型混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　其次，研究了SOFC/GT混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行安全問題，確定了安全運(yùn)行區(qū)域

4、。針對(duì)每一個(gè)部件的運(yùn)行安全性受到工作特性（電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等特性）和關(guān)鍵參數(shù)的制約，研究和分析了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃料電池工作溫度、電池內(nèi)部最大允許溫度梯度、壓氣機(jī)喘振和阻塞等安全因素的影響，確定了各個(gè)部件和系統(tǒng)在額定工況、額定轉(zhuǎn)速以及大范圍變工況運(yùn)行時(shí)的安全運(yùn)行區(qū)域圖。結(jié)果表明：燃空比對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行性能的影響最大，轉(zhuǎn)速次之，水碳比最小。大范圍變工況運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)能量不平衡運(yùn)行區(qū)。轉(zhuǎn)速減少，系統(tǒng)運(yùn)行的安全因素影響程度由碳沉積逐漸轉(zhuǎn)

5、化為透平和電池超溫。在安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)輸出功率和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍均隨轉(zhuǎn)速減少而減少，但發(fā)電效率增加，最高值為63.43%。
　　再次，研究了SOFC/GT混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行中生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性問題，得到了燃料種類和運(yùn)行方式之間的優(yōu)選規(guī)律。利用所建立的SOFC/GT混合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了生物質(zhì)氣組分變化（H2，CH4，CO）對(duì)混合系統(tǒng)運(yùn)行性能以及各個(gè)部件運(yùn)行特性的影響，研究了三種不同運(yùn)行方式下，生物質(zhì)燃料種類的變化對(duì)各個(gè)部件工作特性

6、、對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷特性的影響。根據(jù)用戶負(fù)荷變化要求，研究了燃料種類、負(fù)荷性能與運(yùn)行方式之間的耦合關(guān)系，得到了燃料種類與運(yùn)行方式之間的普遍適用性規(guī)律。結(jié)果表明：生物質(zhì)氣中H2百分比變化引起的系統(tǒng)性能變化幅度最大，CO和CH4相近，適當(dāng)?shù)慕档虲H4百分比或者提高的H2百分比均有利于系統(tǒng)發(fā)電性能的提高。在三種運(yùn)行方式下，四種生物質(zhì)氣均可使混合系統(tǒng)的最大發(fā)電效率高于59%。高熱值（類似木片氣和葡萄籽氣）燃料，若使系統(tǒng)具有高效率（62.73%）和較寬的

7、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，可選Case B運(yùn)行方式，但在低負(fù)荷或高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意透平或重整器的安全問題；若使系統(tǒng)具有高效率、低負(fù)荷運(yùn)行特性，可選用Case A。低熱值（類似棉柴氣和玉米秸稈氣）燃料，若使系統(tǒng)具有安全性好、低負(fù)荷運(yùn)行特性，可選用Case C。
　　然后，研究了工質(zhì)含濕量對(duì)混合系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，獲得了部件和系統(tǒng)運(yùn)行特性隨含濕量的變化規(guī)律。針對(duì)重整制H2過程中加入水蒸氣，引起系統(tǒng)運(yùn)行工質(zhì)的濕度發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電性能和各

8、個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性產(chǎn)生變化，研究了工質(zhì)含濕量對(duì)電池電壓、內(nèi)部極化損失、工作參數(shù)以及發(fā)電效率的影響，分析了重整平衡體系中K1、K2以及 S/Cbv隨含濕量的變化關(guān)系，采用Langmuir–Hinshelwood反應(yīng)機(jī)理研究了水蒸氣對(duì)CH4催化燃燒反應(yīng)抑制的原理，利用工程計(jì)算方法對(duì)透平入口濕燃?xì)獾奈镄詤?shù)進(jìn)行了計(jì)算，比較分析了工質(zhì)含濕量對(duì)混合系統(tǒng)輸出功率、發(fā)電效率、安全運(yùn)行性的影響。結(jié)果表明：水蒸氣增加使電池性能下降，但電池運(yùn)行參數(shù)仍在要

9、求范圍內(nèi)。當(dāng)含濕量變化范圍為0.04~0.38時(shí)，重整器易發(fā)生積碳。水蒸氣會(huì)和CH4在催化劑表面的活性空位形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)催化燃燒起到抑制作用。水蒸氣量的增加使混合系統(tǒng)的輸出功率和發(fā)電效率均呈現(xiàn)不同程度的下降。
　　最后，實(shí)驗(yàn)研究了催化燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池尾氣有效成分的充分利用，對(duì)混合系統(tǒng)高效運(yùn)行特性進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，搭建了催化燃燒?shí)驗(yàn)臺(tái)，通過配制不同比例的合成氣和生物質(zhì)氣，針對(duì)水蒸氣對(duì)催化燃燒反應(yīng)影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研