固体氧化物燃料电池_燃气轮...合动力系统建模仿真研究进展_连琰珂.pdf

第 卷第 期洁 净 煤 技 术.年 月 固体氧化物燃料电池 燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展连琰珂，明平文，蔡黎明（同济大学 汽车学院，上海）移动阅读收稿日期：；责任编辑：白娅娜 ：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：连琰珂（），女，河南长垣人，博士研究生。：通讯作者：蔡黎明（），男，上海人，教授，博士生导师，博士。：引用格式：连琰珂，明平文，蔡黎明固体氧化物燃料电池 燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展洁净煤技术，（）：，（），（）：摘 要：固体氧化物燃料电池（，）工作温度高，阳极可发生燃料内重整反应，具有较高的燃料灵活性，同时可与燃气轮机（，）构成固体氧化物燃料电池 燃气轮机（）混合动力系统进一步提高系统效率。混合动力系统一般分为底层和顶层循环 种，考虑到 示范性工程有限且建造成本高，一般采用数学建模仿真方法开展 研究。与单独 或 模型不同，常采用热力学建模仿真对 系统性能进行分析优化。介绍了 混合动力系统常用热力学模型，并对目前 混合动力系统常见稳态和动态热力学建模工作展开综述，考虑到现阶段 混合动力系统多采用商业化软件（、等）建模，建模功能有限、不易拓展，后续工作可基于、等软件进行开源代码的编程；现阶段主要围绕系统级集总模型开展分析，无法准确描述燃料电池的局部特性，后续工作可在 建模中引入一维甚至更高维度的 模型进一步提高建模精度。关键词：固体氧化物燃料电池；燃气轮机；混合动力系统；建模仿真中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）（），（，）：（），（），（，），：；连琰珂等：固体氧化物燃料电池 燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展 年第 期 引 言国家发展改革委在“十四五”可再生能源发展规划中提出，实现能源低碳化、清洁化、高效化利用是现阶段主要发展目标。分布式发电具有投资少、安装地点灵活、建设周期短、能源利用率高及环境污染小等优势，同时可结合余热回收利用进一步提高能源利用效率。常见的分布式发电装置主要有微型燃气轮机（，）、内燃机、燃料电池（，）等。其中，燃料电池是一种直接将燃料中化学能转化为电能的发电装置，由于发电效率不受卡诺循环效率限制，与传统热机相比能量利用效率可提高 ，且污染物排放明显低于传统火力发电，因此燃料电池分布式发电技术是适应未来能源低碳化、清洁化、高效化发展趋势的重要方向。根据电解质不同，燃料电池 可 分 为 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池（，）、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池（，）、磷酸燃料电池（，）和碱性燃料电池（，）类。、反应产物在阳极生成，、反应产物在阴极生成。同时，、均需使用 作为燃料，如果使用碳氢化合物如、乙醇等作为燃料则需在系统中额外引入外部燃料重整器，不仅增加系统复杂性和 成 本，还 会 降 低 整 体 效 率。与 之 相 比，、作为高温燃料电池，电池内部可发生燃料重整，可直接使用碳氢化合物作为燃料，燃料灵活性更高。其中，可使用、等作为燃料，主要用于小型分布式发电站。考虑到 尾气温度高，具有高品位废热，因此可与采用有机朗肯循环（）、布雷顿循环或底层蒸汽循环等热机耦合构建热电联产（）装置，用来额外发电或供热。研究表明，混合发电系统最大效率可达。常见热机有燃气轮机、蒸汽机等。燃气轮机是 世纪动力设备的核心。混合动力系统中，可回收利用 尾气中的废热从而提高系统效率。关于 混合动力系统研究较多，考虑到 测试平台的建造成本，数学建模仿真为 混合系统提供了一种经济高效的方法。学 者 已 基 于、等商业化软件，针对 系统开展了前瞻性热力学建模和仿真分析工作，从而优化混合系统性能。但目前仍局限于利用已有商业化软件对 系统开展模块化建模工作，缺少相关开源代码，而基于商业化软件搭建的模型功能有限、针对性受限。目前亟需针对 系统建模和仿真技术开展进一步研究。针对 混合动力系统的建模与仿真研究，笔者介绍了、基本结构、工作原理与数学建模研究现状；论述了 混合发电系统布置方式及 数学仿真模型；综述了现阶段 相关研究工作、混合发电系统示范工程与相关建模仿真工作，其中 混合动力系统建模仿真工作按照 建模方法展开；最后对未来 混合动力系统建模仿真工作发展方向进行展望。固体氧化物燃料电池及燃气轮机.固体氧化物燃料电池简介.基本结构及工作原理 作为高温燃料电池，主要部件为阳极、阴极、电解质构成的膜电极结构（，），工作原理如图 所示。其中，为电化学反应中的离子导体，燃料（、）在阳极发生氧化反应并向外电路释放电子，氧化剂（）在阴极接受来自外部电路的电子并进行还原反应。图 工作原理 根据 物 理 结 构 不 同，可 分 为 管 式（）和平板式（）种。公司于 年成功研制出具有高耐久性的，年第 期洁 净 煤 技 术第 卷不存在高温密封问题，但输出功率较低且成本较高，与之相比 成本相对低廉，且输出功率密度和性能较好，是目前主流商用化 类型。由于 工作温度高，阳极可发生燃料内重整反应，具有较高的燃料灵活性，、生物燃料等烃类燃料均可经燃料重整反应后作为 反应物，公司推出的 固体氧化物燃料电池微型电站几乎可以使用所有烃类燃料（如乙醇、生物机油、沼气、天然气）发电，且在使用石油、煤气层等化石能源发电时，碳排量仅为传统火电厂的。由于与 相比，价格低廉且更易管理，混合系统常采用 作为燃料。作为燃料的 系统首先需进行燃料重整，根据重整反应发生位置不同，系统可分为内部燃料重整（，）和引入外部燃料重整器 种。系统由于不需引入额外的重整器，成本低，且燃料重整反应作为吸热过程可对 电堆进行冷却，因此更常用，较多 混合动力系统建模仿真研究工作涉及 内部重整过程建模。在 作为燃料的 系统中，阳极除发生 电化学反应外，还发生 蒸汽重整反应（，）和水煤气变换反应（，），电池内部发生的反应方程见表。表 作为燃料的 系统内部反应方程式 内部反应反应方程式（）=（）=氧化反应（）=还原反应（）.建模工作现状 建模工作主要围绕多孔电极中的气体流动、传热、多组分传质、化学和电化学反应展开，并对电池极化曲线（曲线）、稳态运行状况、瞬态行为进行分析。按照建模对象不同，模型可分为 电极机理模型、单电池模型、电堆模型、系统级 模型等。近年来，计算机技术进步使 仿真可实现从量子（亚原子）到原子再到连续尺度的多尺度建模，建模方法分为微观尺度方法（如密度泛函理论、分子动力学、量子化学等）、中尺度方法（玻尔兹曼法、格点法、蒙特卡罗法）、宏观尺度方法（如有限元法、有限差分法、有限体积法）。对于宏观 建模而言，按照建模维度划分可将 分为零维（）、一维（）、二维（）、三维（），按照建模维度，列举了一些已有的 仿真模型，（表）。以 建模为例，三维模型主要利用已有商业 软件（如、等）对燃料电池全空间长度进行建模，进而实现 仿 真 计 算。如 等较 早 开 展 三维建模工作，对 建立单管稳态三维电化学、热力学数学模型；等利用 软件开展 电堆稳态建模，研究了 电堆中燃料浓度、温度、局部电流浓度等参数的分布。等对 采用 软件建立了三维 模型，分析了、的电化学反应，燃料重整反应及水煤气变换反应对 系统熵产率和性能的影响，突出燃料电池内部发生的主要不可逆性。高维度模型（如、模型）需要使用 软件，并基于 中详细的传热过程及质量传输方程展开计算。高维度模型的优点是可用于捕捉局部表 建模举例 模型维度（）燃料电池类型（板式 管式、瞬态 稳态）燃料种类是否考虑燃料重整文献（）管式稳态模型是（）板式稳态模型 否（）板式稳态模型沼气（）是（）板式稳态模型是（）稳态模型是（）管式稳态模型否（）板式稳态模型是（）纽扣电池瞬态模型是连琰珂等：固体氧化物燃料电池 燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展 年第 期物质浓度、局部电流密度、热梯度分布等重要参数，但计算量较大，成本较高，因此 混合动力系统多采用 、模型进行热力学建模。模型是将 单电池或电堆视为集总模型，即不考虑相关参数（物质浓度、电流密度、电压等）沿空间坐标的变化；模型仅考虑相关参数沿主要维度的参数分布；因此、模型计算量较小，适合于 系统性能优化，尤其是控制方面的研究。同时，不同维度 模型按照是否考虑各参数随时间变化分为稳态模型及瞬态模型 种。在 混合动力系统中引入 动态模型工作量大且计算成本较高，因此现有模型中 稳态模型较多。相关研究常基于、等软件建立系统级 稳态模型，即不考虑温度、物质浓度等参数随时间变化。因此第 节主要基于 的 稳态模型对 混合动力系统数学模型展开介绍。.燃气轮机简介.燃气轮机基本结构与工作原理燃气轮机是目前技术较成熟的分布式发电装置，系统循环以布雷顿循环为基础，包括压缩机、燃烧室、透平、回热器、发电机等部件，常见单轴式燃气轮机结构如图 所示。空气经压缩机压缩后送至燃烧室燃烧，废气送至涡轮膨胀驱动发电机和压缩机，热交换器可预热进入燃烧室的气体。换热器部件有助于进一步提高燃气轮机效率，实现节能减排。常见燃料包括天然气、汽油、柴油等。图 单轴式燃气轮机（含换热器）（）燃气轮机系统可分为重型燃气轮机发电系统、小型燃气轮机发电系统、微型燃气轮机发电系统。其中，常见功率为 ，具有结构紧凑、维修成本低、振动小等优点；换热器部件有助于进一步提高 效率，实现节能减排。基于以上特点，应用范围广，适用于分布式发电、系统和 联合发电系统。.燃气轮机建模现状燃气轮机整体性能主要取决于压缩机、燃烧室、透平等重要部件，因此建模工作主要围绕 系统中的压缩机、透平、燃烧室等展开。常见的燃气轮机建模仿真按照侧重点不同分为系统级建模与针对某一部件开展多维 仿真。燃气轮机系统级建模包括机理建模与黑箱建模 种，黑箱建模是基于试验数据库建立，不需要机理，建模更常用。机理建模是基于系统机理得出的数学模型，如林向雨基于 仿真平台采用模块化机理建模方法建立了 型重型燃气轮机的仿真模 型。张 元 哲 等在 中基于能量守恒、质量守恒及热力学分析采用模块化建模方法建立了单轴重型燃气轮机的数学模型。目前针对燃气轮机系统级的研究多从热动力学角度建立数学模型，一般采用状态方程描述。考虑到系统级 建模中未表征燃烧室部件的燃烧行为，相关研究针对燃烧室部件建立 模型进行分析。如 等使用商业软件 对 系统燃烧室部件在不同负载下的热力学和流体动力学行为进行三维 仿真分析。等对 作为燃料的单轴燃气轮机系统燃烧室部件内的空气氢反应流动进行 分析，并评估了所提出的 模型预测燃烧室内部温度场的能力。考虑到 模型计算量大等问题，一 般 不 适 用 于 混 合 动 力 系 统 的仿真。在 系统级建模仿真中，根据研究需要可分为稳态模型和动态模型 种，等熵效率模型是常见稳态模型，性能曲线拟合模型是常见动态模型。压缩机、透平作为燃气轮机系统中关键部件，压缩机、透平部件的稳态模型基于等熵过程热力学公式建立，考虑到压缩机和透平实际工作过程并非等熵，因此常引入等熵效率、多变量效率表示循环过程的不可逆性和热损失，虽然多变量效率模型相比等熵效率模型更精确，但由于计算过程较复杂，因此等熵效率模型更适用于系统级建模。压缩机、透平性能曲线拟合模型通过引入压缩机、透平的性能曲线进行系统级 瞬态建模。性能曲线图是在试验台测试中获得的压缩机、透平详细信息，通常包括压缩比、无量纲质量流量、转速之间关系图及等熵效率与无量纲质量流量之间效率图。以压缩机为例，压缩机性能图中，个基本性能参数压缩比、效率、质量流量（或校正后的质量流量 ，为进入 燃料 空气的温度，年第 期洁 净 煤 技 术第 卷为大气压强，为 进气压强）、转速 （或校正后的转速）已知任意 个变量，即可计算其余变量。压缩机进行数学建模时，需要特定格式的映射数据，因此需对压缩机性能图进行预处理生成相关映射数据，然后作为数学建模的半经验模型输入。由于压缩机性能图中，喘振区附近的速度轮廓几乎垂直于压力比轴（轴），缺乏高速与低速数据，因此需借助相关数据处理方法对性能图进行预处理，进而对数据合理外推。引入辅助坐标（线）对性能曲线图进行处理，线模型是性能曲线图处理中应用最广泛的方法。此外还有 法、穆勒法（）、神经网络法等。换热器、燃烧室等部件常近似为等压开口系统。系统级