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文檔簡介
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)行時會面臨諸多嚴(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,不僅對混合動力系統(tǒng)從理論研究到實(shí)際應(yīng)用具有重要的推動作用,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)儲備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本文針對以上問題,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仿真平臺上,通過選取合適的設(shè)計參數(shù),進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明:所設(shè)計的混合系統(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)計要求,這對中小型混合動力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
其次,研究了SOFC/GT混合動力系統(tǒng)運(yùn)行安全問題,確定了安全運(yùn)行區(qū)域
4、。針對每一個部件的運(yùn)行安全性受到工作特性(電化學(xué)、動力學(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)行時的安全運(yùn)行區(qū)域圖。結(jié)果表明:燃空比對系統(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,會出現(xiàn)兩個能量不平衡運(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)對混合系統(tǒng)運(yùn)行性能以及各個部件運(yùn)行特性的影響,研究了三種不同運(yùn)行方式下,生物質(zhì)燃料種類的變化對各個部件工作特性
6、、對系統(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)而會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電性能和各
8、個關(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CH4催化燃燒反應(yīng)抑制的原理,利用工程計算方法對透平入口濕燃?xì)獾奈镄詤?shù)進(jìn)行了計算,比較分析了工質(zhì)含濕量對混合系統(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,重整器易發(fā)生積碳。水蒸氣會和CH4在催化劑表面的活性空位形成競爭關(guān)系,對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)了對電池尾氣有效成分的充分利用,對混合系統(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)康模罱舜呋紵龑?shí)驗(yàn)臺,通過配制不同比例的合成氣和生物質(zhì)氣,針對水蒸氣對催化燃燒反應(yīng)影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研
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