固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机发电系统半实物仿真研究.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机发电系统半实物仿真研究*杨晨，蒋帅，潘衡尧5（重庆大学动力工程学院重庆400044）摘要：由于固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）排出的尾气具有较高的潜热，当它与微型燃气轮机（MicroGasTurbine，MGT）组成混合系统发电时，系统的发电效率将比SOFC或MGT单独发电时要高，而且易于布置在用户侧。SOFC-MGT发电系统是高10效节能并且可持续的分布式发电系统，是一种有很大潜力的分布式发电方案。本文以混合发电系统为对象，建立了燃料电池、微型燃气轮机两个子系统的动态模型，并对两个子系统以及耦合系统的性能进行仿真分析。本文的研究为SOFC-MGT混合发电系统的半实物仿真系统构建提供了理论基础，并为混合装置的设计和运行提供了重要参考。关键词：半实物仿真；固体氧化物燃料电池；微型燃气轮机；15中图分类号：TK124Hardware-in-loopsimulationofSOFC/MGThybridsystemYANGChen,JIANGShuai,PANHengyao(SchoolofPowerEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,400044)20Abstract:BecausetheexhaustgasdischargedfromtheSolidOxideFuelCell(SOFC)hasahighlatentheat,thepowergenerationefficiencyofthesystemwillbehigherthanthatoftheSOFCorMGTwhenitismixedwithaMicroGasTurbine(MGT)andeasytoarrangeontheuserside.SOFC-MGTpowergenerationsystemisahighlyefficientenergy-savingandsustainabledistributedpowergenerationsystem,agreatpotentialfordistributedpowergenerationprogram.Inthispaper,thedynamic25mathematicalmodelingoftwosubsystemsoffuelcellandmicro-gasturbineisestablishedbasedontheSOFC-MGThybridpowergenerationsystem,andtheperformanceofthetwosubsystemsandthecouplingsystemaresimulatedandanalyzed.Theresearchofthispaperprovidesatheoreticalbasisfortheconstructionofthehardware-in-the-loopsimulationsystemoftheSOFC-MGThybridpowergenerationsystem,andprovidesanimportantreferenceforthedesignandoperationofthehybrid30device.Keywords:hardware-in-loopsimulation;SolidOxideFuelCell;MicroGasTurbine0引言35固体氧化物燃料电池（SOFC）是第三代高温燃料电池，是一种将燃料的化学能直接转变为电能的装置，具有工作效率高、运行平稳、绿色环保、噪声低等优势。燃料电池单电池主要由阴极、阳极和电解质组成。电池工作时，燃料在阳极发生氧化反应，空气在阴极发生还原反应，氧化反应生成的电子经过电池外部的回路回到阴极，参与阴极的还原反应，持续的反应使得外部电路不断的有电子通过，从而产生电能。其工作原理决定了可供燃料电池选40择的燃料种类十分丰富，而且反应后生成极少的NOX和SOX，使用氢气作为燃料时更不会[1]生成CO2，因此具有极高的燃料适应性和环境相容性。SOFC不使用贵金属催化剂，因此对反应温度有较高的要求，而MGT的尾气有较高的温度和压力，两个子系统在这个问题上能够互相弥补，然而由于他们的系统性能以及时间尺度等特性上的差异，将二者组合成耦合[2-3]系统发电时仍然有许多问题有待解决。作者简介：杨晨(1963-)，男，教授，研究方向为热动力系统仿真与控制.E-mail:yxtyc@cqu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn451SOFC-MGT系统简介[4]作为单独的供电系统时，固体氧化物燃料电池被证实具有很大的潜力。整体上来说，燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，只要反应物持续供应，这种转化就会一直进行，这种能量转化的方式不受卡诺循环的限制，所以燃料电池的工作效率相较传统的热机更高。固体氧化物燃料电池是燃料电池的一种，种类很多，工作温度大都集中在[5]50700-1000℃，较高的工作温度使得这种燃料电池无需使用贵重金属作为催化剂，从而降低了其制造成本。同时，高反应温度使SOFC对燃料具有相当高的可容性，其阳极燃料的种类不局限于一种，诸如氢气、天然气等都可作为其燃料。然而，固体氧化物燃料电池的制造成[6]本很高，运行损耗也相当严重，对于SOFC的研究大多停留在模型研究的层面。在传统的燃气轮机发电系统中，燃料的转化过程为化学能—热能—机械能—电能，而在55SOFC-MGT系统中，燃料的化学能通过电化学反应直接转变为电能，从而提高了发电效率。[7]国内外学者对SOFC-MGT的布置系统提出了多种构型，主要分为顶层循环和底层循环两种。在顶层循环中，SOFC位于MGT的上游，当燃料和空气在电池中进行反应后排出的高温高压尾气进入燃气轮机膨胀做功，并且推动压气机工作，压气机压缩空气进入SOFC的阴极作为电化学反应的氧化剂。这种模式下SOFC的压力较高，因此也被称为增压型60SOFC-MGT系统。底层循环模式中SOFC位于MGT的下游，燃气轮机的尾气进入燃料电池的阴极充当氧化剂，由于燃气轮机排出的尾气压力较低，因此这种模式下燃料电池的工作压力较低，因此也被称为低压型SOFC-MGT系统。总的来说，底层循环的混合系统效率比顶[8]层循环低，但是顶层循环对SOFC的设计、制造、控制以及运行条件提出了更高的要求。本文所讨论的SOFC-MGT系统属于顶层循环系统。其系统结构如图1所示，空气经压65缩比约为4的压气机（Compressor）两级压缩，压缩后的一部分气体通过排气旁路（BleedAirBypass）进入大气，一部分气体通过冷空气旁路（ColdAirBypass）进入到后燃器（PostCombustor），其余的气体与透平（Turbine）的排气进行换热进一步提高其温度，换热通过两个并联的表面式换热器（HeatExchangers）进行。预热后的高温高压空气一部分经过热空气旁路（HotAirBypass）进入后燃器，其余气体进入固体氧化物燃料电池，在电池中与重70整后的燃料进行电化学反应产生电能，SOFC排出的尾气仍然具有较高的温度和压力，而且有部分没有燃烧完全的燃料，这些尾气进入后燃器（PostCombustor）中充分燃烧，燃烧后的气体通入透平中膨胀做功从而推动电机（Generator）发电并推动压气机工作。热空气旁路（HotAirBypass）抽取换热器冷端的排气进入后燃烧室，它绕过了燃烧室和空腔。冷空气旁路（ColdAirBypass）收集部分压气机的排气也通入后燃烧室。排气旁路（BleedAirBypass）75的作用是收集压气机的排气并将其直接排出。在三个旁路都关闭的情况下，系统仍然可以正常运行。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1SOFC-MGT系统80Fig.1SOFC-MGThybridsystem本文以图1系统为对象，使用APROS和MATLAB进行建模并进行协同仿真，微型燃气轮机及系统BOP（BalanceofPlant）部分使用APROS搭建，固体氧化物燃料电池使用MATLAB建模。两个平台上的两个模型，利用OPC协议完成APROS和MATLAB的实时数据通信。OPC协议（ObjectLinkingandEmbedding（OLE）forProcessControl）是基于微85软OLE/COM技术的一种工业标准，它定义了一系列的工业软件的端口标准，OPC协议的应用使得不同的过程系统、控制系统以及工业软件直接的数据通信和交互成为可能，目前采取这种标准的会员已经有两百多家。APROS软件是一款先进的动态过程实时仿真软件，由欧洲富腾（Fortum）公司和芬兰国家研究院（VTT）共同开发，它是一款具有高度可视化界面的过程建模和动态仿真软件，90它可以实现可行性研究，安全瞬态分析，严重事故分析，IC和HMI测试，工业过程分析，设计工程，自动化设计工程，操作培训等功能。由于APROS使用模块化的建模方式，内置较高精度的压气机、透平、换热器、管道等微型燃气轮机部件的模块，故采用APROS建立MGT及BOP系统模型。本文采用数值模拟的方式对即将构建的半实物仿真系统进行验证，如图1所示，在将要构建的半实物系统中，燃料电池由于成本高、运行损耗大故采用模型，95MGT及BOP将构建实物系统。在搭建半实物仿真系统之前，先在APROS中建立微型燃气轮机系统模型，采集与燃气轮机排气进行了换热的压缩空气的温度、压力和流量作为SOFC阴极的输出参数，这点与半实物仿真系统中的数据采集方式一致，而且APROS软件能够实现实时模拟，因此对于该SOFC模型来说，不管与之连接的是实物系统还是模型系统，它都能在同样的模式和状态下工作。综上所述，可以采用全数值模拟的方式分析该半实物仿真系100统，这种方法也能对燃料电池和微型燃气轮机两个系统的耦合性能进行研究。在APROS中，压力和流量求解器具有以下功能：1、两相非平衡状态下，水/蒸汽两相流中的非冷凝气体（6方程模型），也支持更简单的单相求解器（3方程模型或1方程模型）。2、基于质量守恒、能量守恒和动量守恒的动态守恒方程的第一原理模型1053、求解器网格由用户给定的参数自动生成。而传热过程求解器的功能为：1、考虑对流换热，考虑层流和湍流模型；炉膛和烟道的模拟使用三维辐射换热模型。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2、一维的导热模型，考虑换热器、管道和水冷壁等的材料热量存储。能量守恒、动量守恒、质量守恒方程贯穿整个模型系统动态计算的始终。其中三方程110模型适用于水和水蒸气均匀混合的状态，六方程模型则是将三种守恒方程分别应用于水和水蒸气中（图2）。图2六方程模型解释Fig.26-equationmodel115质量守恒：∂Aρ∂Aρν+=0（1）∂t∂t动量守恒：2∂Aρν∂Aρν∂AP+=−+S（2）∂t∂z∂z120能量守恒：∂Aρh∂Aρνh+=S（3）∂t∂z2SOFC模型SOFC数值模拟子系统为一维实时动态模型。当SOFC的燃料的主要成分为CH4、CO、H2时，其内部主要考虑以下几个化学反应:125H+O2−=HO+2e22（4）2−CO+O=CO2+2e（5）2−0.5O+2e=O（6）2CH+HO=3H+CO（7）422CO+HO=H+CO（8）222130总的化学反应为：CH+2HO=4H+CO（9）4222CO+0.5O=CO（10）22-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnH+0.5O=HO（11）222SOFC的理想电压使用Nernst方程求解：00.5ΔGH2ORuTpH2pO2135E=−+ln()（12）Nernst2F2FPH2O输出电压：E=E−η−η−η（13）outNernstactohmconc0式中ΔG为标准压力下摩尔吉布斯自由能变化，F为法拉第常数，R为通用气体常H2O数，T为温度，P分别代表H2、O2和H2O在SOFC中的压力，输出电压Eout由理想的能140斯特电势E分别减去活化极化损失η、欧姆极化损失η和浓差极化损失η。三种Nernstactohmconc[9]极化损失对电池的输出电压有一定的影响，在分析SOFC电化学特性时是不可缺少的部分。活化极化损失计算方式如下：RuTPEN−1iη=()sinh()（14）actαnF2i0极化损失包括了阳极和阴极的极化损失，因此阳极和阴极的电流交换密度（i）应当0145分别计算：PH2PH2OEact,ani=γ()()exp(−)（15）0,ananPPRTambambuPENPO20.25Eact,cai=γ()exp(−)（16）0,cacaPRTambuPEN其中γ和γ分别为阳极和阴极的交换电流密度，E为活化能，P代表各组分和环境anca的分压，PEN下标表示电池的阴极、阳极和电解质（Positive，Electrolyte，Negative）。150欧姆极化损失主要由电池内部的电阻引起，计算方法如下：η=i×A×R（17）ohmeffPENRPEN为阴阳极材料和电解质材料的内阻。浓差极化损失是电池内部传质过程中由于反应物和生成物的迁移速率不同导致的极化，计算如下：RuTXH2,bulkXH2O,TPBXO2,bulk155ηconc=ln()+0.5ln()（18）2FXH2,TPBXH2O,bulkXO2,TPB浓差极化现象往往发生在电池内部三相界面，X为各组分在不同位置的摩尔含量，下标TPB（TriplePhaseBoundary）代表三相界面，bulk表示流道。其中三相界面处的摩尔含量计算方法如下：RTiδuanX=X−（19）H2,TPBH2,bulk2FpDanan,effRTiδuan160X=X+（20）H2O,TPBH2O,bulk2FpDanan,eff-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnRTiδucaX=1+(X−1)exp()（21）O2,TPBO2,bulk4FpDcaca,eff[10]模型温度计算方法如下：kACnnn+++111n+1kACnnnββ[22()TTThiiigi+−11−++−A(T∞T)]+()1−[22()TTii+1−++Ti−1()ΔΔxx()nn+1−n"""TTiihATgi()∞−+ΔT]qAc()x=ΔρCp()x()Δt（22）1653MGT模型透平模型透平模型主要包括压力计算与焓计算两部分。透平中不同的流量下会有不同的出口压力，针对这一现象采用Stodola公式计算透平模[11]型的前后压力。Stodola系数计算如下:pνpν111010170K=m⋅=m⋅（23）22022(p)−(p)(p)−(p)121020其中K为Stodola系数，m为通过透平模型的质量流量，p1和p2分别为模型进出口压力，ν1是模型入口比容。m0，p10，p20，ν10均为理想状态下的参数。由上式也可以得到给定前后压力情况下通过模型的质量流量：22(p)−(p)12m=K⋅（24）cpν11175实际形式损失系数：2k=（25）p22Kr(1+)p1r为模型中工质密度。在工质为蒸汽的情况，模型焓差：ηp4.722H=h−(h−h)−h⋅m（26）S1s1s0p01180包含液滴的情况：ΔH=XΔH+(1−X)[h(p)−h(p)]⋅m（27）SSS1l12l2X为工质中蒸汽质量比。h为滞止焓，η等熵膨胀效率。S0工质为气体的情况：H=m(h−h)（28）121854系统性能-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3为在973K的入口温度，压力3.46bar，阴极空气流量1kg/s的初始条件下10s内能斯特电势的变化，从图中可以看出能斯特电势随时间趋于稳定且沿流道方向电势逐渐减小。这是由于沿电池流道方向，反应进行地越来越彻底，阳极中的氧气含量以及燃料量越来越少[12]，生成的H2O含量越来越高，反应物浓度减少而生成物浓度的增加使得能斯特电势逐渐190降低。图3能斯特电势图4活化极化损失Fig.3NernstVoltageFig.4ActivationPolarization图4、图5、图6为10s内SOFC中三种极化损失沿流道的分布。从图中可以看出三种195极化损失均随时间趋于稳定，且沿流道方向均呈现降低趋势，其变化趋势和能斯特电势保持一致。图5浓差极化损失图6欧姆极化损失Fig.5ConcentrationPolarizationFig.6OhmicPolarization200图7为稳态时三种极化损失的比较。从图中可以看出，活化极化损失在三种损失中占的比重几乎达到了电池能斯特电势的10%，欧姆极化次之，浓差极化对电池输出电压的影[13]响最小，在一些研究中会忽略浓差极化的影响。随着反应进行地越来越彻底，三种极化损失在电池出口位置都变得很低。205图7三种极化损失的比较图8SOFC出口温度Fig.7threedifferentPolarizationFig.8comparisonofSOFCoutlettemperature-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图8为三种入口条件下10s内SOFC出口温度变化趋势。出口温度随时间变化逐渐平稳，更高的入口温度也将导致燃料电池出口温度的上升。以上稳态结果表明，该系统在非耦合状态下呈现较好的稳态特性，电化学特性与热力学特性在10s内达到了稳定的状态210以上结果均为固体氧化物燃料电池模型和微型燃气轮机单独运行时的系统特性，当二者处于耦合状态时，由于他们的响应时间有较大差别，而且系统的两个部分是通过opc协议进行通讯，因此他们之间耦合性能的研究对于掌握整体系统性能特性具有重要意义。在该SOFC-MGT系统中，空气经过压气机压缩并与燃气轮机出口排气换热后，将由半实物仿真界面采集该处的温度、压力和流量，作为燃料电池的输出参数。该处的空气实物系215统中也将直接通入燃料电池阴极参与其中的电化学反应，因此这里的温度不宜过高或者过低，过高可能会引起燃料电池内的安全问题，而SOFC是高温燃料电池，其特点是不使用贵重金属催化剂但是反应温度要求高，因此入口温度过低会影响反应速率甚至会直接导致反应无法进行。SOFC出口处的气体在实物系统中将作为微型燃气轮机进气，该处气体状况对下游的燃220气轮机系统影响较大，因此在耦合情况下的稳定也是尤为重要的。在耦合之前首先分别让两个子系统达到稳态，此时热空气旁路阀门开度为30%，冷空气旁路和排气旁路关闭，如图9所示SOFC入口处温度在500℃左右。图10为SOFC出口温度试验数据，首先在BOP系统与SOFC子系统非耦合状态下运行一段时间，如图可知整个耦合系统在较短时间内运行至稳态，在稳态时使两个系统耦合如图可知在耦合后出口温度225呈现略微下降的趋势，并且在较短时间内稳定在780℃附近。由图10可知，基于APROS的BOP系统和基于MATLAB的SOFC子系统的耦合过程是较为稳定的。图9SOFC入口温度Fig.9SOFCinlettemperature230图10SOFC出口温度Fig.10SOFCoutlettemperature-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn当耦合系统达到稳态后，给通过改变热空气（HA）旁路阀门开度的方式给系统增加扰235动。如图1所示，热空气旁路将换热后的热空气跳过SOFC子系统，通入SOFC下游作为BOP的进气，因此改变HA阀门即起到了改变SOFC阴极入口空气量的作用。阴极空气量对SOFC内部的温度分布以及系统的耦合性能有较大的影响，因此通过改变HA旁路开度来分析系统的动态特性时有一定实际意义。将HA旁路阀门开度由30%改变至0%。图11为耦合系统中SOFC入口温度在受到扰240动后的变化情况，由于热空气阀门的关闭，导致了入口温度刚开始的降低，如图所示温度数值在振荡一段时间后重新回到了稳态。达到稳态一段时间后将阀门开度由0%又回到30%时，可以看到温度以相反的趋势回到了稳态（如图11所示）图11HA阀门开度扰动下SOFC入口温度245Fig.11SOFCinlettemperatureunderHAvalvedisturbance将燃料量增加0.1kg/s，透平功率由稳态下的1.059KW上升到1.07KW，动态响应过程也较为迅速（图12）。燃料量短时间内增加后，透平功率在短时间内有大量升高的趋势，由于燃烧室内燃烧的持续进行，涡轮进气参数在较短时间内达到稳态，在此基础上透平功率相应回到稳态并且略高于之前的状态。透平转速的稳定对于微型燃气轮机来说至关重要，影250响着系统的稳定性和安全性，如图13在扰动时刻增大入口空气流量0.175kg/s，模拟结果在短时间内达到了稳态40500转/分钟左右。图12透平功率动态特性图13透平转速动态特性Fig.12TurbinePowerDynamicCharacteristicsFig.13TurbineSpeedDynamicCharacteristics2555结论本文使用数值模拟的方式对SOFC-MGT系统进行半实物仿真研究，为下一步构建燃气-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn轮机子系统为实物、固体氧化物燃料电池为模型的半实物仿真发电系统提供一定的理论基础。在非耦合状态下SOFC模型表现出良好的电化学特性，浓差极化、欧姆极化和活化极260化损失均沿流道方向降低且随时间的变化趋于稳定，同时也分析了不同工况下的燃料电池出口温度的变化情况。在耦合状态下也对整个发电系统进行了稳态验证，并且对耦合系统进行了扰动试验，结果表明不论是在非耦合还是耦合的情况，该发电系统均能达到正常的工作状态。以上的结果表明，该数值系统能达到良好的系统性能，基于APROS平台和MATLAB搭建的SOFC-MGT发电系统的数值模型，在使用OPC协议通讯的情况下可以达到稳定的运265行状态。[参考文献](References)[1]TuckerD,LawsonL,GemmenR,etal.Evaluationofhybridfuelcellturbinesystemstartupwithcompressorbleed[C]//ASMETurboExpo2005:PowerforLand,Sea,andAir.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2702005:333-341.[2]KirubakaranA,JainS,NemaRK.Areviewonfuelcelltechnologiesandpowerelectronicinterface[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2009,13(9):2430-2440.[3]S.C.Singhal,K.Kendall.HighTemperatureSolidOxideFuelcells:Fundamentals,DesignandAp-plications[J].Elsevier:Kidlingtonoxford,UK,2003.275[4]Plications.Elsevier:Kidlingtonoxford,UK,2003.WangS,JiangY,ZhangY,etal.PromotingeffectofYSZontheelectrochemicalperformanceofYSZ+LSMcompositeelectrodes[J].SolidStateIonics,1998,113:291-303.[5]WilliamsMC,StrakeyJ,SudovalW.USDOEfossilenergyfuelcellsprogram[J].JournalofPowerSources,2006,159(2):1241-1247[6]SmithTP.Hardwaresimulationoffuelcell/gasturbinehybrids[J].2007.280[7]张文书.固体氧化物燃料电池与燃气轮机新型混合系统仿真研究[D].上海交通大学,2012.[8]包成,蔡宁生.SOFC-MGT混合发电系统的半实物仿真方案研究[J].动力工程学报,2011,31(6):475-480.[9]HughesD,WepferWJ,DaviesK,etal.AReal-TimeSpatialSOFCModelforHardware-BasedSimulationofHybridSystems[C]//ASME20119thInternationalConferenceonFuelCellScience,EngineeringandTechnology285collocatedwithASME20115thInternationalConferenceonEnergySustainability.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2011:409-428.[10]LieseEA,GemmenRS,SmithTP,etal.ADynamicBulkSOFCModelUsedinaHybridTurbineControlsTestFacility[C]//ASMETurboExpo2006:PowerforLand,Sea,andAir.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2006:117-126.290[11]施浩波.基于燃气轮机/燃料电池联合发电的分布式发电系统建模仿真研究[D].中国电力科学研究院,2011.[12]刘清华.英国燃料电池研究与开发[J].全球科技经济瞭望,1999:28-28.[13]周娜娜.SOFC/GT耦合发电系统中燃料电池阴极气流管理的半实物仿真研究[D].重庆大学,2015.-10-'