何俊能，梁前超，喬潤鵬，楊 凡

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

1 引言

由于社會的快速發(fā)展，不可再生能源的短缺和環(huán)境的污染問題日益嚴重，這些驅(qū)使著人們尋求可以替代傳統(tǒng)化石能源的可持續(xù)的清潔能源。眾所周知，借助風(fēng)能或太陽能產(chǎn)生的電能是不穩(wěn)定的。如果直接將其與電網(wǎng)連接時，電網(wǎng)變得脆弱。而固體氧化物燃料電池與微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(SOFC-MGT)具有效率高、污染小、噪聲低、燃料類型多樣等優(yōu)點，為解決能源危機與環(huán)境問題提供了新思路，是目前公認的最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電方式之一。

在循環(huán)方式方面，詹海洋等分析了SOFC堆不同連接方式對系統(tǒng)性能的影響。朱潤凱等分析了高背壓(1.7 kg/cm)情況對SOFC-MGT系統(tǒng)性能的影響，研究結(jié)果表明，在高背壓條件下，需要有專門的水處理系統(tǒng)，才能使SOFC-MGT混合發(fā)電系統(tǒng)高效運行。呂小靜等通過建立IT-SOFC-MGT頂層循環(huán)仿真模型，分析了水蒸氣的含量對系統(tǒng)性能的影響。Saisirirat運用MATLAB仿真軟件，建立了SOFC-GT混合系統(tǒng)的詳細熱力學(xué)模型，提出了SOFC-GT混合循環(huán)的2種結(jié)構(gòu)。You等介紹了由SOFC和MGT等組成的微型多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)，通過建立數(shù)學(xué)模型，分析了燃料利用率，空燃比等參數(shù)對微型多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)，并對其性能進行了分析研究。

2 模塊化建模

本文在建立SOFC-MGT動態(tài)模型時，做了如下假設(shè)：

? 所有氣體為理想氣體；

? 忽略系統(tǒng)與外界的熱交換；

? 重整反應(yīng)和水氣置換反應(yīng)均處于平衡狀態(tài)；

? 系統(tǒng)中的溫度、氣體組分和壓力均勻分布；

? 系統(tǒng)采用集中參數(shù)模型。

空氣經(jīng)過壓氣機壓縮之后，通過換熱器進入渦輪做功，如果渦輪排出的高溫空氣直接通入SOFC的陰極，隨后，燃料電池陰極和陽極反應(yīng)后的尾氣進入催化燃燒室燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體與壓氣機過來的空氣進行換熱，則稱為新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)，如圖1所示。空氣經(jīng)過壓氣機壓縮后，與SOFC陰極、陽極尾氣在催化燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體換熱，隨后送入渦輪做功，則為傳統(tǒng)的底層循環(huán)，如圖2所示。

圖1 新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 SOFC-MGT new bottom combined cycle system structure

圖2 傳統(tǒng)底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 SOFC-MGT traditional bottom combined cycle system structure

相較于傳統(tǒng)底層循環(huán)，本文提出的新型底層循環(huán)的最大優(yōu)勢在于：將渦輪尾氣的能量得到了有效的回收利用，減少了渦輪尾氣的排放。不管是頂層循環(huán)還是底層循環(huán)，SOFC系統(tǒng)都相當于代替了燃氣輪機的燃燒室，一方面有效提高了能源的利用率，另一方面燃料電池與燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的單燃氣輪機，系統(tǒng)的效率也得到了提高。

2.1 重整器模型

在重整器中，主要包括甲烷的重整反應(yīng)和水氣置換反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式為：

CH+HO?CO+3H

(1)

CO+HO?CO+H

(2)

根據(jù)質(zhì)量守恒方程可得：

(3)

(4)

2.2 電化學(xué)模型

燃料電池單片實際電壓表示式為：

=---act, -act,

(5)

式(5)中：為電堆理想可逆電壓；為歐姆極化；為濃度差極化；act,為陽極活化極化；act,為陰極活化極化。

根據(jù)Nernst方程，電堆理想可逆電壓表示為：

(6)

=1272 3-2764 5×10

(7)

式(6)～(7)中：為標準電動勢；4,H為陽極出口氫氣的壓力；4,HO為陽極出口水的壓力；5,O為陰極入口氧氣的壓力；為電堆溫度。

2.3 溫度模型

根據(jù)上述假設(shè)，忽略電堆與外界的換熱，由能量守恒方程可得：

(8)

2.4 壓氣機模型

假設(shè)壓縮過程為絕熱壓縮，離心式壓氣機具有很高的單級壓縮比，同時具有流量小、效率低等特點。

壓氣機模型中做如下假設(shè)：

1)絕熱壓縮，不與外界交換熱量；

2)忽略工質(zhì)動量作用與質(zhì)量力的影響；

3)忽略壓氣機熱慣性的影響。

壓氣機壓比為：

(9)

壓氣機消耗功率可以表示為：

(10)

2.5 渦輪模型

微型燃氣輪機采用向心式渦輪，具有結(jié)構(gòu)簡單、單級焓降大、運行范圍廣等優(yōu)點。

渦輪膨脹比為：

(11)

式(11)中：為渦輪入口流量；為渦輪入口壓力；為渦輪入口溫度；為渦輪轉(zhuǎn)速。

渦輪做功為：

(12)

式(12)中：為渦輪入口溫度；為渦輪效率；為渦輪膨脹比。

2.6 換熱器模型

計算換熱器的方法主要有平均傳熱溫差法和ε-NTU法，目前計算一般使用平均傳熱溫差法。在平均溫差法中，出口溫度不僅僅影響傳熱系數(shù)，而且影響平均溫差Δ，Δ是出口溫度的強函數(shù)。

逆流平均溫差可以表示為：

(13)

式(13)中：為換熱器空氣側(cè)入口溫度；為換熱器空氣側(cè)出口溫度；為換熱器尾氣側(cè)入口溫度；為換熱器尾氣側(cè)出口溫度。

至此，SOFC-MGT傳統(tǒng)底層循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)建立，通過Matlab/Simulink仿真，得到SOFC-MGT傳統(tǒng)底層循環(huán)系統(tǒng)仿真模型，最后通過調(diào)整SOFC-MGT傳統(tǒng)底層循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到本文提出的新型SOFC-MGT底層聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

圖3 SOFC-MGT新底層循環(huán)仿真模型示意圖Fig.3 SOFC-MGT new bottom cycle simulation model

3 模型驗證

將本文所建立的傳統(tǒng)SOFC-MGT模型的各項性能指標參數(shù)仿真結(jié)果與文獻[20]中的實驗結(jié)果進行比較，如表1所示。

由表1可以看出，本文建立的傳統(tǒng)SOFC-MGT仿真模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果最大相對誤差為8%，表明了傳統(tǒng)SOFC-MGT仿真模型的正確性。

表1 仿真模型與參考文獻實驗結(jié)果性能指標Table 1 performance index comparison results

在傳統(tǒng)SOFC-MGT仿真模型基礎(chǔ)上，搭建了新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)模型的設(shè)定參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)運行初始參數(shù)Table 2 Initial parameters of simulation

4 性能分析

由于不同的參數(shù)變化都會對SOFC-MGT聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。因此，本節(jié)討論了不同工況下，新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)的性能變化。

4.1 不同甲烷流量對系統(tǒng)的性能影響

不同甲烷流量對系統(tǒng)中渦輪功率的影響如圖4所示。

圖4 渦輪功率特性曲線Fig.4 Power characteristic curve of turbine

從圖4中可以看出，甲烷流量不變時，隨著電堆電流的增大，渦輪功率逐漸減小。在同一電堆電流下，隨著甲烷流量的增大，渦輪功率逐漸增大，甲烷流量越大，渦輪的輸出功率越大。這是因為隨著電堆電流的增大，渦輪的進口溫度逐漸減小，如圖5所示，但渦輪的進口壓力變化不大，因此功率逐漸減小，同時甲烷流量越大，對電堆的損耗越大，對電堆的密封性也提出了更高的要求。

圖5 渦輪進口溫度特性曲線Fig.5 Temperature characteristic curve of turbine

不同甲烷流量對電堆燃料利用率的影響如圖6所示。

圖6 燃料利用率特性曲線Fig.6 Fuel utilization characteristic curve of SOFC

從圖6中可以看出，隨著甲烷流量的增大，電堆燃料利用率呈減小趨勢。在達到相同燃料利用率時，甲烷流量越大，電堆的放電電流也越大，當燃料利用率超過60%時，電堆電壓會迅速衰減，燃料利用率太大會對電堆造成不可逆的損耗，因此，不能為了追求高的燃料利用率而使得電堆放電電流太大。

不同甲烷流量對系統(tǒng)的影響如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)效率特性曲線Fig.7 Efficiency characteristic curve of SOFC-MGT

從圖7中可以看出，隨著甲烷流量的增大，系統(tǒng)效率逐漸減小，隨著電堆放電電流的增加，系統(tǒng)的效率先增大后減小。額定工況下，在45 A出現(xiàn)峰值，最大效率為60.308%。這是因為：一方面隨著甲烷流量的增大，甲烷的燃料利用率逐漸下降，因此電堆的效率逐漸減小，而在SOFC-MGT聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)功率的主要輸出來源于電堆，因此效率逐漸下降；另一方面，電堆放電電流在超過額定放電電流 43 A后，電堆電壓會迅速衰減，電堆功率也會迅速衰減，因此，系統(tǒng)效率隨著電堆放電電流的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4.2 不同燃料進氣壓力對電堆的性能影響

不同的甲烷進氣壓力對電堆輸出電壓的影響如圖8所示。

圖8 燃料電池伏安特性曲線Fig.8 V-I characteristic curve of SOFC

從圖8可以看出，隨著甲烷進氣壓力的增大，電堆電壓逐漸增大，但幅度很小，當甲烷進氣壓力為2個標準大氣壓時，對電堆電壓的影響最為明顯，額定工況時，可提高2.3%。

4.3 不同汽碳比對系統(tǒng)的性能影響

汽碳比為進入重整器中的水蒸氣與甲烷的比例。不同汽碳比對系統(tǒng)的影響如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10中可以看出，汽碳比的增大會稍微減小堆的輸出性能和渦輪的輸出功率。為了使甲烷重整反應(yīng)中的水氣置換反應(yīng)向正反應(yīng)進行，減少CO的產(chǎn)生，同時避免積碳現(xiàn)象的產(chǎn)生，通常汽碳比要大于2，但不能太大，因為水蒸氣含量的增大會造成系統(tǒng)的性能有所下降，同時排放的廢氣量也會增大。

圖9 燃料電池伏安特性曲線Fig.9 V-I characteristic curve of SOFC

圖10 渦輪功率特性曲線Fig.10 Power characteristic curve of turbine

5 結(jié)論

本文通過建立新型底層循環(huán)SOFC-MGT系統(tǒng)仿真模型并對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點以及系統(tǒng)性能進行分析，得到以下結(jié)論：

1)本文建立的新型SOFC-MGT底層循環(huán)仿真模型理論上是合理的，并且該系統(tǒng)在理論上具有一定的可行性。

2)不同甲烷流量對SOFC-MGT系統(tǒng)性能的影響較大。在電堆額定輸出電流情況下，電堆的甲烷流量越大，系統(tǒng)中的渦輪輸出功率也越大。

3)甲烷進氣壓力和汽碳比對SOFC-MGT系統(tǒng)性能的影響較小，隨著甲烷進氣壓力的增加，系統(tǒng)的輸出功率略有增加，隨著汽碳比的增大，系統(tǒng)的輸出功率略有減少。