固体氧化物燃料电池微型热电联供系统的动态仿真

2014-07-02 13:21康英伟王亚楠
上海电力大学学报 2014年3期
关键词:电堆预热器部件

康英伟,王亚楠,黄 伟,薛 阳

(上海电力学院自动化工程学院,上海 200090)

在过去的10年中,将固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)应用于微型热电联供(micro-CHP,1~10 kW)是世界能源领域的一个热点,许多SOFC公司和研究机构都相继推出了各自的原型系统.[1-6]这种发展主要来自于3个方面的原因:一是由于大电堆集成的困难,开发小规模的SOFC系统比开发大规模系统要容易得多,而微型热电联供的应用与现阶段SOFC技术的发展水平十分切合;二是SOFC系统非常高效且环境友好,与其他几种可用于微型热电联供的技术如内燃机、斯特林(Stirling)发动机等相比具有很强的竞争力;[7-8]三是分布式发电越来越受到重视,之前阻碍分布式发电发展的一些政策和基础设施上的瓶颈正逐步被消除.[9-13]因此,SOFC micro-CHP系统有望在未来的分布式发电和供能体系中发挥重要作用.

SOFC micro-CHP系统是一种新颖的能量转换系统,目前对其系统设计及控制设计方面的认识还很缺乏.关于SOFC micro-CHP系统的一些基本问题仍然有待解决,如系统的优化方法,系统的动态特性,对SOFC micro-CHP系统的控制等.为了满足SOFC micro-CHP系统优化和控制设计的需要,建立了一个SOFC micro-CHP系统的动态模型,并以此模型为基础,对该SOFC micro-CHP系统进行动态仿真,以深入研究系统的动态特性.

1 系统描述

本文考虑的是一个1 kW在常压条件下运行的SOFC micro-CHP系统,其流程如图1所示.

图1 SOFC micro-CHP系统流程

该系统以天然气(主要成分是甲烷)为燃料,可以同时向用户提供电能和热水.系统采用中温平板式直接内重整SOFC电堆,该电堆由35片阳极支撑型的SOFC单电池串联堆叠而成,并且其阳极与阴极气流顺流布置.除了SOFC电堆外,系统还包括各种辅助部件(即BoP),主要有燃料预热器、空气预热器、预重整器、蒸汽发生器、回热器、催化燃烧器、混合器、保温水箱、风机,以及电力调节单元(Power Conditioning Unit,PCU)等.

燃料与蒸汽发生器产生的蒸汽在混合器中实现混合,然后经过预热和预重整后被送入SOFC电堆的阳极侧.而空气由风机鼓入,经空气预热器预热后被送入SOFC电堆的阴极侧.两股气流在SOFC电堆内发生反应,燃料和空气中的化学能被转化为电能和热能.SOFC产生的直流电经过PCU后被转换成满足使用要求的交流电,其中一部分用于驱动风机,其余的供给用户使用.SOFC排气中剩余的燃料在催化燃烧器中被燃烧掉,以进一步释放热能.从催化燃烧器出来的热烟气在逐次提供了燃料预重整、阳极气流预热,以及产生蒸汽和阴极气流预热所需的能量后进入回热器,将剩余的热能以热水的形式回收,热水被储存在保温水箱中供用户使用.

2 系统建模

系统模型是根据每个系统部件的工艺原理建立的.建模时,系统部件被分为3类:PCU;风机;除PCU和风机外的所有其他部件.由于PCU的效率很高,因此可近似认为其效率为100%,即SOFC电堆产生的直流电被无损耗地转化为交流电.风机模型根据叶轮机械的原理建立,第3类部件采用一种统一的建模方法建模.

2.1 风机建模

风机是由电动马达、主轴、叶轮和机壳组成.叶轮安装在主轴上并被置于机壳中,马达驱动叶轮以5 000 r/min的额定转速旋转,旋转叶轮做功提升空气的压力.风机的整个转动部分通常称为转子.

对风机的转子应用能量守恒可以得到如下方程:

式中:I,ω——转子的转动惯量和转速;

t——时间;

Pmotor,mech——电动马达加在转子上的机械功率;

Pblade,mech——叶轮压缩空气所耗的机械功率.

假设马达的效率为100%,则Pmotor,mech等于马达消耗的电功率.根据热力学原理可以得出:

式中:κ——空气的绝热指数,其值为1.4;

N——风机所输送空气的摩尔流量;

ξ——风机的效率.

此外,将pout和N都建模为转子转速的线性函数,则该风机模型闭合.

2.2 第3类部件建模

第3类部件的模型都是基于“节”和“控制体”的思想,通过应用摩尔守恒和能量守恒定律而建立的.具体来说,将建模部件沿流体流动方向划分成若干节,再将节沿与流动垂直的方向划分成若干控制体,而控制体即为应用守恒定律得到模型方程的基本单元.需要指出的是,这里的节和控制体都是有限大小的空间单元,其划分要根据部件的特点以及对模型精度和计算负荷的要求而定.

最简单的情况是取节数为1,并将整个节作为一个控制体,此时得到的模型即是所谓的集总参数模型.采用该建模方法所得到的各部件模型具有共性,可以借助一个具有一般性的控制体将其都纳入到一个统一的模型框架中.对该控制体应用守恒定律即可得到通用的模型方程,而每个部件模型的区别体现在节与控制体的划分、控制体的结构,以及源项表达式的不同等方面.第3类部件模型的具体形式可参阅文献[14].

3 仿真结果与分析

以该模型为基础,在Matlab/Simulink仿真环境中对SOFC micro-CHP系统进行模型搭建与动态仿真.在设计运行条件下,给系统施加如下扰动:在 t=2 000 s时,SOFC的平均电流密度从5 000 A/m2阶跃变化至 4 000 A/m2和 6 000 A/m2,且保持燃料利用率、水/碳比和空气比恒定.图2给出了不同变量的动态响应.由于系统对阶跃上升和阶跃下降扰动的响应具有相反的趋势,因此以下仅对阶跃下降扰动的响应进行分析.

由图2a可以看出,当平均电流密度阶跃下降时,为了保持空气比恒定,分配给风机的电功率也下降,风机转速在几秒钟内迅速降至新的稳态.由图2b可以看出,空气预热器出口处的空气温度先快速上升,随后缓慢下降.可以推断,开始的温度上升是由于预热器中空气流量下降造成的,而随后的温度下降则是由于烟气参数(包括温度和流量)下降所致.空气预热器较大的换热面积导致其具有很大的热惯性,因此其出口空气温度的缓慢下降过程可持续数万秒.由图2c可以看出,SOFC出口温度先迅速下降,随后缓慢降至新的稳态.快速下降过程是由于电化学反应产生的热量减少所致,该过程持续数百秒,是SOFC自身温度动态过程的反映;随后的温度缓慢下降则是由于阴极入口空气温度下降造成的.由图2d可以看出,SOFC电堆温度对其电压的影响十分显著.由图2e可以看出,当平均电流密度下降时,尽管风机耗功有所降低,但整个系统的净输出电功率仍然是下降的,这是由于SOFC电堆的输出电功率下降所致.由图2f可以看出,当平均电流密度下降时,回热器出口热水温度下降,这是由于烟气参数(温度、流量)降低所致.

图2 平均电流密度阶跃扰动下SOFC系统的动态响应

4 结论

(1)分析表明,仿真结果是合理的,所建模型可以比较准确地仿真SOFC micro-CHP系统的性能.

(2)部件之间的相互影响是决定系统中部件动态行为的重要因素,回热式的系统设计加强了各部件之间的相互影响.

(3)由于包含多个部件并涉及不同的化学、物理过程,系统包含有几种不同时间尺度的动态过程.

(4)为了给大量空气预热,空气预热器需要比较大的换热面积,这会造成空气预热器的热惯性比较大,从而导致长达数万秒的缓慢温度动态过程.

[1]Dunlop joins program to commercialize Ceres SOFC generator[J].Fuel Cells Bulletin,2005(4):8-9.

[2]Acumentrics,MTS Group join forces on European microcogen program[J].Fuel Cells Bulletin,2005(10):9-10.

[3]Osaka Gas,Kyocera trial domestic SOFC[J].Fuel Cells Bulletin,2006(2):2.

[4]CFCL to develop product for German residential market[J].Fuel Cells Bulletin,2007(5):6.

[5]Residential SOFCs making a big splash in Europe[J].Fuel Cells Bulletin,2007(8):1.

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[14]康英伟,曹广益,屠恒勇,等.固体氧化物燃料微型热电联供系统的动态建模与仿真[J].中国电机工程学报,2010,30(14):121-128.

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