基于simulink的SOFC-MGT联合发电系统建模与仿真

闫东，梁前超

基于simulink的SOFC-MGT联合发电系统建模与仿真

闫东1，2，梁前超1，2

（1.海军工程大学动力工程学院，武汉430033；2.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室，武汉430033）

基于matlab-Simulink建模软件，建立了固体氧化物燃料电池（SOFC）的集总参数模型和微型燃气轮机的发电计算模型，结合具体算例进行了模型验证，并进行了有关系统的工作压力、温度、电流密度等参数的动态响应，结果表明：SOFC的集总参数模型能够满足仿真精度要求，SOFC-MGT联合发电系统发电效率可以达到57%.

SOFC；微型燃气轮机；建模仿真

燃料电池是将储存在氧化剂与燃料内部的化学能直接转化为电能的发电装置，固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种中高温燃料电池，实验条件下已取得60%以上的发电效率，排气温度达600℃以上。将高品位的废热与燃气轮机组成联合动力系统，可以进一步提高设备发电效率。

采用计算机仿真模拟技术，能够节约实验研究的成本，缩短研究周期，寻找规律，发现明显设计缺陷。文献[1]采用容阻特性建模，完成了SOFC一维模型的快速动态仿真，并有效结合微型燃气轮机，对联合装置进行了性能仿真，达到了57%的发电效率。本文主要抓住研究对象的动态特性，而对其精度要求不高，因而采用了集总参数建模方法，以求得到仿真条件下，装置运行状况及响应特性。

1 仿真数学模型

1.1 系统结构描述

本文综合考虑了建模对象的工作特点，按照燃料气流经SOFC内部各模块的顺序进行建模，并对部分复杂过程进行了简化，做出如下假设：

（1）所有气体均为理想气体。

（2）燃料选择为100%CH4.

（3）系统与外界无热量、气体交换。

（4）重整反应及水气置换反应均处于平衡状态，无状态迁移。

（5）采用集总参数模型，独立模块内部各状态参数保持一致性。

SOFC模型采用文献[2]中的外部预重整的阳极再循环形式，微型燃气轮机（MGT）主要用于气体加压及涡轮做功，压气机、涡轮和发电机共轴运转。由于系统运行直接为工作工况，未考虑启动条件，因而省去了外加的预热设备。见图1.

图1 SOFC-GT拓扑结构

燃料首先经过压气机加压进入混合器，与阳极出口的部分尾气混合后，形成含有CH4和H20的混合气体，进入预重整器进行蒸汽重整反应，重整后的燃料气进入SOFC阳极，燃料气并不能完全反应。另一方面，经压气机加压后的空气，在换热器中预热后进入SOFC阴极，反应尾气中仍含有部分O2.阴极和阳极反应后的气体，进入催还燃烧室继续进行催化燃烧反应，进一步将燃料燃烧利用完。从催化燃烧室出来的尾气温度很高，在换热器中将压缩空气预热后，推动涡轮做功。

1.2 计算模型

本文采用模块化建模思路，按照图1所描述的拓扑结构构建计算模型。建模过程主要依据质量守恒和能量守恒定律将各模块内部反应前后变化表达出来。主要的模块模型如下。

1.2.1 SOFC模型

（1）预重整器

经过混合器充分混合的气体中，主要成分是CH4、H2O蒸气和CO2，接着进入预重整器内，发生重整反应与水气置换反应，进一步增加氢气的含量。

依据质量守恒定律，反应过后各组分摩尔分数：

经过重整后的气体，出口温度变化到T9，可以通过能量守恒定律，进一步求出口气体温度：

（2）电堆模型

本文假设电堆内部各参数保持一致性，根据质量守恒定律压力损失系数，可以求出电堆内部的物质变化。

（3）电化学模型

燃料电池实际运行中的电压Vfc为理想的开路可逆电压E减去各种极化损失引起的电压损失，可表示为下式：

欧姆极化、浓度极化、阳极活化和阴极活化可表示为：

得到单电池的工作电压后，便可求出SOFC电堆的输出功率Pst和输出电压Vst：

（4）温度模块：

将SOFC电堆做为一个整体，不存在温度梯度，并且认为整个过程SOFC绝热处理，忽略其同外界的热量交换。反应前后能量守恒，即

（5）催化燃烧室模块

本文采用的燃烧室为一个气相反应室，尾气在里面不发生燃烧反应，而是通过催化剂来促进氧化反应进行，进一步将未充分利用的燃料气消耗，提升尾气温度，从而强化尾气做功能力。

根据质量守恒定律可知，燃烧室出口气体主要成分：

对于燃烧室出口气体的温度，假设与燃烧室内部温度一致，考虑到燃烧室的燃烧效率，根据能量守恒方程知：

1.2.2 燃气轮机模型

燃气轮机以已有MGT为依据，经过适当的数学变换得到压气机以及涡轮的数学模型。

（1）压气机模型

压气机是一个具有强非线性的部件，这里采用C30微型燃机轮机作为建模基准。其工作特性可由压比π、折合流量G¯、折合转速n¯以及效率ηc来表示。

式中，G1为气体质量流量（kg/s）；T1、T2为压气机前后温度（K）；r1为绝热系数；h¯1、h¯2为进出口焓值（kJ/kg）；P为压气机耗功（kW）.

（2）涡轮模块

涡轮模型同样可以由相似理论进行特性分析。气体膨胀做功推动涡轮转动，压力下降，膨胀比为ε.

（3）转子模块

在仿真过程中转子转速为状态量，其工作特性可以由转子能量平衡得到：

2 性能仿真分析

联合发电系统的设计点工况的主要运行参数如表1所示。

表1 设计点工况下发电系统运行参数

输入系统运行的各参数值，可以得到在设计工况条件下各状态点的热力学状态值，如表2所列。

计算结果表明：

表2 设计点工况下联合发电系统各状态点热力学性能

SOFC的集总参数模型能够满足仿真精度要求，SOFC-MGT联合发电系统发电效率可以达到57%（输出功率与燃料利用率关系求得）。仿真输入系统运行的各参数值，可以得到在设计工况条件下各状态点的热力学状态值，与文献[8]对比精度达到3%，满足了实验台架测试的要求，有关台架测试数据见国内外相关固体氧化物燃料电池/微型燃气轮机混合发电系统的建模与控制。

3 结论

通过matlab-Simulink建模建立了固体氧化物燃料电池（SOFC）的集总参数模型和微型燃气轮机的发电计算模型，并结合具体算例进行了模型验证。联合发电系统发电效率可以达到57%，并进行了有关系统的工作压力、温度、电流密度等参数的动态响应和精度研究。仿真精度达到实验台架测试设计的要求。

[1]B.Thorud.Dynamic modelling and characterisation of a solid oxide fuel cell integrated in a gas turbine cycle[D].Trond heim：Norwegian University of Science and Technology，2005.

[2]F Calisea，MD D’Accadia，A Palombo，et al.Simulation and exergy analysis of a hybrid solid oxide fuel cell（SOFC）-gas turbine system[J].Energy，2006，31（15）：3278-3299.

[3]Tian Yun.Modeling of solid oxide fuel cell-gas turbine hy brid power plant[D].Singapore：Nanyang Technological Uni versity，2002.

[4]黄刘松.固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电装置建模与仿真[D].上海：上海交通大学，2007.

[5]马丽娜.微型燃气轮机C30气体排放实验研究[D].徐州：中国矿业大学，2014.

[6]吴小娟.固体氧化物燃料电池/微型燃气轮机混合发电系统的建模与控制[D].上海：上海交通大学，2009.

[7]胡傲生，吴锦超，万昕.固体氧化物燃料电池阳极的微观建模[J].电源技术，2016，40（2）：302-323.

[8]朱润凯，梁前超，闫东.固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机联合发电建模仿真研究[J].舰船科学技术，2016，39（4）：95-99.

Modeling and Simulation for SOFC-MGT Combined Power Generation System on the Basis of Simulink

YAN Dong1，2，LIANG Qian-chao1，2，ZHU Run-kai1，2
（1.Naval University of Engineering，College of Naval Architecture and Power，Wuhan Hubei 430033，China；2.Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China）

On the basis of simulink，the solid oxide fuel cell and micro gas turbine combined power generation system was designed and considered the working performance through modeling and simulation.After simulation，the result shows that the SOFC-MGT model can meet the requirements of the simulation precision and the system can operate with high efficiency 57%.At designed condition，the dynamic response parameter of modeling and Simulation is well on the pressure，temperature，current density.

SOFC；m-gas turbine；modeling and simulation

N945.12

A

1672-545X（2017）07-0175-04

2017-04-18

闫东（1991-），男，河南人，硕士研究生，主要研究领域为动力机械及热力系统的设计、仿真及优化；梁前超（1964-），男，湖北武汉人，教授，博士生导师，主要研究领域为动力机械及热力系统的设计、仿真及优化。