基于simulink的SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

閆東，梁前超

基于simulink的SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

閆東1，2，梁前超1，2

（1.海軍工程大學動力工程學院，武漢430033；2.海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室，武漢430033）

基于matlab-Simulink建模軟件，建立了固體氧化物燃料電池（SOFC）的集總參數(shù)模型和微型燃氣輪機的發(fā)電計算模型，結(jié)合具體算例進行了模型驗證，并進行了有關(guān)系統(tǒng)的工作壓力、溫度、電流密度等參數(shù)的動態(tài)響應，結(jié)果表明：SOFC的集總參數(shù)模型能夠滿足仿真精度要求，SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率可以達到57%.

SOFC；微型燃氣輪機；建模仿真

燃料電池是將儲存在氧化劑與燃料內(nèi)部的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種中高溫燃料電池，實驗條件下已取得60%以上的發(fā)電效率，排氣溫度達600℃以上。將高品位的廢熱與燃氣輪機組成聯(lián)合動力系統(tǒng)，可以進一步提高設(shè)備發(fā)電效率。

采用計算機仿真模擬技術(shù)，能夠節(jié)約實驗研究的成本，縮短研究周期，尋找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)明顯設(shè)計缺陷。文獻[1]采用容阻特性建模，完成了SOFC一維模型的快速動態(tài)仿真，并有效結(jié)合微型燃氣輪機，對聯(lián)合裝置進行了性能仿真，達到了57%的發(fā)電效率。本文主要抓住研究對象的動態(tài)特性，而對其精度要求不高，因而采用了集總參數(shù)建模方法，以求得到仿真條件下，裝置運行狀況及響應特性。

1 仿真數(shù)學模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

本文綜合考慮了建模對象的工作特點，按照燃料氣流經(jīng)SOFC內(nèi)部各模塊的順序進行建模，并對部分復雜過程進行了簡化，做出如下假設(shè)：

（1）所有氣體均為理想氣體。

（2）燃料選擇為100%CH4.

（3）系統(tǒng)與外界無熱量、氣體交換。

（4）重整反應及水氣置換反應均處于平衡狀態(tài)，無狀態(tài)遷移。

（5）采用集總參數(shù)模型，獨立模塊內(nèi)部各狀態(tài)參數(shù)保持一致性。

SOFC模型采用文獻[2]中的外部預重整的陽極再循環(huán)形式，微型燃氣輪機（MGT）主要用于氣體加壓及渦輪做功，壓氣機、渦輪和發(fā)電機共軸運轉(zhuǎn)。由于系統(tǒng)運行直接為工作工況，未考慮啟動條件，因而省去了外加的預熱設(shè)備。見圖1.

圖1 SOFC-GT拓撲結(jié)構(gòu)

燃料首先經(jīng)過壓氣機加壓進入混合器，與陽極出口的部分尾氣混合后，形成含有CH4和H20的混合氣體，進入預重整器進行蒸汽重整反應，重整后的燃料氣進入SOFC陽極，燃料氣并不能完全反應。另一方面，經(jīng)壓氣機加壓后的空氣，在換熱器中預熱后進入SOFC陰極，反應尾氣中仍含有部分O2.陰極和陽極反應后的氣體，進入催還燃燒室繼續(xù)進行催化燃燒反應，進一步將燃料燃燒利用完。從催化燃燒室出來的尾氣溫度很高，在換熱器中將壓縮空氣預熱后，推動渦輪做功。

1.2 計算模型

本文采用模塊化建模思路，按照圖1所描述的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建計算模型。建模過程主要依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律將各模塊內(nèi)部反應前后變化表達出來。主要的模塊模型如下。

1.2.1 SOFC模型

（1）預重整器

經(jīng)過混合器充分混合的氣體中，主要成分是CH4、H2O蒸氣和CO2，接著進入預重整器內(nèi)，發(fā)生重整反應與水氣置換反應，進一步增加氫氣的含量。

依據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應過后各組分摩爾分數(shù)：

經(jīng)過重整后的氣體，出口溫度變化到T9，可以通過能量守恒定律，進一步求出口氣體溫度：

（2）電堆模型

本文假設(shè)電堆內(nèi)部各參數(shù)保持一致性，根據(jù)質(zhì)量守恒定律壓力損失系數(shù)，可以求出電堆內(nèi)部的物質(zhì)變化。

（3）電化學模型

燃料電池實際運行中的電壓Vfc為理想的開路可逆電壓E減去各種極化損失引起的電壓損失，可表示為下式：

歐姆極化、濃度極化、陽極活化和陰極活化可表示為：

得到單電池的工作電壓后，便可求出SOFC電堆的輸出功率Pst和輸出電壓Vst：

（4）溫度模塊：

將SOFC電堆做為一個整體，不存在溫度梯度，并且認為整個過程SOFC絕熱處理，忽略其同外界的熱量交換。反應前后能量守恒，即

（5）催化燃燒室模塊

本文采用的燃燒室為一個氣相反應室，尾氣在里面不發(fā)生燃燒反應，而是通過催化劑來促進氧化反應進行，進一步將未充分利用的燃料氣消耗，提升尾氣溫度，從而強化尾氣做功能力。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，燃燒室出口氣體主要成分：

對于燃燒室出口氣體的溫度，假設(shè)與燃燒室內(nèi)部溫度一致，考慮到燃燒室的燃燒效率，根據(jù)能量守恒方程知：

1.2.2 燃氣輪機模型

燃氣輪機以已有MGT為依據(jù)，經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學變換得到壓氣機以及渦輪的數(shù)學模型。

（1）壓氣機模型

壓氣機是一個具有強非線性的部件，這里采用C30微型燃機輪機作為建模基準。其工作特性可由壓比π、折合流量Gˉ、折合轉(zhuǎn)速nˉ以及效率ηc來表示。

式中，G1為氣體質(zhì)量流量（kg/s）；T1、T2為壓氣機前后溫度（K）；r1為絕熱系數(shù)；hˉ1、hˉ2為進出口焓值（kJ/kg）；P為壓氣機耗功（kW）.

（2）渦輪模塊

渦輪模型同樣可以由相似理論進行特性分析。氣體膨脹做功推動渦輪轉(zhuǎn)動，壓力下降，膨脹比為ε.

（3）轉(zhuǎn)子模塊

在仿真過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為狀態(tài)量，其工作特性可以由轉(zhuǎn)子能量平衡得到：

2 性能仿真分析

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計點工況的主要運行參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計點工況下發(fā)電系統(tǒng)運行參數(shù)

輸入系統(tǒng)運行的各參數(shù)值，可以得到在設(shè)計工況條件下各狀態(tài)點的熱力學狀態(tài)值，如表2所列。

計算結(jié)果表明：

表2 設(shè)計點工況下聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)各狀態(tài)點熱力學性能

SOFC的集總參數(shù)模型能夠滿足仿真精度要求，SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率可以達到57%（輸出功率與燃料利用率關(guān)系求得）。仿真輸入系統(tǒng)運行的各參數(shù)值，可以得到在設(shè)計工況條件下各狀態(tài)點的熱力學狀態(tài)值，與文獻[8]對比精度達到3%，滿足了實驗臺架測試的要求，有關(guān)臺架測試數(shù)據(jù)見國內(nèi)外相關(guān)固體氧化物燃料電池/微型燃氣輪機混合發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制。

3 結(jié)論

通過matlab-Simulink建模建立了固體氧化物燃料電池（SOFC）的集總參數(shù)模型和微型燃氣輪機的發(fā)電計算模型，并結(jié)合具體算例進行了模型驗證。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率可以達到57%，并進行了有關(guān)系統(tǒng)的工作壓力、溫度、電流密度等參數(shù)的動態(tài)響應和精度研究。仿真精度達到實驗臺架測試設(shè)計的要求。

[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]黃劉松.固體氧化物燃料電池-燃氣輪機混合發(fā)電裝置建模與仿真[D].上海：上海交通大學，2007.

[5]馬麗娜.微型燃氣輪機C30氣體排放實驗研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2014.

[6]吳小娟.固體氧化物燃料電池/微型燃氣輪機混合發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制[D].上海：上海交通大學，2009.

[7]胡傲生，吳錦超，萬昕.固體氧化物燃料電池陽極的微觀建模[J].電源技術(shù)，2016，40（2）：302-323.

[8]朱潤凱，梁前超，閆東.固體氧化物燃料電池與微型燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電建模仿真研究[J].艦船科學技術(shù)，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

閆東（1991-），男，河南人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真及優(yōu)化；梁前超（1964-），男，湖北武漢人，教授，博士生導師，主要研究領(lǐng)域為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真及優(yōu)化。