模糊綜合評判在SOFC-GT聯合發電系統安全性評估中的應用

詹海洋，梁前超，朱潤凱

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模糊綜合評判在SOFC-GT聯合發電系統安全性評估中的應用

詹海洋1，梁前超2，朱潤凱2

（海軍工程大學，武漢430033）

在艦船電力綜合系統中，燃料電池-燃氣輪機（SOFC-GT）聯合發電系統作為一種新型的能源轉化裝置，直接把化學能轉換為電能，打破了傳統熱機朗肯循環熱效率的限制，具有其他熱機不可比擬的高效性。同時SOFC-GT聯合發電系統自身又具有復雜性、強耦合性等特點，使得無法對其安全性做出定量評價。本文采用模糊綜合評判手段，構建模糊評判矩陣，對系統進行模糊層次分析（FAHP）[1]。

SOFC-GT聯合發電系統 模糊綜合評判 模糊矩陣

1 SOFC-GT聯合發電系統

SOFC-GT聯合發電系統主要由燃料重整系統、高溫燃料電池堆、燃氣輪機、發電機、電力轉換等系統組成。電堆是SOFC-GT聯合發電系統的核心，電堆的安全性決定著SOFC-GT聯合發電系統的安全性。

根據上文分析得，影響SOFC-GT聯合發電系統安全的三大因素：燃料分配系統、汽化重整系統、電堆。其中：影響燃料氣分配系統安全性因素包括空氣氣體壓力、甲烷氣源氣體壓力、氫氣氣源氣體壓力、可燃性氣體泄漏量。影響汽化重整系統安全性因素包括水汽化溫度、重整器入口溫度、重整器溫度、氣碳比。影響電堆安全性因素包括電堆功率、電堆電壓、電堆內部溫度、電堆內部縱向溫差[2]。

圖1 SOFC-GT循環結構框圖

圖2 電堆示意圖

2 模糊綜合評判

美國控制論學者L.A.Zedeh在1965年發表論文《模糊集合》中第一次提出模糊數學概念。后來發展模糊集合、模糊邏輯、模糊拓撲學、模糊測度論、模糊綜合評價等逐步豐富模糊數學的理論體系。

模糊綜合評判在對復雜、強耦合系統進行評價時，構建模糊一致矩陣，利用最大隸屬度原理與模糊矩陣線性變換原則，對各個子因素作出合理的綜合評判。模糊綜合評判分單級與多級，對于多因素SOFC-GT聯合發電系統，由于權重系數的歸一化，單級模糊綜合評判會泯滅某些因素的作用，故采用二層模糊綜合評判模型較為合適。

2.1構建模糊綜合評判因素集

設為影響SOFC-GT聯合發電系統安全性所有因素的因素集，將集合中所含某一類因素單獨評價，然后再對第一層所得評判結果進行第二層綜合評價。

2.2構建模糊綜合評判評語集

將SOFC-GT聯合發電系統運行狀態分為安全、一般、警報、危險4種情況。其中安全對應系統各子系統分別工作在設計點，運行良好；一般對應有少量系統參數設計工況點附近；警報對應極個別子系統參數偏離設計工況點；危險對應系統參數嚴重偏離設計工況點，并造成子系統不能安全穩定運行。

評語集為：

={安全, 一般, 警報, 危險}={1,2,3,4}

2.3構建模糊綜合評判權重集系數

在多因素影響復雜系統中，不同因素對系統安全性的影響程度是不同的。為真實反映不同因素對系統安全性的影響，取合適的權重系數是十分必要的。第一層權重系數，由于無法直接給出各個子因素的權重系數，我們構造模糊一致矩陣，給予各個子因素相互權重比較關系，求得各個子因素的權重系數。第二層權重系數，引入風險因子確定三大因素對SOFC-GT聯合發電系統安全性的權重系數。

第一層權重系數的確定：權重系數的確定直接影響模糊綜合評判的正確性。例如電堆溫度過高是由多個因素共同的影響導致系統嚴重偏離設計工作點，它的存在使得部件之間相互獨立的假設不再成立。所以往往無法直接給出各個子因素的權重系數。構建模糊一致矩陣，表示子因素間兩兩的重要性，從而利用模糊一致矩陣求出各個子因素的權重系數。

第二層權重系數的確定：權重系數是風險因子的函數。即某個因素發生危險的概率越大，造成的后果越嚴重，則其在整個系統的模糊綜合評判中所占的權重系數越大。設第i類因素的權重為，則反映指標集重要程度的權重集為：

2.4構建各層次模糊評判矩陣

設第個因素U={u, u, …u}，利用德爾菲法（Delphi Method）對第i個因素中所包含的s個子因素進行評估。上文劃分得到={1,2,3,4}四個評價體系。當德爾菲法的評語集趨于集中時，得到的模糊評判矩陣R為：

3 實例應用

本文采用雙堆千瓦級板式電堆，參數如下

1）吹掃氮氣為0~20SLM、甲烷為0~20SLM、氫氣為0~50SLM、空氣為0~100SLM。

2）進氣口壓力的調節范圍為0~0.9 Mpa，過大的壓力會增大氣體泄漏的風險，過小的進氣壓力會使進入電堆的氣體壓力不夠。

3）可燃性氣體泄漏小于1.25%vol。

4）預熱器甲烷溫度400~450℃，過低影響預熱效果，過高甲烷預熱分解。

5）水炭比大于3，防止碳堆積。

6）汽化器維持在100℃以上，穩定氣化。

7）電堆溫度600~800℃，縱向溫差小于80℃，max≥2000 W，衰減率?≤2%/1000 h。

圖3 燃料分配系統氣管路簡圖

圖4 電堆I-V曲線

重整實驗為高溫實驗，而且會產生易燃易爆及有毒氣體。實驗前檢查系統是否漏氣，管路是否暢通，氣體出口是否暢通，氫氣及一氧化碳及甲烷泄漏探測報警裝置[4]。

3.1 測試數據

750℃，HRRR2RRR:Air=8/24sccm cmP-2，空氣入口溫度預熱至700℃時，電堆的開路電壓為34.7V，21V條件時，電堆功率可達到2.216 kW，燃料利用率60.9%，電效率34.4%。

燃料氣分配系統中空氣氣體壓力0.3 MP、甲烷氣源氣體壓力0.3 MP、氫氣氣源氣體壓力0.3 MP、可燃性氣體泄漏未檢出。汽化重整系統中水汽化溫度130℃、重整器入口溫度400℃、重整器溫度700℃、氣碳比3.1。電堆縱向溫差小于60℃。

3.2 數據處理

根據測試得到主要系統參數，采用專家分級打分策略對各個因素集進行評判，得到因素集安全性的最大隸屬度。第一層的模糊綜合評判，是對每一類的各個子因素進行模糊綜合評價。對于第一層多因素、耦合子模塊的模糊綜合評判，采用=(·,∨)主因素突出模型是較為合適的。因為由于某一個子因素的影響，導致整個子模塊嚴重偏離設計工況點，進而影響整個系統的安全性。

由上文得出，第一層綜合評判，燃料氣分配系統子因數權重系數為：

汽化重整系統子因素權重系數為：

電堆子因數權重系數為：

燃料氣分配系統模糊綜合評判矩陣為：

表1 因素權重系數與隸屬度

汽化重整系統模糊綜合評判矩

電堆系統模糊綜合評判矩陣為：

對于第二層模糊綜合評判，首先由第一層模糊綜合評判得到的模糊綜合評判矩陣?？紤]到SOFC-GT聯合發電系統整體安全性與模糊綜合評判的可靠性，采用主因素加權平均模型是較為合適的。由上文得第二層權重系數為：

我們得到SOFC-GT聯合發電系統安全性的模糊綜合評價矩陣。對結果進行歸一化處理，可以得出此系統運行在安全狀態下的隸屬度為0.787，運行在一般狀態下的隸屬度為0.148，運行在警報狀態下的隸屬度為0.065，運行在危險狀態下的隸屬度0。該系統各個子系統運行在較高安全狀態下，但系統整體安全性一般。主要表現在各個子系統的相互耦合作用，其中重整系統安全性一般，低氣碳比容易造成碳沉積，進而影響整體安全性。結論與實驗結果相符，此綜合評判方法具有較強的可靠性[5]。

4 結論

本文利用模糊綜合評判法對SOFC-GT聯合發電系統的安全性做出了定性、定量的評判。對于復雜多因素系統，采用兩層評判方式。利用各個子因素兩兩相較重要程度構建模糊一致矩陣，最小二乘法求解第一層各個子因素的權重系數；引入風險因子，給出了第二層各個因素的權重系數。并對最終評判結果利用模糊分布法進行處理。本文給出的SOFC-GT聯合發電系統的模糊綜合評判模型，具有系統性強，評判結果清晰等特點，能較好地解決模糊的、難以量化的系統，減少主觀因素的影響，使得評判的結果更具有可靠性。

參考文獻：

[1] M. L. Shao, Q. C. Liang, D, Yan, H. Qin, J. Xiang. Application of fuzzy comprehensive evaluation on COGAG power plant of performance[J]. Journal of power and energy engineering,2014, 2(9): 29-34.

[2] 閆東, 梁前超, 邵夢麟, 焦宇飛. 某型燃氣輪機啟動失敗的模糊故障樹分析[J].中國修船, 2015, 28(1): 40-42．

[3] 張吉軍. 模糊層次分析法(FAHP)[J]. 模糊系統與數學, 2000, 6(2): 80-88.

[4] 趙洪濱, 楊倩, 江婷, 楊微. SOFC聯合循環系統系能分析[J]. 工程熱物理學報, 2014, 5(5): 848-853.

[5] 楊綸標, 高英儀, 凌衛新. 模糊數學原理及應用[D]. 廣州: 華南理工大學出版社, 2013.1.

Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation to Evaluating the Safety of Combined Generation System of SOFC-GT

Zhan Haiyang1, Liang Qianchao2, Zhu Runkai2

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP183

A

1003-4862（2016）10-0034-04

2016-05-09

詹海洋（1992-），男，碩士在讀。研究方向：燃料電池與燃氣輪機聯合發電系統設計與仿真。