新型底層循環SOFC-MGT系統變工況性能分析

何俊能，梁前超，喬潤鵬，楊 凡

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

1 引言

由于社會的快速發展，不可再生能源的短缺和環境的污染問題日益嚴重，這些驅使著人們尋求可以替代傳統化石能源的可持續的清潔能源。眾所周知，借助風能或太陽能產生的電能是不穩定的。如果直接將其與電網連接時，電網變得脆弱。而固體氧化物燃料電池與微型燃氣輪機聯合循環系統(SOFC-MGT)具有效率高、污染小、噪聲低、燃料類型多樣等優點，為解決能源危機與環境問題提供了新思路，是目前公認的最具發展潛力的發電方式之一。

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

在前人研究的基礎上，本文提出了一種新型底層循環SOFC-MGT系統，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動態模型時，做了如下假設：

? 所有氣體為理想氣體；

? 忽略系統與外界的熱交換；

? 重整反應和水氣置換反應均處于平衡狀態；

? 系統中的溫度、氣體組分和壓力均勻分布；

? 系統采用集中參數模型。

空氣經過壓氣機壓縮之后，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后的尾氣進入催化燃燒室燃燒，產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SOFC-MGT系統，如圖1所示。空氣經過壓氣機壓縮后，與SOFC陰極、陽極尾氣在催化燃燒后產生的高溫氣體換熱，隨后送入渦輪做功，則為傳統的底層循環，如圖2所示。

圖1 新型底層循環SOFC-MGT系統結構示意圖Fig.1 SOFC-MGT new bottom combined cycle system structure

圖2 傳統底層循環SOFC-MGT系統結構示意圖Fig.2 SOFC-MGT traditional bottom combined cycle system structure

相較于傳統底層循環，本文提出的新型底層循環的最大優勢在于：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。不管是頂層循環還是底層循環，SOFC系統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合循環系統相較于傳統的單燃氣輪機，系統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和水氣置換反應，化學反應式為：

CH+HO?CO+3H

(1)

CO+HO?CO+H

(2)

根據質量守恒方程可得：

(3)

(4)

2.2 電化學模型

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

根據上述假設，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：

1)絕熱壓縮，不與外界交換熱量；

2)忽略工質動量作用與質量力的影響；

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，具有結構簡單、單級焓降大、運行范圍廣等優點。

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，而且影響平均溫差Δ，Δ是出口溫度的強函數。

逆流平均溫差可以表示為：

(13)

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

至此，SOFC-MGT傳統底層循環系統的數學模型已經建立，通過Matlab/Simulink仿真，得到SOFC-MGT傳統底層循環系統仿真模型，最后通過調整SOFC-MGT傳統底層循環系統結構，得到本文提出的新型SOFC-MGT底層聯合循環系統仿真模型，如圖3所示。

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

3 模型驗證

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

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

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

在傳統SOFC-MGT仿真模型基礎上，搭建了新型底層循環SOFC-MGT系統仿真模型，系統模型的設定參數如表2所示。

表2 系統運行初始參數Table 2 Initial parameters of simulation

4 性能分析

由于不同的參數變化都會對SOFC-MGT聯合循環系統性能產生不同的影響。因此，本節討論了不同工況下，新型底層循環SOFC-MGT系統的性能變化。

4.1 不同甲烷流量對系統的性能影響

不同甲烷流量對系統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的影響如圖7所示。

圖7 系統效率特性曲線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，系統效率逐漸減小，隨著電堆放電電流的增加，系統的效率先增大后減小。額定工況下，在45 A出現峰值，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聯合循環系統中，系統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，系統效率隨著電堆放電電流的增大，呈現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中的水氣置換反應向正反應進行，減少CO的產生，同時避免積碳現象的產生，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 結論

本文通過建立新型底層循環SOFC-MGT系統仿真模型并對其系統結構特點以及系統性能進行分析，得到以下結論：

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

2)不同甲烷流量對SOFC-MGT系統性能的影響較大。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系統性能的影響較小，隨著甲烷進氣壓力的增加，系統的輸出功率略有增加，隨著汽碳比的增大，系統的輸出功率略有減少。