高温燃料电池—微型燃气轮机联合循环建模与动态仿真研究

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燃料电池/燃气轮机联合循环具有高效、环保的优点,同时,它在安全性、灵活性及输配电的成本等方面也具有明显的优势,成为分布式发电领域的研究热点。 在联合循环系统中燃料电池与燃气轮机之间既有热量的交换,也有质量的交换,运行过程中两者之间具有很强的动态相互影响,这给系统的匹配和运行控制都带来了较大的难度。在研究初级阶段,建立它们各自的动态仿真模型并研究它们之间的动态影响特性对系统方案的设计和动态性能机理的进一步研究具有重要意义。 本文首先建立了微通道重整器的分布参数数学模型和动态仿真模型,充分考虑了通道内的传热、传质过程。通过仿真研究分析了S/C、进口温度对其稳态性能的影响和在一定参数扰动下的动态响应特性,仿真结果与参考文献中的实验数据基本一致。然后设计了一个MCFC发电系统,额定功率118KW,建立了燃料电池系统各部件的仿真模块库,研究了系统在运行过程中这些主要部件之间的动态相互影响。仿真结果表明:同时改变电流密度和燃料流量可以响应负荷的变化并保护燃料电池的工作性能。 最后,为该MCFC系统选择了一个额定功率为30KW的微型燃气轮机,将它们组成一个联合循环系统。对燃气轮机采用特征线法建立了动态数学模型,将C语言编写的仿真模型转化为mex-文件实现了在Matlab环境下与燃料电池系统的连接。这种混合编程法充分吸收了M-文件和C语言各自的优点。通过在Matlab/simulink平台上进行仿真研究,结果显示系统运行稳定后效率可达54.7%。改变燃料电池的燃料流量后,燃料电池功率发生了较大变化,燃机功率变化较小,燃气轮机的流量和转速被控制在允许范围内。 本文所做的工作对熔融碳酸盐燃料电池系统的设计和进一步研究打下基础;对燃料电池与燃气轮机联合循环系统的性能进行了初步预测,为系统的可行性研究,系统方案及其控制系统的设计提供参考。
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