基于引射回流的固体氧化物燃料电池—燃气轮机系统建模与控制策略研究

发布时间：2020-04-29 00:05

【摘要】：随着能源危机和环境问题的日益加重,人类已经意识到可持续发展的重要性,建立高效、清洁、经济的能源结构,开发和利用新能源俨然成为当今国际研究的一大热点。同时严控温室气体、NO_X等污染物排放相关法规的颁布,进一步促进了寻找清洁能源的进程。燃料电池-燃气轮机混合动力系统具有高效率、低排放的优点,被认为是一种极具前景的绿色能源利用技术。由于混合动力系统是一个具有强非线性、多变量、强耦合的高度复杂系统,其热力学特性尚未被完全掌握,并且对混合动力系统控制策略的研究目前还处于探索阶段,尚未形成完整的理论体系,导致系统运行时将面临低效、安全隐患等诸多严重问题。因此,研究混合动力系统建模方法、热力学特性、控制策略设计等关键技术,可为混合动力系统的发展提供必要的技术储备,对混合动力系统实际应用具有重要的指导意义。本文围绕基于阳极和阴极引射器的新型SOFC-GT混合动力系统针对建模方法、控制策略设计两个关键问题展开了研究。引射器具有高可靠性、低维修成本的优点,本文设计了一个基于阳极与阴极引射器的新型SOFC-GT混合动力系统结构,该系统的特点是利用引射器代替引风机实现阳极与阴极高温排气的回流,解决了引风机在高温条件的低可靠性问题。基于模块化建模思想建立了新型SOFC-GT混合动力系统的部件模块库,其中系统中SOFC和引射器两个关键部件模块的误差均在1%以内;结合开发的工质热物性模块形成完整的系统仿真模块库,并搭建了新型SOFC-GT混合动力系统的仿真模型。首先分析了混合动力系统的设计点工况性能,设计的混合动力系统发电功率为328kW,发电效率达到61.88%;然后针对新型混合动力系统的部分负荷运行状况,提出了四种不同的运行方案,通过性能仿真对比和分析了在部分负荷下四种不同运行方案的安全性和高效性,结果表明运行方案4优于其他三种方案;最后研究了混合动力系统燃料量阶跃变化的动态响应过程,总结了该混合动力系统的动态响应特性。接着基于上述的研究成果对设计的新型SOFC-GT混合动力系统展开了两项研究,包括燃料系统非线性特性影响研究和混合动力系统控制策略研究。燃料系统非线性特性研究旨在分析燃料系统伺服执行机构中非线性特性对SOFC-GT系统的影响。首先在混合动力系统本体模型基础上建立含有死区继电特性的燃料系统模型;然后利用该模型研究了不同死区继电特性的影响,结果表明当死区继电宽度较小时,系统会出现振荡;同时基于模糊补偿算法,设计了一个二维模糊补偿器,性能仿真结果表明该补偿器可以有效的抑制死区继电特性引起的振荡;最后设计和搭建了一个伺服执行机构实验系统,通过实验研究了死区继电的影响特性,并验证了模糊补偿器在实际设备的有效性。混合动力系统控制策略研究旨在针对新型的SOFC-GT混合动力系统设计一套控制策略,保证系统安全高效运行。在控制回路设计过程中,除了功率、透平入口温度、燃料利用率、转速等常规控制外,在SOFC的热管理系统中,提出了监控阳极与阴极通道温差的概念,设计了同时控制阳极与阴极入口温度的双控制回路结构,控制性能的仿真结果表明阳极和阴极入口温度的双控制回路结构可以改善系统的动态性能,保证系统安全高效运行。最后,对基于数据驱动的SOFC-GT动态建模方法进行了研究,旨在准确的反映真实机组的实际性能状况。首先结合NARX在非线性系统辨识和LS-SVR在非线性函数回归的优点,提出了一种基于LS-SVR的NARX建模方法;为了尽可能提高模型精度,提出了一种基于PSO的模型训练框架。然后将上述建模方法应用于设计的新型混合动力系统的燃料利用率的模型建立,结果表明采用10-折交叉验证适应度函数以及大容量样本训练的模型精度较高。最后将建立的数据驱动模型应用于燃料利用率控制回路性能仿真研究中,为基于数据驱动的SOFC-GT自适应模型在控制回路设计的研究奠定了基础。
【图文】：

1 研究背景及意义.1 能源结构与环境问题随着人类文明以及经济的迅速发展，能源需求也在持续的增长。据报署（Energy Information Administration, EIA）统计与预测，在 201 25 年间，全球能源的需求量将要增加 28%，其中亚洲（包括中国和、非洲等国家的能源需求增长速度相对较快，平均年增长率将会达到。图 1-1 显示了在这段期间内全球各种类型能源消耗的变化趋势，尽源以及核能是增速相对较快的能源种类，但是化石能源在未来数十年消耗中仍然扮演着十分重要的角色，即使在 2040 年，EIA 预测全球仍将有 78%来自于化石能源，其中石油等液体燃料贡献 31%，煤炭贡然气贡献 21%，而核能仅仅占有 5%，可再生能源占有 17%。

图 1-2 1990-2040 化石燃料产生的 CO2情况[1]Fig. 1-2 Fossil fuel related CO2emissions from 1990-2040对当今日益加重的能源危机以及环境压力，人类已经意识到发展之间的关系，在 20 世纪建立的能源结构体系已经无法需求，建立高效、清洁、经济的能源结构，开发和利用新能研究的一大热点[4]。我国在新能源的开发和利用上紧跟国际的期间新能源的发展取得了重大突破，，并在“十三五”规划中源变化为规模替代化石能源，提出了 2020 年非化石能源比重
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4;TK402

【参考文献】

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本文编号：2644012