以木片气为燃料的中温型固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统性能研究
发布时间：2021-11-17 00:24
以木片气化气为燃料,建立中温型固体氧化物燃料电池（intermediate temperature solid oxide fuel cell,IT-SOFC）/燃气轮机（gas turbine,GT）混合动力系统的详细模型,分析混合动力系统的运行性能,研究生物质气的组分和水碳比的变化对混合动力系统性能的影响。结果表明,在设计工况下,以木片气化气为燃料的IT-SOFC/GT混合动力系统的发电效率高达59.24%,具有较好的系统性能。生物质气组分的变化对混合动力系统性能影响很大,H2百分比的变化使系统输出功率变化幅度最大,CO和CH4相近,系统的发电效率随H2百分比增加略有上升,随CO和CH4百分比的增加下降明显。研究还表明,当水碳摩尔比（[S]/[C]）改变时,系统输出功率和发电效率随着[S]/[C]的减小而逐渐增加,但从系统运行安全性和寿命方面考虑,应选择适当的[S]/[C]值。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2015,35(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
压气机特性曲线
η=(27)式中：mg为燃气流量，kg/s；T3和T4分别为透平入口和出口温度，K；P3为入口压力，MPa；lg为燃气绝热指数；cpg为燃气平均比热，kJ/(kgK)；λ为膨胀比；Pt为透平做功，kW。压气机喘振裕度是用来衡量工作点与喘振边界的距离，计算公式如下：a1ssurge1sa1wwork1[/()]{1}[/()]mTPkmTPππΔ=(28)式中：Δks为喘振裕度；πs为压气机喘振线压比；πw为压气机工作点压比。所选用的燃气轮机的压气机采用离心式，透平采用向心式，图2和图3所示为压气机和透平特性曲线[20]。压比β=14.54.03.53.02.52.00.20.40.60.81.0无量纲质量流量β=0折合转速设计点喘振线0.50.60.70.80.91.0图2压气机特性曲线Fig.2Compressorcharacteristiccurve1.4重整器模型系统采用以木片为气化原料的生物质气，由4.53%CH4、23.64%H2、13.87%CO、17.92%CO2和40.04%N2组成[23]，热值为6077.4kJ/kg。生物质气率效%/908070601.22.02.83.6膨胀比0.50.60.71.11.00.80.9设计点折合转速图3透平特性曲线Fig.3Turbinecharacteristiccurve中含有CO、CH4等成分，经过重整进入电池参与反应。甲烷在重整器中与水蒸气的重整反应生成H2、CO，CO通过水蒸气置换反应转化H2、CO2，为了防止燃料电池积碳，维持重整器的安全运行，应选取适当的[S]/[C][13]。重整反应:422CH+HOCO+3H(29)水蒸气的置换反应：222CO+HOCO+H(30)重整器输出的H2量和处于平衡状态的CH4重整反应产生的H2量以及水蒸气置换反应产生的H2量有关，表达式如下：224H,totH,inCO,eqCH
忍荻任?.77K/cm；压气机的喘振裕度为18.41%，均满足表3的要求，说明混合动力系统参数选取和设计是合理的。2.2生物质气组分对系统性能的影响由于生物质原料成分、密度等变化很大，生物质气的组分也会变化，常导致系统运行偏离设计工况。在保持电流密度不变、燃料流量不变的情况下，考虑某一种组分(CO、H2、CH4)浓度百分比变化(20%~+20%范围内)时，对混合动力系统性能的影响(注：计算中，当一种有效燃料组分变化时，其他组分在剩下的体积中，保持初始的比例不变)。每一种组分变化对混合动力系统性能的影响如图4—7所示。由图4可看出，随着浓度百分比的增加，电池出口温度和电压均有所增加。这是因为当木片气中度温K/80120120膨胀比COH2CH40.850.810.770.730.690.65104010321008100010241016压电V/图4电池工作温度和电压的变化情况Fig.4Fuelcellworkingtemperatureandvoltagevariation率功kW/80120120组分相对比例/%COH2CH4555249464340140132108100124110率效%/图5电池输出功率和效率的变化情况Fig.5Fuelcelloutputpowerandelectricalefficiencyvariation度温K/80120120组分相对比例/%COH2CH4124011921048100011441096压电V/565452504846图6透平入口温度和输出功率的变化情况Fig.6Turbineinlettemperatureandoutputpowervariation率功kW/80120120组分相对比例/%COH2CH4676563615957190180150170160率效%/图7系统输出功率和发电效率的变化情况Fig.7Systemoutputpowerandelectricalefficiencyvariation的H2浓度增加时，CO和CH4
【参考文献】：
期刊论文
[1]中温固体氧化物燃料电池优势和挑战的简要评述(英文)[J]. 蒋三平. 电化学. 2012(06)
[2]熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合动力系统启动停机过程特性分析[J]. 刘爱虢,翁一武. 中国电机工程学报. 2012(17)
[3]固体氧化物燃料电池关键材料及电池堆技术[J]. 陈建颖,曾凡蓉,王绍荣,陈玮,郑学斌. 化学进展. 2011(Z1)
[4]固体氧化物燃料电池–燃气轮机混合动力系统的性能及控制策略分析[J]. 李杨,翁一武. 中国电机工程学报. 2010(35)
[5]不同控制方式对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合动力系统运行特性的影响[J]. 刘爱虢,翁一武. 中国电机工程学报. 2009(35)
[6]生物质气化发电技术的现状及发展趋势[J]. 欧训民. 能源技术. 2009(02)
[7]固体氧化物燃料电池高效利用生物质气前景分析[J]. 朱庆山. 过程工程学报. 2007(02)
[8]燃料电池-燃气轮机混合发电系统性能研究[J]. 陈启梅,翁一武,翁史烈,朱新坚. 中国电机工程学报. 2006(04)
[9]固体氧化物燃料电池[J]. 彭苏萍,韩敏芳,杨翠柏,王玉倩. 物理. 2004(02)
博士论文
[1]中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究[D]. 杨杰.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]生物质气燃料电池—燃气轮机混合动力系统特性分析[D]. 姚振鹏.上海交通大学 2012
[2]中温固体氧化物燃料电池联合系统分析及实验研究[D]. 袁哲.中国科学技术大学 2009
[3]中温平板型SOFC电堆的模拟与控制[D]. 刘洋.上海交通大学 2008
本文编号：3499858
【文章来源】：中国电机工程学报. 2015,35(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
压气机特性曲线
η=(27)式中：mg为燃气流量，kg/s；T3和T4分别为透平入口和出口温度，K；P3为入口压力，MPa；lg为燃气绝热指数；cpg为燃气平均比热，kJ/(kgK)；λ为膨胀比；Pt为透平做功，kW。压气机喘振裕度是用来衡量工作点与喘振边界的距离，计算公式如下：a1ssurge1sa1wwork1[/()]{1}[/()]mTPkmTPππΔ=(28)式中：Δks为喘振裕度；πs为压气机喘振线压比；πw为压气机工作点压比。所选用的燃气轮机的压气机采用离心式，透平采用向心式，图2和图3所示为压气机和透平特性曲线[20]。压比β=14.54.03.53.02.52.00.20.40.60.81.0无量纲质量流量β=0折合转速设计点喘振线0.50.60.70.80.91.0图2压气机特性曲线Fig.2Compressorcharacteristiccurve1.4重整器模型系统采用以木片为气化原料的生物质气，由4.53%CH4、23.64%H2、13.87%CO、17.92%CO2和40.04%N2组成[23]，热值为6077.4kJ/kg。生物质气率效%/908070601.22.02.83.6膨胀比0.50.60.71.11.00.80.9设计点折合转速图3透平特性曲线Fig.3Turbinecharacteristiccurve中含有CO、CH4等成分，经过重整进入电池参与反应。甲烷在重整器中与水蒸气的重整反应生成H2、CO，CO通过水蒸气置换反应转化H2、CO2，为了防止燃料电池积碳，维持重整器的安全运行，应选取适当的[S]/[C][13]。重整反应:422CH+HOCO+3H(29)水蒸气的置换反应：222CO+HOCO+H(30)重整器输出的H2量和处于平衡状态的CH4重整反应产生的H2量以及水蒸气置换反应产生的H2量有关，表达式如下：224H,totH,inCO,eqCH
忍荻任?.77K/cm；压气机的喘振裕度为18.41%，均满足表3的要求，说明混合动力系统参数选取和设计是合理的。2.2生物质气组分对系统性能的影响由于生物质原料成分、密度等变化很大，生物质气的组分也会变化，常导致系统运行偏离设计工况。在保持电流密度不变、燃料流量不变的情况下，考虑某一种组分(CO、H2、CH4)浓度百分比变化(20%~+20%范围内)时，对混合动力系统性能的影响(注：计算中，当一种有效燃料组分变化时，其他组分在剩下的体积中，保持初始的比例不变)。每一种组分变化对混合动力系统性能的影响如图4—7所示。由图4可看出，随着浓度百分比的增加，电池出口温度和电压均有所增加。这是因为当木片气中度温K/80120120膨胀比COH2CH40.850.810.770.730.690.65104010321008100010241016压电V/图4电池工作温度和电压的变化情况Fig.4Fuelcellworkingtemperatureandvoltagevariation率功kW/80120120组分相对比例/%COH2CH4555249464340140132108100124110率效%/图5电池输出功率和效率的变化情况Fig.5Fuelcelloutputpowerandelectricalefficiencyvariation度温K/80120120组分相对比例/%COH2CH4124011921048100011441096压电V/565452504846图6透平入口温度和输出功率的变化情况Fig.6Turbineinlettemperatureandoutputpowervariation率功kW/80120120组分相对比例/%COH2CH4676563615957190180150170160率效%/图7系统输出功率和发电效率的变化情况Fig.7Systemoutputpowerandelectricalefficiencyvariation的H2浓度增加时，CO和CH4
【参考文献】：
期刊论文
[1]中温固体氧化物燃料电池优势和挑战的简要评述(英文)[J]. 蒋三平. 电化学. 2012(06)
[2]熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合动力系统启动停机过程特性分析[J]. 刘爱虢,翁一武. 中国电机工程学报. 2012(17)
[3]固体氧化物燃料电池关键材料及电池堆技术[J]. 陈建颖,曾凡蓉,王绍荣,陈玮,郑学斌. 化学进展. 2011(Z1)
[4]固体氧化物燃料电池–燃气轮机混合动力系统的性能及控制策略分析[J]. 李杨,翁一武. 中国电机工程学报. 2010(35)
[5]不同控制方式对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合动力系统运行特性的影响[J]. 刘爱虢,翁一武. 中国电机工程学报. 2009(35)
[6]生物质气化发电技术的现状及发展趋势[J]. 欧训民. 能源技术. 2009(02)
[7]固体氧化物燃料电池高效利用生物质气前景分析[J]. 朱庆山. 过程工程学报. 2007(02)
[8]燃料电池-燃气轮机混合发电系统性能研究[J]. 陈启梅,翁一武,翁史烈,朱新坚. 中国电机工程学报. 2006(04)
[9]固体氧化物燃料电池[J]. 彭苏萍,韩敏芳,杨翠柏,王玉倩. 物理. 2004(02)
博士论文
[1]中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究[D]. 杨杰.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]生物质气燃料电池—燃气轮机混合动力系统特性分析[D]. 姚振鹏.上海交通大学 2012
[2]中温固体氧化物燃料电池联合系统分析及实验研究[D]. 袁哲.中国科学技术大学 2009
[3]中温平板型SOFC电堆的模拟与控制[D]. 刘洋.上海交通大学 2008
本文编号：3499858
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