劉運(yùn)新， 馬 川

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 山東 青島 266071)

一種新型船用燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模

劉運(yùn)新， 馬 川

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 山東 青島 266071)

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)與微型燃?xì)廨啓C(jī)(Micro Gas Turbine, MGT)相結(jié)合的混合動(dòng)力系統(tǒng)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種很有發(fā)展前景的船舶動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高效(效率高達(dá)80%)和低排(污染廢氣排放幾乎為零)的目標(biāo),但其作為一種船舶動(dòng)力系統(tǒng)，控制關(guān)鍵是保持SOFC化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生動(dòng)力與MGT旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生動(dòng)力的平衡。在建立系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，提出混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制方案。為獲得最大的效率，對(duì)SOFC的堆棧溫度、燃料流量、燃料利用率和對(duì)應(yīng)功率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究。同時(shí)，提出SOFC與MGT兩種動(dòng)力系統(tǒng)之間動(dòng)力分配的控制方法。結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能有效控制該混合動(dòng)力系統(tǒng)，使其獨(dú)立承擔(dān)適當(dāng)?shù)呢?fù)荷和適應(yīng)負(fù)荷的變動(dòng)。

船舶工程； 燃料電池； 渦輪機(jī)； 控制策略； 電功率； 載荷變化

Abstract: The Solid Oxide Fuel Cell and Micro Gas Turbine (SOFC-MGT) hybrid system is a newly developed and promising power system for ships. Compared with conventional power plants on ships, the technology can achieve a high efficiency (up to 80 percent) with a very low emission (down to zero). However, working as a marine power provider onboard ship, the control strategy of the hybrid system is challenged due to the requirement for the balance between power generation from the chemical reaction in SOFC and that from mechanical rotation of MGT. The system model is constructed and the control strategy is proposed for the hybrid power system. In order to get the maximum efficiency, the control of key parameters of the SOFC, covering stack temperature, fuel flow rate, fuel utilization and related power, are investigated. The control of load allocation between the two power sources, SOFC and MGT, is proposed. The simulation results demonstrate that the control system can guarantee the effective operation of the SOFC and MGT hybrid system under the condition of load variation.

Keywords: ship engineering; fuel cell; turbine; control strategy; electric power; load change

面對(duì)全球日益嚴(yán)格的防污染公約，傳統(tǒng)的船用柴油機(jī)很難滿足國(guó)家和國(guó)際的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。一方面，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)者和使用者必須在設(shè)計(jì)和管理上加大投入來(lái)改善柴油機(jī)的燃燒質(zhì)量；另一方面，船公司需加大投資，通過(guò)各種物理和化學(xué)方法來(lái)處理柴油機(jī)的尾氣，減少排放。目前，有關(guān)固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的研究主要針對(duì)的是陸用燃料電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，已取得一些重要技術(shù)成果。這里嘗試開(kāi)發(fā)一種SOFC與微型燃?xì)廨啓C(jī)(Micro Gas Turbine，MGT)相結(jié)合的新型船舶動(dòng)力系統(tǒng)。SOFC通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接消耗天然氣產(chǎn)生電能，而MGT則把SOFC發(fā)電后所產(chǎn)生廢氣的熱能轉(zhuǎn)換為電能，從而進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

1 SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)模型

1.1管式SOFC系統(tǒng)描述

SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)見(jiàn)圖1，其以西門子管式SOFC為基礎(chǔ)，可用來(lái)產(chǎn)生電能，同時(shí)廢氣中還含有可利用的熱能。[1]在該管式SOFC系統(tǒng)中，甲烷(1)通過(guò)閥(2，6)和脫硫環(huán)節(jié)(3)輸送到重整器(9)，在重整器中發(fā)生自熱重整化學(xué)反應(yīng)生成氫氣，然后輸送到電池的外部(11)。空氣(20)由風(fēng)機(jī)(18)吸入，通過(guò)空氣過(guò)濾器(19)送入換熱器(16)；在這里，空氣被SOFC的廢氣加熱，加熱后的空氣通過(guò)空氣容器(12)和空氣供應(yīng)管(8)分配到電池組?？諝鈴目諝夤?yīng)管(8)的末端回流到電池(11)內(nèi)部與電池內(nèi)的氫發(fā)生反應(yīng)。由此，電池堆內(nèi)的氧和氫發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，并排出高溫廢氣(24)。此外，系統(tǒng)中還設(shè)有燃燒室(14)，需要時(shí)過(guò)量的氫氣和部分輸入的天然氣可在其中燃燒以便為燃?xì)廨啓C(jī)提供更多能量或?yàn)镾OFC堆保持適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

圖1 SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)

MGT系統(tǒng)用來(lái)產(chǎn)生電能。SOFC系統(tǒng)的廢氣中含有的熱能一部分通過(guò)熱交換器(25)被提取，另一部分被MGT(26)轉(zhuǎn)換為電能。

1.2SOFC模型

SOFC模型主要由重整子模型和電化學(xué)子模型2部分組成，其中：重整子模型是將甲烷(天然氣)轉(zhuǎn)化為氫、一氧化碳和二氧化碳，轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)式(1)和式(2)；電化學(xué)子模型中，氫與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生電流，過(guò)程見(jiàn)式(3)～式(5)。

CH4+H2O(x)→CO+3H2

(1)

CO+H2O(y)→CO2+H2

(2)

(3)

H2→2H++2e-

(4)

O2+2e-+2H+→H2O

(5)

式(1)～式(5)中：x，y和z分別為CH4，CO及H2的轉(zhuǎn)化率(摩爾流量)。

在研究SOFC系統(tǒng)時(shí),作出以下假設(shè)。

1) 所有氣體都是理想氣體，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)相變。

2) 所有電池的外壁都是絕熱的，沒(méi)有通過(guò)電池的熱能交換。

3) 電池內(nèi)的氣體分布均勻且沒(méi)有變化。

4) 沿流動(dòng)方向的變化是一維的。

基于上述假設(shè)，根據(jù)一定溫度與壓力條件下的物理和化學(xué)反應(yīng)特性，可通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算出氫的輸出量。在式(3)中，電流(功率)通過(guò)外部電路產(chǎn)生,其他相關(guān)成分(包括H2，CO，CO2和H2O)也由此產(chǎn)生。使用MATLAB-Simulink軟件，可對(duì)重整和電化學(xué)過(guò)程進(jìn)行建模。[2]燃料電池的實(shí)際電壓和電流的主方程式可分別表示為

(6)

(7)

1.3MGT模型

MGT的工作輸出可通過(guò)焓變和SOFC的排氣流量計(jì)算,其等熵功率(Wise)、實(shí)際輸出功率(Wact)和渦輪的出口溫度(Tt，out)可表示為

(8)

Wact=ηtWise

(9)

(10)

2 SOFC / MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制

2.1開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)的控制方案

在設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中,保持適當(dāng)?shù)娜剂虾涂諝饬髁縼?lái)產(chǎn)生輸出功率是十分關(guān)鍵的。在混合動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)之前，應(yīng)檢查SOFC和MGT子系統(tǒng)及其他相關(guān)設(shè)備，包括堆棧、掃氣箱掃氣、燃料、閥門位置、過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、泵、電池及潤(rùn)滑油、冷卻水(或油)等，無(wú)論是在手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式下，都使其處在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)或位置。[3]在啟動(dòng)過(guò)程中，SOFC堆必須先緩慢加熱達(dá)到足夠高溫度以使CH4和H2O在燃料重整器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，需要供給一些額外的燃料在燃料重整器中燃燒以便為SOFC堆棧預(yù)熱，使其達(dá)到合適的溫度?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)將按照以下控制方案啟動(dòng)。

1) 激活啟動(dòng)程序。

2) 線性控制關(guān)閉燃料旁通閥；操控流量控制閥(7)減少輔助燃料的初始值；通過(guò)調(diào)節(jié)閥(23)控制燃燒室的廢氣排量，并控制進(jìn)棧的空氣流量，以便提高堆棧溫度。

3) 關(guān)閉吹掃氣體閥(5)，停止惰性氣體(4)的供應(yīng)。

4) 當(dāng)堆棧溫度達(dá)到要求的數(shù)值時(shí)，逐漸減少，直至切斷燃燒器的燃料供應(yīng)和空氣供應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)燃料和燃燒空氣供應(yīng)減少到零時(shí)，電池堆的燃料利用率應(yīng)達(dá)到約0.85。

5) 通過(guò)增加甲烷流量來(lái)緩慢增大燃料電池的輸出功率。

6) SOFC的操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開(kāi)始運(yùn)行MGT子系統(tǒng)。

相反，在停機(jī)過(guò)程中，應(yīng)先關(guān)閉MGT子系統(tǒng)，再逐漸停止SOFC系統(tǒng)。該控制方案如下。

1) 在關(guān)機(jī)的早期階段，通過(guò)緩慢打開(kāi)旁通閥(21)，減小供入MGT系統(tǒng)的廢氣流量和壓力，直到MGT輸出功率減小為零；然后從輸電線上解列轉(zhuǎn)換器(28)。

2) 關(guān)閉SOFC系統(tǒng)的功率輸出，包括停止燃燒器、解除轉(zhuǎn)換器(31)及關(guān)閉燃料閥(6，1)。然后，SOFC系統(tǒng)進(jìn)入冷卻狀態(tài)，惰性氣體經(jīng)閥(5)被送入燃料電池，以防止電池正極材料在溫度超過(guò)限定值時(shí)發(fā)生氧化。

3) 不斷增加排氣節(jié)流閥(21)的開(kāi)度來(lái)增大空氣流量，直到閥(21)全開(kāi)。用線性控制打開(kāi)換熱器(16)的旁路閥(22)，使電池堆進(jìn)一步冷卻到一個(gè)較低的溫度。

4) 一旦堆棧冷卻到規(guī)定的溫度，SOFC系統(tǒng)也將被轉(zhuǎn)換到待機(jī)狀態(tài)。

2.2負(fù)載變化過(guò)程中的功率控制方案

負(fù)載變化會(huì)給SOFC帶來(lái)突然沖擊，功率控制方案主要用來(lái)保持SOFC系統(tǒng)的工作處于穩(wěn)定狀態(tài)或控制其在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。在正常工作中，當(dāng)外界負(fù)荷增加時(shí)，控制器會(huì)立即將電池或超級(jí)電容器與電源板相連(見(jiàn)圖2)。因此，在負(fù)載變化后的一小段時(shí)間內(nèi)，SOFC的輸出功率可緩慢增大到一定值，且MGT也會(huì)輸出所需的相應(yīng)功率。電池輸出功率將匹配剩余的負(fù)載。相反，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，將通過(guò)開(kāi)啟廢氣旁通閥(21)迅速減少流入MGT的廢氣量，以相應(yīng)減小MGT的輸出功率。這使SOFC在一定時(shí)間內(nèi)以線性坡道平穩(wěn)降低其功率輸出，然后旁通閥線性坡道關(guān)閉以逐步提高M(jìn)GT的功率輸出，直至達(dá)到一個(gè)較低數(shù)值的功率平衡。當(dāng)負(fù)載突然降低時(shí)，控制器會(huì)計(jì)算SOFC系統(tǒng)下降的功率、旁通閥的開(kāi)度及用于SOFC和MGT的斜坡延伸。在圖2中，過(guò)渡過(guò)程被簡(jiǎn)化為一個(gè)線性過(guò)程。

圖2 各部分的功率輸出變化圖

2.3SOFC-MGT混合動(dòng)力控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

控制SOFC和MGT子系統(tǒng)，使其穩(wěn)定工作是一種挑戰(zhàn)。[3]因?yàn)樵诟邷叵?SOFC中發(fā)生著復(fù)雜的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，機(jī)械轉(zhuǎn)子在MGT中高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)MGT利用的是SOFC所排出廢氣的能量，這些都使得系統(tǒng)的控制較為復(fù)雜。 ZHU等[4]分別研究燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池系統(tǒng)模型，并將其結(jié)合為一個(gè)綜合系統(tǒng)。STILLER等[5]，JIANG等[6]和MILEWSKI等[7]分別開(kāi)發(fā)SOFC和MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制方案。目前對(duì)SOFC和MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)隨負(fù)荷變化進(jìn)行功率共享的研究還較少，這里所研究的SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方案經(jīng)驗(yàn)證較為實(shí)用。圖3為SOFC-MGT混合動(dòng)力控制系統(tǒng)，主要有3個(gè)控制器，分別進(jìn)行溫度控制、燃料使用控制和功率控制。

2.3.1溫度控制

溫度控制的一個(gè)主要目標(biāo)是保持SOFC工作需要的溫度恒定。這是因?yàn)楫?dāng)SOFC的工作溫度超過(guò)最大值或上升太快時(shí)，熱應(yīng)力和熱疲勞會(huì)降低燃料電池的性能,甚至影響其使用壽命。[8]在這里，SOFC電堆的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣流量和燃燒器的排氣流量實(shí)現(xiàn)的。其設(shè)定的溫度約為1 000 ℃，允許的最高溫度應(yīng)<1 050 ℃。圖3中，若堆棧反饋溫度低于或高于設(shè)定值，其偏差值將被發(fā)送到溫度控制器，該控制器將發(fā)出PID控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入堆棧的空氣流量，調(diào)節(jié)幅度取決于上述偏差值的大小和功率控制器反饋的信號(hào)。功率控制器的信號(hào)反映SOFC輸出功率與所供空氣流量之間的關(guān)系。若堆棧的溫度太低，則溫度控制器可啟動(dòng)輔助燃燒器并增加燃料流量。

圖3 SOFC-MGT混合動(dòng)力控制系統(tǒng)

2.3.2系統(tǒng)功率和燃料利用率的控制

在SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)中，SOFC產(chǎn)生幾乎2/3的系統(tǒng)電力輸出功率，該輸出功率會(huì)影響MGT的輸出功率。因此，SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)功率控制的關(guān)鍵在于SOFC的輸出控制。功率控制器的主要功能是控制燃料流量;同時(shí)，燃料利用率(Uf)也必須控制。因?yàn)樵谙嗤妮敵龉β氏拢粋€(gè)SOFC可以有不同的燃料流量和燃料利用率。如圖3所示，電力負(fù)荷(作為一個(gè)設(shè)定值)將與輸出功率(反饋)相比較，其偏差信號(hào)會(huì)被輸送到功率控制器。[9-10]控制器有3個(gè)輸出信號(hào):第1個(gè)信號(hào)發(fā)送至燃料流量控制器，該控制器綜合考慮燃料利用率設(shè)定值與反饋值的偏差后，發(fā)出PID控制信號(hào)對(duì)燃料流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；第2個(gè)信號(hào)發(fā)送至前述溫度控制器；第3個(gè)信號(hào)(PI)通過(guò)調(diào)節(jié)SOFC的電壓來(lái)控制其功率輸出。通常情況下，燃料利用率(Uf)設(shè)定為85%左右。在考慮燃料利用率的前提下，功率控制器可隨負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)燃料流量。

3 結(jié)果與討論

在不同的輸出功率下，SOFC堆棧溫度、MGT入口溫度(TIT)和MGT出口溫度(TOT)的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。由圖4可知，SOFC堆棧溫度幾乎保持不變，MGT入口溫度(TIT)隨輸出功率的增大而增大，MGT出口溫度(TOT)隨輸出功率的增大而下降(原因是MGT效率提高)。在不同的負(fù)載下，SOFC和MGT的輸出功率按一定規(guī)律分配(見(jiàn)圖5)。在設(shè)計(jì)負(fù)載工況下，混合動(dòng)力系統(tǒng)的總輸出功率為210 kW，其中：約150 kW由SOFC產(chǎn)生；約60 kW由MGT產(chǎn)生。

圖4 不同輸出功率下各部分的溫度變化

圖5 不同負(fù)載下各部分的輸出功率

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)應(yīng)用于船舶的SOFC-MGT混合動(dòng)力系統(tǒng)的SOFC的改進(jìn)和燃料電池堆等進(jìn)行分析。[10]在改進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析和討論應(yīng)用新控制方案的動(dòng)態(tài)模型。新開(kāi)發(fā)的控制方案不僅能對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)、關(guān)閉、負(fù)荷承擔(dān)和負(fù)荷變化過(guò)程進(jìn)行良好的控制，還能在負(fù)載突然變化時(shí)對(duì)SOFC電池堆進(jìn)行保護(hù)。新方案能對(duì)燃油流量、空氣流量、SOFC電堆溫度及MGT的入口和出口溫度進(jìn)行良好的控制，以便提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率。

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ShipFuelCellHybridPowerSystemModelling

LIUYunxin，MAChuan

(Marine Engineering Department, Qingdao Ocean Shipping Mariner's College，Qingdao 266071, China)

2015-12-11

劉運(yùn)新(1969—), 男, 山東青島人，副教授，主要從事船舶輔機(jī)、船舶新型動(dòng)力系統(tǒng)及船舶自動(dòng)與智能化方面的研究。 E-mail: liuyx@coscoqmc.com.cn

1000-4653(2016)01-0013-04

TM911.4; U665.1

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