ABSTRACT

In this paper, a special software PNVMECA developed by the author is used to study the steady-state performance and dynamic response process of the system when the current and fuel flow change, and a suitable off-design control strategy is designed. The results show that the matching operation between fuel cell and gas turbine is realized by parameter design. The results show that the matching operation between fuel cell and gas turbine is realized by parameter design. In the vicinity of the rated operating conditions of the system, the fuel flow and current can be adjusted separately, and the power regulation range of the system is limited. When the current increases, the fuel cell power and system efficiency increase, but the gas turbine power decreases. With the increase of fuel flow rate, the power of fuel cell and gas engine increases, but the system efficiency decreases. The feasibility of the control strategy is proved under the designed off-design control strategy.

Keywords:SOFC-GT System, Gas Engine, Combined Power System, Simulation

PNVMECA软件计算微型燃机–燃料电池系统变工况性能

徐百汇¹，杨国威^2*，梁前超²，黄潜龙²

¹海军上海基地，上海

²海军工程大学，湖北 武汉

收稿日期：2019年1月26日；录用日期：2019年2月6日；发布日期：2019年2月20日

摘 要

本文采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，并设计了合适的变工况控制策略。结果表明通过参数设计实现了燃料电池与燃气轮机的良好匹配运行。在系统额定工况附近，单独调节燃料流量和电流大小，对系统功率调节范围有限。电流增大时，燃料电池功率和系统效率都增加，但燃机功率下降。燃料流量增大时，电池和燃机功率都增大，但系统效率减小。在设计的变工况控制策略下，证明了控制策略的可行性。

关键词 :SOFC-GT系统，燃气轮机，联合动力系统，仿真

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

船舶在航行过程中，SOFC-GT联合发电系统受到周围条件变化的影响(如环境温度、负载、燃料流量等的变化)，不可能一直处于额定工况下工作。而且船舶电网是一个容量较小独立运行的电力系统，负荷的改变也会对电网产生冲击 [1] ，这就要求发电设备具有良好的变工况调节能力。因此，研究系统的变工况性能具有十分重要的理论意义。电流和燃料流量突减时，由于燃料电池热惯性以及电压不能突变，系统动态响应具有一定的滞后性 [2] 。由于受到系统中催化燃烧室和换热器等部件容积惯性和热惯性的影响，燃机动态响应相对燃料电池较慢 [3] 。在设计的变工况控制策略下，系统工况调节范围为51.28%~100%。系统效率随工况降低先增加后减小，在60%~100%工况区间时，系统效率在60%以上 [4] ，证明了控制策略的可行性。低工况下燃机效率将急剧下降，无法保证正常运行，系统效率也降低 [5] 。

2. 联合发电系统控制策略

SOFC-GT联合发电系统是一个多变量耦合的复杂系统，由前分析可知，单独改变电流、燃料流量等参数对系统工况的调节范围很小。本文采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，构建了150 kW级船用SOFC-GT联合发电系统模型 [6] ，对系统参数进行了设计，通过仿真得到了系统额定工况的性能参数。燃料利用率、水碳比、SOFC工作温度、涡轮前温等都是系统运行时的重要控制参数 [7] ，系统变工况条件下必须保持以上参数稳定在一定范围内。为实现联合发电系统变工况下的安全稳定运行，需制定合适的变工况控制策略。系统中SOFC的功率占比达到80%，GT的功率占比较小，而且GT的功率调节范围相对较小，所以系统的变工况调节应主要调节SOFC的功率。

根据SOFC变工况性能研究，改变SOFC功率可以通过调节燃料流量和电流的大小，对于GT功率则主要是通过调节流量、转速和涡轮前温等参数来进行调节。本文采取如下控制策略：通过调节燃料流量改变系统输出功率，同时调节电流保证燃料利用率的稳定，并调节GT流量保证SOFC工作温度的稳定。随着燃料流量的减小，进入催化燃烧室的燃料流量降低，燃烧后的尾气温度降低，涡轮前温不断下降，涡轮前温变化，51.28%工况下涡轮前温为1075 K，相对于额定工况时下降超过100 K。温度过低将会导致涡轮输出功率急剧下降，此时可以向催化燃烧室内补充燃料提高涡轮前温，但这会造成系统热效率降低。所以在采本文用的调节策略下，SOFC-GT系统的工况调节范围为51.28%~100%。

3. 系统变工况性能分析

采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，并设计合适的变工况控制策略。通过参数设计实现了燃料电池与燃气轮机的良好匹配运行燃料电池功率和系统效率都增加，但燃机功率下降。燃料流量增大时，电池和燃机功率都增大，但系统效率减小。

图1和图2显示了变工况下燃料流量和空气流量变化情况。燃料流量随工况降低而减小，为了保证电堆温度不变，空气流量也随之减小。空气流量通过改变压气机转速进行调节，随着工况降低，GT的转速降低，压气机进气量减小。工况为51.28%时，GT转速降至70,000 rpm，接近喘振边界线，工况继续降低时，压气机将发生喘振，所以在本文采用的调节策略下，SOFC-GT系统的工况调节范围为51.28%~100%。

为保证SOFC的燃料利用率不变，改变燃料流量大小时，必须同时调节放电电流的大小。图3显示了各工况下SOFC的电流大小，电流随工况降低而下降，通过调节电流大小使燃料利用率始终保持在85%左右。由于电池温度不变，电流密度降低，使电池欧姆极化降低，电池输出电压小幅上升，单电池输出电压曲线如图4所示，燃料电池由额定工况降至51.28%工况时，单电池电压由0.623 V升至0.716 V。

随着燃料流量的减小，进入催化燃烧室的燃料流量降低，燃烧后的尾气温度降低，涡轮前温不断下降，涡轮前温变化曲线如图5所示，51.28%工况下涡轮前温为1075 K，相对于额定工况时下降超过100 K。温度过低将会导致涡轮输出功率急剧下降，此时可以向催化燃烧室内补充燃料提高涡轮前温，但这会造成系统热效率降低。

图1. 变工况下燃料流量变化曲线

图2. 变工况下空气流量变化曲线

图3. 变工况电流变化曲线

图4. 变工况电压变化曲线

图5. 变工况下涡轮前温变化曲线

SOFC、GT和系统功率变化曲线如图6所示，系统工况降低时，涡轮前温和压气机流量同时减小，导致GT输出功率迅速减小。系统处于51.28%工况时，GT输出功率降为0.7 kW，若系统工况继续降低，GT将无法工作，系统功率完全由SOFC提供。由图7是GT和SOFC的功率比变化曲线可以看出，P_GT/P_SOFC随工况降低而减小，SOFC功率占系统总功率比重不断提高，系统总功率变化和SOFC功率变化趋于一致。

图6. 变工况下各部分功率变化曲线

图7. 变工况下燃机/燃料电池功率比

由于保持燃料电池温度不变，系统工况降低时，SOFC电效率提高，燃机采取变转速调节，其功率不断降低，所以系统总效率先上升后下降。如图8所示，88.83%工况时系统总效率为64.10%，高于额定工况效率，51.28%时系统总效率为58.77%，接近SOFC效率。系统由额定工况降至90%工况时，燃机功率减小，但减小量不大，SOFC电效率升高，系统总效率升高。系统由90%工况降至51.28%工况时，燃机性能恶化，功率迅速下降，虽然SOFC效率提升，但系统总效率下降，越来越接近于SOFC效率。

图8. 系统变工况效率曲线

4. 小结

对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行了研究，并设计了合适的变工况控制策略。结果表明：

1) 通过参数设计实现了燃料电池与燃气轮机的良好匹配运行。设计点工况下，系统总功率达到153.32 kW，其中燃料电池功率122.6 kW，燃机功率30.72 kW，系统效率为63.70%，远高于一般发电系统。

2) 在系统额定工况附近，单独调节燃料流量和电流大小，对系统功率调节范围有限。电流增大时，燃料电池功率和系统效率都增加，但燃机功率下降。燃料流量增大时，电池和燃机功率都增大，但系统效率减小。

3) 电流和燃料流量突减时，由于燃料电池热惯性以及电压不能突变，系统动态响应具有一定的滞后性。由于受到系统中催化燃烧室和换热器等部件容积惯性和热惯性的影响，燃机动态响应相对燃料电池较慢。

4) SOFC-GT系统在变工况时，系统工况调节范围为51.28%~100%。系统效率随工况降低先增加后减小，在60%~100%工况区间时，系统效率在60%以上，证明了控制策略的可行性。低工况下燃机效率将急剧下降，无法保证正常运行，系统效率也降低。SOFC-GT联合发电系统受环境温度、负载、燃料流量等影响较大，一个容量较小独立运行的电力系统的负荷改变会对电网产生很多冲击，这就要求发电设备具有良好的变工况调节能力。因此，研究系统的变工况性能具有十分重要的指导作用和极大的理论意义。

基金项目

国防科技创新基金资助项目(18-163-13-ZT-001-001-04)。

文章引用

徐百汇,杨国威,梁前超,黄潜龙. PNVMECA软件计算微型燃机–燃料电池系统变工况性能
Calculating Variable Condition Performance of Micro-Gas Turbine-Fuel Cell System by PNVMECA Software[J]. 动力系统与控制, 2019, 08(02): 41-47. https://doi.org/10.12677/DSC.2019.82005

参考文献