论文部分内容阅读
随着传统能源资源的逐渐枯竭以及环境问题日益严峻，节能减排和减缓气候变暖势在必行，分布式混合发电系统因其高效的特点已经引起了全球范围内的关注。熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)是一种在能源转换过程中不经过燃烧，电能直接由电化学反应产生的装置，其发电效率不被“卡诺循环”约束,而熔融碳酸盐燃料电池与微型燃气轮机(Micro Gas Turbine,MGT)耦合构成的分布式混合发电系统有利于进一步提高系统的效率、灵活性和稳定性。
对MCFC-MGT混合发电系统而言，由于不同子系统集成而导致的相互依存关系所产生的瞬态效应还没有得到很好的揭示和理解，因此能够充分发挥数值模拟和实物实验两种研究方法优势的半实物仿真能够在保证仿真结果的精度水平情况下允许增加所研究的系统动力学的自由度，因此，半实物仿真对于MCFC-MGT混合发电系统的研究开发必将是十分有效的工具。半实物仿真方法为具有复杂对象的分布式混合发电系统的研究赋予了全新的内涵，同时也带来了新的挑战，由于半实物仿真方法涉及实物部分和虚拟部分之间的相互作用，采用半实物仿真方法研究分布式混合发电系统存在很多复杂的技术问题，在分布式混合发电系统中，不同的子系统之间存在着质量流与能量流的交换，因此，基于半实物仿真方法构建MCFC-MGT混合发电系统的关键是保持半实物仿真系统的质量、能量和动量与原型系统一致。
本文以微型燃气轮机为实物基础，以零维和一维燃料电池模型为数值模拟子系统，构建MCFC-MGT半实物仿真系统，从工程热物理角度出发研究复杂非线性分布式混合发电系统的半实物仿真体系结构、系统动态特性和燃料电池内部温度、组分的分布对系统特性的影响，从而为构建通用的分布式混合发电系统半实物仿真方法提供理论和实践支撑，本文的研究内容如下：
1)分布式混合发电系统的安全高效运行与各子系统的性能密切相关，对燃料电池性能的了解是对MCFC-MGT混合发电系统性能分析的基础，充分理解电池内部的热传输和电化学反应过程，正确描述燃料电池内部的能源转换过程，有利于建立MCFC的详细数学模型来分析燃料电池性能。因此，本文采用Fortran语言开发了内重整型MCFC的实时集总参数模型和一维分布参数模型，此外，通过动态链接库的方式将该模型嵌入到了APROS仿真平台中，并在MCFC模块上开展了燃料电池的系统动态特性研究。并通过燃料电池的甩负荷工况，研究了电流密度变化对燃料电池内部的温度、电压、气体组分等参数的影响。
2)半实物仿真系统与原型系统在实物结构上存在明显的差异，保证实物系统与原型系统的特性一致的关键是保证质量流、能量流的一致性。因此，本文提出了一种应用于MCFC-MGT半实物仿真系统的物理虚拟模拟(Simulation-Stimulation, Sim-Stim)界面模型，主要包括能量补偿计算模型、压力补偿计算模型和实际的执行机构。进而开发了基于Sim-Stim界面模型的MCFC-MGT混合发电系统的整体模型和原型系统的整体模型，对两个系统模型的动态响应进行对比，研究表明本文所开发的Sim-Stim界面模型可以使半实物仿真系统与原型系统的系统特性保持一致，为解决通用的分布式混合发电系统的半实物仿真系统构建中所面临的各耦合子系统之间能量流和质量流的传递问题提供了一种参考。
3)由于MCFC-MGT半实物仿真系统在启动过程中模拟子系统将与实物子系统耦合，两者之间的响应速度差别巨大，相互影响机理复杂，同时，半实物仿真系统在启动过程中涉及到控制策略的切换，易对实物系统造成冲击，对基于Sim-Stim界面模型的MCFC-MGT半实物仿真系统的进行启动仿真研究，仿真结果表明，将实物子系统与模型子系统分别启动的方案对实物系统冲击小，启动速度快，该半实物仿真系统启动策略合理，可为真实MCFC-MGT半实物仿真系统的启动提供理论依据。
4)以商用MGT为实物核心，APROS作为MCFC模型子系统的运行平台，OPC(OLE forProcess Control, OPC)作为各软、硬件之间的主要数据传输协议，建立了MCFC-MGT半实物仿真系统,为开发用于研究分布式混合发电系统的通用半实物仿真方法奠定了基础。基于建立的一维MCFC-MGT半实物仿真系统开展了不同燃料利用率对系统特性的影响的实验研究，其中燃料利用率变化范围为65%-85%，研究表明75%左右燃料利用率下，本系统各部件工作条件较为适宜；基于集总参数MCFC-MGT半实物仿真系统开展了负荷阶跃实验，研究该混合发电系统对负荷响应的快速性；开展了线性负荷变化瞬态分析，研究了该混合系统对负荷跟踪的稳定性，结果表明该混合发电系统具有负荷响应灵活和稳定的优点。
对MCFC-MGT混合发电系统而言，由于不同子系统集成而导致的相互依存关系所产生的瞬态效应还没有得到很好的揭示和理解，因此能够充分发挥数值模拟和实物实验两种研究方法优势的半实物仿真能够在保证仿真结果的精度水平情况下允许增加所研究的系统动力学的自由度，因此，半实物仿真对于MCFC-MGT混合发电系统的研究开发必将是十分有效的工具。半实物仿真方法为具有复杂对象的分布式混合发电系统的研究赋予了全新的内涵，同时也带来了新的挑战，由于半实物仿真方法涉及实物部分和虚拟部分之间的相互作用，采用半实物仿真方法研究分布式混合发电系统存在很多复杂的技术问题，在分布式混合发电系统中，不同的子系统之间存在着质量流与能量流的交换，因此，基于半实物仿真方法构建MCFC-MGT混合发电系统的关键是保持半实物仿真系统的质量、能量和动量与原型系统一致。
本文以微型燃气轮机为实物基础，以零维和一维燃料电池模型为数值模拟子系统，构建MCFC-MGT半实物仿真系统，从工程热物理角度出发研究复杂非线性分布式混合发电系统的半实物仿真体系结构、系统动态特性和燃料电池内部温度、组分的分布对系统特性的影响，从而为构建通用的分布式混合发电系统半实物仿真方法提供理论和实践支撑，本文的研究内容如下：
1)分布式混合发电系统的安全高效运行与各子系统的性能密切相关，对燃料电池性能的了解是对MCFC-MGT混合发电系统性能分析的基础，充分理解电池内部的热传输和电化学反应过程，正确描述燃料电池内部的能源转换过程，有利于建立MCFC的详细数学模型来分析燃料电池性能。因此，本文采用Fortran语言开发了内重整型MCFC的实时集总参数模型和一维分布参数模型，此外，通过动态链接库的方式将该模型嵌入到了APROS仿真平台中，并在MCFC模块上开展了燃料电池的系统动态特性研究。并通过燃料电池的甩负荷工况，研究了电流密度变化对燃料电池内部的温度、电压、气体组分等参数的影响。
2)半实物仿真系统与原型系统在实物结构上存在明显的差异，保证实物系统与原型系统的特性一致的关键是保证质量流、能量流的一致性。因此，本文提出了一种应用于MCFC-MGT半实物仿真系统的物理虚拟模拟(Simulation-Stimulation, Sim-Stim)界面模型，主要包括能量补偿计算模型、压力补偿计算模型和实际的执行机构。进而开发了基于Sim-Stim界面模型的MCFC-MGT混合发电系统的整体模型和原型系统的整体模型，对两个系统模型的动态响应进行对比，研究表明本文所开发的Sim-Stim界面模型可以使半实物仿真系统与原型系统的系统特性保持一致，为解决通用的分布式混合发电系统的半实物仿真系统构建中所面临的各耦合子系统之间能量流和质量流的传递问题提供了一种参考。
3)由于MCFC-MGT半实物仿真系统在启动过程中模拟子系统将与实物子系统耦合，两者之间的响应速度差别巨大，相互影响机理复杂，同时，半实物仿真系统在启动过程中涉及到控制策略的切换，易对实物系统造成冲击，对基于Sim-Stim界面模型的MCFC-MGT半实物仿真系统的进行启动仿真研究，仿真结果表明，将实物子系统与模型子系统分别启动的方案对实物系统冲击小，启动速度快，该半实物仿真系统启动策略合理，可为真实MCFC-MGT半实物仿真系统的启动提供理论依据。
4)以商用MGT为实物核心，APROS作为MCFC模型子系统的运行平台，OPC(OLE forProcess Control, OPC)作为各软、硬件之间的主要数据传输协议，建立了MCFC-MGT半实物仿真系统,为开发用于研究分布式混合发电系统的通用半实物仿真方法奠定了基础。基于建立的一维MCFC-MGT半实物仿真系统开展了不同燃料利用率对系统特性的影响的实验研究，其中燃料利用率变化范围为65%-85%，研究表明75%左右燃料利用率下，本系统各部件工作条件较为适宜；基于集总参数MCFC-MGT半实物仿真系统开展了负荷阶跃实验，研究该混合发电系统对负荷响应的快速性；开展了线性负荷变化瞬态分析，研究了该混合系统对负荷跟踪的稳定性，结果表明该混合发电系统具有负荷响应灵活和稳定的优点。