SOFC/Micro-GT混合循环系统性能分析

基于总能系统概念讨论固体氧化物燃料电池/微型燃气轮机(SOFC/Micro-GT)间接混合发电系统及其特点,建立SOFC电池堆及系统的物理、数学模型,对700kW级混合系统的稳态全负荷运行工况进行分析,结果表明混合系统净发电效率可达68.3%,加上回收的余热,系统整体热效率可达82.9%。该文还探讨了燃料利用率、平均电流密度、电池温度、压力及蒸汽/碳比等主要参数对系统性能的影响规律,为SOFC/Mciro-GT混合发电系统的设计、优化提供参考依据。     

APGC燃机与燃料电池复合发电系统性能分析

基于新型环境压力下吸热燃气轮机循环APGC(ambient pressure gas turbine cycle),提出了APGC燃气轮机和常压固体氧化物燃料电池(SOFC)组成的复合发电系统.利用商业软件Aspen plus,建立了APGC燃气动力装置以及常压SOFC的数值分析模型.以西门子公司生产的120 kW燃料电池结构及设计参数作为分析基础,探索了APGC燃气轮机和SOFC组成的常压SOFC/APGC复合发电系统的性能.研究结果表明:复合装置的发电效率可以达到66.5%,显示出复合发电性能的优势.     

具有喷射制冷的SOFC/TRCC电冷联供系统4E分析

提出了一种通过跨临界CO₂循环(TRCC)和喷射制冷循环(ERC)回收固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)余热的新型电冷联供系统.在工程求解器(EES)软件环境下建立了系统的数学模型，从能量、■、环境和经济(4E)的角度对系统进行研究，分析了关键参数变化对系统性能的影响.结果表明：联供系统在设计工况下净输出功率为272.874 kW,可向用户提供15.785 kW冷负荷，系统总成本为0.288 8元/(kW·h);系统总发电效率、总■效率和能源综合利用效率分别为68.12%、66.60%和72.06%;增加燃料利用率或提高SOFC入口温度和增大TRCC透平入口压力都可提高联供系统的■效率，当空燃比达到10.88时，系统■效率达到最大值66.94%;增大燃料利用率和SOFC入口温度或降低TRCC透平入口压力可降低系统总成本，在空燃比为10.57时达到最小值0.280 8元/(kW·h).     

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66 kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.     

基于分布参数燃料电池模型的SOFC-GT混合发电系统模拟

针对混合发电系统模拟需求,建立管式SOFC准二维分布参数模型,沿流道方向考虑传热、传质数学模型,沿电池厚度方向考虑电化学反应以及多孔电极中的多组分气体扩散。结合系统其他部件(燃气轮机、重整器、换热器等)模型,对某公司220 kW SOFC-GT混合发电系统进行模拟分析,模拟了参比工况电池参数分布,研究了可控参数(工作电压、入口燃料流率、燃料循环比率、旁路空气比率)对系统性能、状态点参数及电池参数分布的影响规律。结果表明:系统参比工况稳态运行效率在52%以上,过电位、电流密度和温度沿流道方向变化显著,明显呈现非线性趋势,燃料、固体、空气的温度也有较大差异,在系统运行特性分析中有必要采用分布参数模型以合理描述电池中发生的物理化学变化。     

基于SOFC/GT和跨临界CO_2动力/制冷循环的冷热电联供系统性能

提出了一种新型的冷热电联供系统,通过跨临界CO_2动力循环回收SOFC/GT系统的排烟余热进行发电,利用跨临界CO_2制冷循环向用户提供冷量和生活热水.建立了该联供系统热力性能的仿真计算模型,对系统进行了能量和■分析,并对该联供系统的一些关键参数进行了敏感性分析.仿真结果表明,在设计条件下,该系统的净发电效率为61.54%,总■效率为62.24%,净发电量、供热量和供冷量分别为246.507、241.501和45.616 kW,■损失较大的部件依次为后燃室、预热器3和SOFC等.在研究的参数范围内,增大跨临界CO_2制冷循环流率或降低空气流率和跨临界CO_2动力循环流率均可提高系统的总能输出量;增大SOFC工作压力或降低空气流率和跨临界CO_2制冷循环流率均可提高联供系统的净发电效率和总■效率.     

增压型MCFC/MGT混合动力系统中燃料电池的特性分析

针对增压型熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与现有微型燃气轮机(MGT)设计的混合动力系统,分析了在部分负荷运行时MCFC的特性;在MCFC建模过程中,考虑了电流密度和电池工作温度等参数的影响,并将模拟结果与其实验数据进行对比;应用压气机和透平的特性曲线建立了MGT在非设计工况下的分析模型;提出了4种不同的控制方式,以控制系统的部分负荷运行,并应用所建模型分析了系统中MCFC在不同控制方式下的特性.结果表明:通过有效的控制手段以保持较高的MCFC工作温度,可使MCFC在部分负荷运行时的效率高于设计点值;MCFC的性能对混合动力系统影响很大;在部分负荷运行时需要维持较高的电池工作温度以提高系统性能.     

滑模变结构在风光发电系统中的应用

针对风力发电系统和光伏发电系统高度非线性的特点下如何准确响应负荷变化的问题,提出了基于滑模控制器的风力发电系统和光伏发电系统。采用滑模变结构作为光伏和风力发电系统的控制器,进行最大功率点跟踪控制(Maximum Power Point Tracking)。实验结果表明,滑模控制器能很好地切换光伏发电系统和风力发电系统的两种发电模式,能准确响应负荷变化,起到了好的控制效果。     

DFIG风电系统最大风能捕获的滑模变结构控制方法

提出基于滑模变结构技术的新型风力发电系统简单、实用控制方法,构建基于发电机转速和发电转矩二维平面上的滑模函数,分别设计滑模控制器的等效控制和切换控制量.将其用于定桨变速DFIG系统,使系统稳定在发电机转矩、转速的最佳工作点领域,实现转矩转速的优化控制及稳定跟踪.仿真结果表明,该方法控制性能良好,能实现风能的最大捕获,具有更好的风能利用效率,验证了所提模型的正确性和控制方法的有效性.     

离网无蓄电池光伏制冷系统的反馈控制研究

为达到光伏发电系统在离网无蓄电池条件下直接驱动变频压缩机制冷的目的,提出了光伏组件输出400~800V直流电压下变频压缩机能够稳定运行的反馈控制策略,构建了以电机转速为反馈信号的最大功率点跟踪(MPPT)控制模型.理论分析表明逆控机转换效率约为80%,实际工况实验结果表明逆控机转换效率在70~90%之间,验证了控制模型的正确性.对MPPT反馈控制算法进行了不同工况实验,通过电机转速自动调整MPPT的基准电压点,可为离网无蓄电池光伏制冷系统提供稳定的三相交流电能.实验结果表明,采用更低启动频率反馈控制后光伏系统发电效率可提高至9%,且系统的cop为0.15,cop增加了15.4%.     

槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成

为了研究槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成方法,基于槽式太阳能集热器的最佳运行条件,建立300 MW燃煤机组与太阳能集热的混合发电系统,理论分析混合发电工况下机组的热力学性能和热经济性.结果表明,太阳能辐射强度为600 W/m2时,槽式集热器的最佳运行温度为306.55℃;300 MW燃煤发电机组中,离开槽式集热器的热水直接与回热器的热水混合时,太阳能热水与进入3#回热器的热水混合是槽式集热器与燃煤发电机组集成的最佳方案,此时太阳能热发电效率达到23.60%,节省煤耗5.53 g/(kW.h).     

采用蒸汽喷射器的低负荷给水加热系统变工况性能研究

为了解决低负荷运行时燃煤发电机组脱硝效果差及热经济性低的问题,以某660 MW超临界机组为研究对象,基于GSE仿真平台搭建锅炉汽轮机耦合模型。在此模型基础上,提出以屏式过热器出口蒸汽引射汽轮机1级抽汽,通过蒸汽喷射器的混合蒸汽作为新增0号高压加热器的汽源以加热给水,并嵌入蒸汽喷射器性能模型,计算得到了不同的喷射器引射比对脱硝效率、机组热经济性以及变工况性能的影响。研究表明:设计负荷为50%负荷时,最佳设计引射比为0.56(对应的设计给水温升为30℃),此时系统节煤0.52g·(kW·h)-1,脱硝效率提高13.29%;综合考虑喷射器的运行稳定性和机组的热经济性,建议优化后的系统在45%~90%负荷范围内运行,此时可获得较佳的节能减排效果。     

低温热能有机物朗肯循环发电系统的最佳负载特性实验研究

针对低温热能的回收利用,搭建了采用涡旋膨胀机的有机物朗肯循环发电实验系统,以异丁烷为工质,研究了热源温度和负载对小型有机物朗肯循环发电系统性能的影响.结果表明:在不同的热源温度和工质流量条件下,都存在一个最佳负载电阻,使得系统具有最大的发电功率、比发电功率和发电效率;在设计发电系统时,应为涡旋膨胀机匹配合适的永磁发电机和负载电阻,以使系统发挥最优性能;当热源温度不超过120℃时,系统的最大发电功率为1.05kW,最高发电效率为4.51%,膨胀机的最大转速和膨胀比分别可达2 922r/min和3.03.     

柴油机复合涡轮余热发电系统及电动热管理用电系统综合节油潜力研究

针对发电复合涡轮余热回收技术对发动机燃油经济性影响的评价及节油潜力的问题,基于自行研制的发电复合涡轮余热回收系统及电动热管理系统,在回收电能得到使用的条件下研究了影响发动机燃油经济性的关键因素及两套系统的综合节油潜力。首先,分别分析了发电复合涡轮转速和发动机入口水温对复合涡轮余热系统的发电功率和热管理电动附件耗电功率的影响,明确了产能及用能的变化规律;其次,基于实测数据分析了试验条件下柴油发动机复合涡轮余热发电与电动热管理用电的实际综合节油能力,明确了影响发动机燃油经济性的关键因素;最后,根据关键因素影响油耗的规律对两套系统的综合节油潜力进行了预测分析。结果显示:柴油发动机在1 300r/min试验转速且负荷分别为25%、50%和75%工况下,复合涡轮发电量均能满足电动热管理附件的用电需求,发动机比油耗与基础发动机相比分别降低7.2%、4%和2.6%;增压涡轮及动力涡轮的等熵效率是影响系统燃油经济性的重要因素,提升等熵效率可降低废气能量回收过程中的泵气损失;在试验转速且负荷为75%工况下,随着等熵效率的提升,比油耗可在实测综合油耗的基础上进一步降低,最大降幅为4.1%,若考虑产、用能平衡策略,则该工况下比油耗可降至180.8g/(kW·h)。所提产、用能方案及分析方法可为基于余热回收技术开展的发动机节能减排研究提供参考。     

基于传动系统效率最优的混合动力汽车控制策略研究

针对现有混合动力汽车控制方法存在功率损失大、系统效率低、润滑条件恶化等问题,提出一种基于系统效率最优的混合动力汽车控制方法.首先分析动力系统各部件的结构与效率特性,制定出所有可能的工作模式,然后构建出各模式下的效率评估方程,依据需求扭矩和蓄电池荷电状态SOC,得出系统最高效率下对应的发动机转矩和电机转矩分配情况,以控制发动机和电机相应转矩输出.仿真实验结果表明,该方法使整个动力系统总体效率最高,减少了系统功率损失,降低了整车的燃油消耗,并在一定程度上保障了润滑条件和传动部件的使用寿命,取得了良好的效果.     

燃气驱动冷热水机组变转速运行实验研究

研制了一种燃气热泵冷热水机组,介绍其实验系统流程及主要装置设备,建立了系统的性能系数和一次能源利用率的数学模型,探讨了燃气热泵变负荷运行特性,重点分析了发动机转速对系统余热回收量、燃气的消耗量、制冷剂流量等的影响.实验结果表明:在20%～100%负荷范围内,实验系统具有良好的变工况运行特性;在系统制热模式、循环水量不变和进口水温恒定等条件下,随着发动机的转速增大,制冷剂流量、燃气消耗量、系统回收热量和系统制热能力增大,而系统的性能系数和一次能源利用率却减小.发动机转速在2000～2500r/min时,系统的部分负荷性能最佳.     

基于混合动力燃气热泵的独立供能系统

为了克服微型分布式供能系统空调负荷的不足和内燃机在低负荷工况下运行时效率低的缺陷,提出一种基于混合动力燃气热泵的独立供能系统.在分析冷热电(模式A)、热电(模式B)以及冷热(模式C)3种不同工作模式运行过程的基础上,分别建立了其动力系统的能量传送数学模型.模拟结果表明:动力系统在燃气机输出负荷率为70%~80%之间时,热效率较高;在3种不同的工作模式中,模式C的动力系统的热效率最高,最大值到达0.4以上,模式A的动力系统热效率次之,模式B的动力系统热效率最低;本系统在热泵空调模式(模式C)下运行时,比常规的单一燃气发动机驱动的热泵空调系统节能,动力系统的热效率总体提高约3.5%.     

固体氧化物燃料电池-温差热电混合系统的性能优化

本文建立了一类不可逆固体氧化物燃料电池(SOFC)与半导体温差热电发电器(TEG)的混合发电系统模型,基于非平衡态热力学理论,导出混合系统一些重要性能参数诸如输出功率、效率和最小电流密度等的一般表达式,分析系统的性能特性和优化性能,给出系统在最大输出功率或最大效率时的优化条件,确定系统一些重要性能参数的优化工作区域,详细讨论系统的一些主要不可逆性对系统优化性能的影响,得到一些有意义的新结论.所得结果可为实际混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

整体煤气化固体氧化物燃料电池电热联产系统分析

整体煤气化固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合发电系统(Integrated gasification solid fuel cell-gas turbine hybrid powergeneration system,IGFC-GT)是一种高效清洁合理的煤炭发电技术。混合系统的模型搭建及性能分析对于系统集成和商业运行有着重要的意义。通过查阅国内外在致力于提高SOFC发电效率方面的研究文献,并根据课题组的前期研究成果,基于商业软件Aspen Plus平台,搭建了IGFC-GT混合发电系统的电热联产系统模型图,分析了IGFC-GT电热联产系统的性能,结果表明该系统具有较高的发电效率及总能量利用率。     

基于风电系统阻抗变化规律的最大功率点跟踪控制研究

为解决风电热泵制热系统和压缩制冷系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制问题,采用MPPT控制模型推导和实验验证的方法,得出系统阻抗变化与风轮转速、风电转化效率间的对应关系.基于系统运行时压缩机阻抗的变化规律,提出了一种改进的变步长爬山搜索法(HCS).通过多变风速条件下的实验验证了改进算法的高效性,解决了搜索方向错误和功率振荡的问题,并将平均风电转化效率由31.6%提高至40.58%.