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熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合装置系统仿真与半物理实验研究

作　者: 郝洪亮
导　师: 翁史烈；张会生
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 熔融碳酸盐燃料电池 燃气轮机 混合装置 数值模拟 半物理仿真实验
分类号: TK47
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置以其高效、零污染、分布式供能等优点成为新世纪各国重点发展的新能源技术。对熔融碳酸盐燃料电池本体及混合装置系统的稳态及动态特性的研究具有十分重要的意义。本文对熔融碳酸盐燃料电池单体以及熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置的稳态及动态性能进行了数值仿真研究,设计搭建了融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置半物理仿真实验台,并进行了半物理仿真实验研究。主要在以下几个方面取得了一定的进展。(1)熔融碳酸盐燃料电池单体二维动态仿真研究本文全面分析了燃料电池内部的伴有电化学反应的传热、传质过程,在综合考虑燃料电池内部热、电、化学特性的基础上,建立了比较完善的熔融碳酸盐燃料电池单体二维动态仿真模型。该仿真模型有效的解决了燃料电池内部温度场、电流密度场和反应气体组分浓度场之间的耦合,能够全面的反映燃料电池热、电和化学特性,准确的了解燃料电池主要性能参数的稳态及动态特性,对燃料电池的制造及运行具有很大的指导价值。(2)熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能仿真研究本文在IPSEpro仿真环境下开发了熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能分析模块库,其中包括:燃料电池组模块、催化燃烧室模块、压气机模块、燃气轮机模块、高温换热器器模块和发电机模块等。利用开发的仿真模块,建立了底层与顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置稳态性能仿真模型。利用搭建的混合装置稳态性能仿真模型,基于热力学第一定律及热力学第二定律,对底层与顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置进行了稳态性能分析。(3)熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置半物理仿真实验系统的设计采用半物理仿真方法对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合装置进行实验研究,是现阶段混合装置实验研究的热点和难点。本文基于半物理仿真的原理,在现有的条件下,设计了混合装置半物理仿真实验系统,选择合适的物理硬件设备及数学模型软件,并综合集成为实验系统,完成了实验台的搭建。在半物理仿真实验系统中,设计合理、有效的物理模型与数学模型的接口是关键所在。本文设计了精确高效的数-模及模-数接口,实现了数学模型与物理模型的有效结合,完成了半物理仿真实验的功能。

全文目录


中文摘要  5-7
Abstract  7-13
主要符号表  13-14
第一章 绪论  14-24
  1.1 研究背景及意义  14-17
  1.2 研究现状与发展  17-20
    1.2.1 熔融碳酸盐燃料电池MCFC 发展现状  17-18
    1.2.2 MCFC 数学模型发展现状  18-20
  1.3 MCFC/MGT 混合装置发展现状  20-22
    1.3.1 MCFC/MGT 技术发展现状  20-21
    1.3.2 MCFC/MGT 混合装置仿真发展现状  21-22
  1.4 本文主要工作  22-24
第二章 熔融碳酸盐燃料电池单体二维仿真模型  24-41
  2.1 引言  24
  2.2 MCFC 结构及工作原理  24-29
    2.2.1 MCFC 的电化学反应  25-26
    2.2.2 MCFC 的电负荷特性  26-27
    2.2.3 MCFC 的热量的产生与传递  27-29
  2.3 MCFC 的二维数学模型  29-36
    2.3.1 组分守恒方程  30-31
    2.3.2 能量守恒方程  31-36
  2.4 MCFC 二维仿真模型计算方法  36-39
    2.4.1 常微分方程初值问题的求解  36-37
    2.4.2 稳态点的迭代计算  37
    2.4.3 动态过程的迭代计算  37
    2.4.4 仿真环境及工具  37-39
    2.4.5 MCFC 仿真计算相关参数  39
  2.5 本章小结  39-41
第三章 熔融碳酸盐燃料电池单体二维性能仿真研究  41-70
  3.1 交叉流型式MCFC 仿真研究  41-49
    3.1.1 燃料电池动态特性仿真分析  42-43
    3.1.2 燃料电池电负荷特性分析  43-45
    3.1.3 燃料电池温度特性分析  45-47
    3.1.4 燃料电池反应气体组分特性分析  47-49
  3.2 逆流型式MCFC 仿真研究  49-57
    3.2.1 燃料电池动态特性仿真分析  50-51
    3.2.2 燃料电池电负荷特性分析  51-53
    3.2.3 燃料电池温度特性分析  53-55
    3.2.4 燃料电池反应气体组分特性分析  55-57
  3.3 顺流型式MCFC 单体仿真分析  57-65
    3.3.1 燃料电池动态特性仿真分析  58-59
    3.3.2 燃料电池电负荷特性分析  59-61
    3.3.3 燃料电池温度特性分析  61-63
    3.3.4 燃料电池反应气体组分特性分析  63-65
  3.4 逆流顺流型式MCFC 主要性能比较分析  65-69
    3.4.1 顺流型与逆流型MCFC 电负荷特性比较分析  65-66
    3.4.2 顺流型与逆流型MCFC 温度特性比较分析  66-67
    3.4.3 顺流型与逆流型MCFC 反应气体组分特性比较分析  67-69
  3.5 本章小结  69-70
第四章 MCFC/MGT 混合装置性能仿真研究  70-103
  4.1 引言  70
  4.2 顶层和底层MCFC/MGT 混合装置系统结构及描述  70-72
  4.3 混合装置数学模型  72-74
    4.3.1 MCFC 模型  72-73
    4.3.2 其他组件模型  73-74
  4.4 MCFC/MGT 混合装置性能分析  74-91
    4.4.1 底层MCFC/MGT 混合装置性能分析  74-81
    4.4.2 顶层MCFC/MGT 混合装置性能分析  81-88
    4.4.3 底层与顶层MCFC-MGT 混合装置系统性能比较分析  88-91
  4.5 MCFC/MGT 混合装置分析  91-102
    4.5.1 分析理论  91-94
    4.5.2 底层MCFC/MGT 混合装置分析  94-98
    4.5.3 顶层MCFC/MGT 混合装置分析  98-101
    4.5.4 底层与顶层MCFC/MGT 混合装置分析比较  101-102
  4.6 本章小结  102-103
第五章 MCFC/MGT 半物理仿真系统研究及实验设计  103-130
  5.1 引言  103-104
  5.2 MCFC/MGT 混合装置半物理仿真基本思路  104-106
    5.2.1 研究对象的描述  104-105
    5.2.2 半物理仿真基本思路  105-106
  5.3 混合装置半物理仿真试验台实物部分设计  106-114
    5.3.1 总体结构  106-107
    5.3.2 燃气轮机/压气机部分  107-108
    5.3.3 换热器部分  108-109
    5.3.4 燃烧室部分  109-110
    5.3.5 测量系统  110-113
    5.3.6 自动控制阀门部分  113
    5.3.7 控制台部分  113-114
  5.4 实时仿真环境的实现  114-117
    5.4.1 实时仿真与实时系统  114-115
    5.4.2 Windows NT 操作系统的实时性分析  115-116
    5.4.3 基于VC++的实时仿真  116-117
    5.4.4 半物理实时仿真系统内的通讯  117
  5.5 混合装置半物理仿真试验台上位机软件系统的设计  117-122
    5.5.1 燃料电池实时仿真模型的设计  118-121
    5.5.2 实验数据的实时显示及数据库存储  121-122
  5.6 混合装置半物理仿真试验台下位机软件系统的设计  122-126
    5.6.1 PLC 控制器  123-124
    5.6.2 PID 控制回路的设计  124-125
    5.6.3 PLC 数据采集及通讯的设计  125-126
  5.7 混合装置半物理仿真试验台上位机、下位机间的通讯  126-128
    5.7.1 上位机部分程序  126-127
    5.7.2 从站PLC 程序  127-128
    5.7.3 PC/PPI 电缆  128
  5.8 本章小结  128-130
第六章 MCFC/MGT 半物理仿真系统实验及结果分析  130-147
  6.1 实验方案的设计  130-132
  6.2 实物部分的操作过程  132-133
    6.2.1 控制台、仪表、PLC 供电系统的投入  132
    6.2.2 涡轮压气机润滑油系统的投入  132-133
    6.2.3 补气系统的投入  133
    6.2.4 主供气回路系统的投入  133
    6.2.5 燃油系统的投入  133
    6.2.6 主系统的启动  133
  6.3 软件部分的操作过程  133-134
    6.3.1 启动阶段的监控  133-134
    6.3.2 初始稳态的调节  134
    6.3.3 动态半物理仿真实验  134
  6.4 实验结果及分析  134-146
    6.4.1 燃烧室出口温度特性半物理仿真实验结果及分析  134-142
    6.4.2 补气流量特性半物理仿真实验结果分析  142-146
    6.4.3 仿真实验结果分析  146
  6.5 本章小结  146-147
第七章 总结与展望  147-152
  7.1 总结  147-149
  7.2 本文主要创新  149-150
  7.3 研究展望  150-152
参考文献  152-162
攻读博士学位期间发表的论文  162-164
致谢  164

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 燃气轮机（燃气透平）
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