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生物质气燃料电池—燃气轮机混合动力系统特性分析

作　者: 姚振鹏
导　师: 翁一武
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 生物质气熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机混合动力系统实验研究
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

生物质气化技术是通过热化学反应将固态生物质转化为气体燃料的一项技术,是比较先进的生物质能利用技术。高温燃料电池是一种将碳氢化合物的化学能通过电化学反应直接转化成电能的最有效的装置之一。在实际应用中,高温燃料电池往往与燃气轮机等其它动力装置组成混合动力系统以更充分的利用其高温排气而获得更高的能量转化效率。生物质气高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统非常适合生物质能小型、分散的特点,可以大大提高生物质能利用的经济性,因此该系统具有很好的发展前景。本文目的是分析生物质气高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的特性,主要做了以下几方面的工作:(1)分析了现阶段各种生物质合成气气化方法以及净化方式的特性,总结出了主流的合成气生产及净化方法。得出了生物质合成气的组分、热值特点。在此基础上对常规动力系统和高温燃料电池两类不同的合成气利用方式进行了比较,发现高温燃料电池在利用生物质合成气上具有较为明显的优势。与燃气轮机组成混合动力系统后,其发电效率将会有进一步的提高。(2)基于MATLAB/Simulink平台建立了生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统的仿真模型。基于质量、能量守恒原理和热力学特性,考虑各种极化损失及详细的气体特性,建立了熔融碳酸盐燃料电池的数学模型。根据所选燃气轮机性能曲线对其各部分进行了建模。根据工作特性和质量、能量守恒建立了其余各部件模型。在此基础之上建立了混合动力系统的仿真模型。(3)利用所建立的系统模型,首先对系统压比和温度变化、燃料成分波动以及水碳比变化等非设计工况下混合动力系统的稳态特性进行了研究,分析了关键参数变化对系统性能的影响。对系统在燃料阶跃、负荷阶跃等情况下的的动态特性进行了研究,为实验台的搭建和管理提供借鉴。(4)最后对生物质气燃料电池燃气轮机混合动力系统进行了实验研究。基于我国第一个生物质气高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统实验台,验证了生物质气高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的可行性,得到相关实验数据,同时也验证了本文设计的系统中主要部件的可靠性。从而为以后的系统优化设计及实验研究提供实际运行的经验。但是由于实验条件的限制,本文选用的高温燃料电池和燃气轮机参数匹配不佳导致了整个系统发电效率不高,没有充分的体现出混合动力系统高效的特点,要研制出实用高效的生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统还需要进行大量的工作。

生物质气燃料电池—燃气轮机混合动力系统特性分析

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