CN114976151B - 一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 - Google Patents
一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114976151B CN114976151B CN202210819217.XA CN202210819217A CN114976151B CN 114976151 B CN114976151 B CN 114976151B CN 202210819217 A CN202210819217 A CN 202210819217A CN 114976151 B CN114976151 B CN 114976151B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- model
- component
- gas
- heat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 75
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 36
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 14
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 claims description 13
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 12
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 7
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 claims description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 claims description 3
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 claims description 3
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04305—Modeling, demonstration models of fuel cells, e.g. for training purposes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04417—Pressure; Ambient pressure; Flow of the coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04701—Temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
Abstract
本发明涉及一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法，包括：建立高温固体氧化物燃料电池系统模型，并设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数；获取系统内各气体组分的当前流量值；获取系统各部件模型的当前温度；求解热区环境温度，并根据热区环境温度，计算热区和各部件模型间的换热量，以及计算各部件的高低温出气温度。本发明的有益效果是：本发明有效解释了传统系统模拟仿真与实际工况下的燃料电池系统热区部件热交换效应产生较大偏差的原因，同时本发明提供了更加符合系统实际工作状态的各部件稳态温度以及各气体组分对应流量的计算方法。
Description
技术领域
本发明涉及新能源高温固体氧化物燃料电池系统模拟仿真领域，更确切地说，它涉及一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法。
背景技术
高温固体氧化物燃料电池是一种高效的能源转化装置，能将天然气、氢气、合成气等燃料中的化学能直接转化为电能，是一种可用于构建分布式发电系统的新型能源转化装置。高温固体氧化物燃料电池系统包含电堆阵列、重整器、换热器、催化燃烧器、控制系统和逆变器等多类型零部件，是一个多物理域高度耦合的复杂系统，工作温度在700℃-850℃。众多燃料电池技术路线中，高温氧化物燃料电池具有燃料耐受性高、能量转换效率高、制造成本低等优势，在大规模和固定式应用上具有极大发展前景。
目前，传统的针对高温固体氧化物燃料电池系统的模拟仿真方法通常未考虑系统热区部件间热传递，导致传统系统模拟仿真与实际工况下的燃料电池系统热区部件热交换效应产生较大偏差，该偏差主要体现为换热器过度换热情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法。
第一方面，提供了考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法，包括：
S1、建立高温固体氧化物燃料电池系统模型，并设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数；所述高温固体氧化物燃料电池系统模型包括系统各部件模型；
S2、模拟所述高温固体氧化物燃料电池系统模型的气体进气，获取系统内各气体组分的当前流量值；
S3、将所述各气体组分的当前流量值代入系统各部件模型计算，获取系统各部件模型的当前温度；
S4、根据所述系统各部件模型的当前温度，结合部件与热区环境传热模型，求解热区环境温度；并根据所述热区环境温度，计算热区和各部件模型间的换热量，以及计算各部件的高低温出气温度。
作为优选，S1中，所述设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数，包括：
S101、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的固定参数；所述固定参数包括电堆电池片数量N和换热器换热效率ε；
S102、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型处于稳定状态的温度参数；所述温度参数包括重整器燃烧腔出口稳态温度和电堆阴极出气口气体目标温度/>
S103、设定电堆输出电流相对时间t-i曲线以及预设模拟时间T；
S104、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的初始状态；所述初始状态为：设定模拟初始时间t＝0、系统内各气体组分初始流量系统各部件的初始温度为环境温度Tenv；
S105、设定系统各部件模型涉及的关键参数；所述关键参数包括环境换热效率kenv，汽化潜热温度Teva，汽化潜热焓值ΔHeva，重整器换热等效面积甲烷转化率ηSR，燃气换热器等效面积/>空气换热器等效面积/>
作为优选，S2中，根据电堆达到稳态需求的电堆电流i、各气体组分流量的当前值，结合系统各部件温度流量的关联模型，计算系统内各气体组分的流量变化并更新各组分的当前流量值，所述各气体组分流量包括系统启动空气启动燃气/>电堆空气电堆燃气/>及进水量/>
作为优选，所述系统各部件温度流量的关联模型具体如下：
其中，k为流量调节系数，用于调整流量变动的速度，kqd,air为启动空气流量调节系数，为启动燃料(甲烷)流量调节系数，kst,air为电堆空气流量调节系数，/>为电堆燃料(甲烷)流量调节系数raf,max为最大空燃比，raf,min为最小空燃比，λ表示阳极燃料过量比，λ≥1，rvc为水碳比；ηSR为甲烷转化率，表示反应的甲烷量和总甲烷量的比值，在0-1之间；F为法拉第常数，F＝96485C/mol；变量e具体如下表示：
其中，Tato,wq为重整器燃烧腔出口的实际温度；Tst,c,out为电堆阴极出口实际温度；为重整器燃烧腔出口稳态温度，/>为重整器燃烧腔出口稳态温度，/>为电堆阴极出气体口目标温度，i为电堆实际运行电流，id为目标电流；
同时，系统内各气体组分的流量具有以下约束条件：
作为优选，S3中，所述系统各部件模型包括换热器模型、汽化器模型、电堆模型和燃烧重整器模型。
作为优选，S3中，获取换热器模型的当前温度，包括：
S301、根据进口气流流量和进口气流温度，计算换热器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
其中，Cmin为最小热容量，Th,in，Tl,in分别为换热器入口的高温、低温流体的进口温度，ε为传热有效性，是实际传热量和最大传热量的比例，在0到1之间；
S302、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出换热器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
其中，Ch和Cl为冷热流体的热容量。
作为优选，S3中，获取汽化器模型的当前温度，包括：
S303、根据进口气流流量和进口气流温度，计算汽化器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
q＝εqmax
其中，Cw,Cv分别为液态水和水蒸气的热容量率；Teva为水的汽化温度；ΔHeva为在Teva温度下的汽化潜热焓值；
S304、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出汽化器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
作为优选，S3中，获取电堆模型的当前温度，包括：
S305、根据阳极、阴极进气流量，计算最大可发生的电化学反应规模，计算公式为：
其中，为最大电化学反应规模，受到反应中氢气消耗速率、氧气消耗速率或反应中电子转移速率三者中最小值的约束；i表示电堆外部测量的电流，N表示电堆的电池片数，F为法拉第常数；
S306、阴极气体升温后，与阳极气体进行热交换，结合换热器模型开展换热计算，更新电堆阳极和阴极出口的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Tc,in-Ta,in),q＝εqmax
其中，c表示电堆阴极，a表示电堆阳极，in表示电堆进口，out表示电堆出口。
作为优选，S3中，获取燃烧重整器模型的当前温度，包括：
S307、计算燃烧重整器模型混合进气的组分和混合后的气体温度，计算公式为：
S308、计算最大可发生的电化学反应放热，计算公式为：
S309、燃烧腔升温后，与重整管道换热,结合换热器模型开展换热计算，更新重整器燃烧侧和重整侧的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
S310、重整管道吸热后，管道内的水碳混合气发生重整反应。按照蒸汽重整输出气体组分计算重整反应吸热量、更新重整输出气体组分。
作为优选，S4包括：
S401、计算当前状态下系统各部件模型与热区环境的稳态传热量，并计算当前热区环境温度Tenv，计算公式为：
其中，系数ΔT′ah,ΔT′fh,ΔT′ato表示如下：
kenv为部件与环境换热的修正因子，也称系统发射率，与参与辐射物体的性质、物体的形状等相关，为环境与空气换热器的换热修正因子，/>为环境与燃料换热器的换热修正因子，/>为环境与燃烧重整器的换热修正因子；Ab为等效换热面积。
S402、根据求解热区温度Tenv，计算热区和各部件间的换热量，并更新计算各部件的高低温出气温度，计算公式为：
其中，δ为黑体辐射常数，取值为5.67*10-8W/(m2·K4)。作为优选，所述高温固体氧化物燃料电池系统模型的热区稳态工作温度达到400℃以上。
第二方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面任一所述的一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法。
第三方面，提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面任一所述的一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过模拟或实测系统的多物理域测量数据，模拟系统热区内多个部件与环境间的热传递状态，同步测算部件散热状态，更新部件和环境的温度参数，并计算系统稳态下各气体组分的对应流量，使得系统的模拟仿真结果准确度较高。
(2)本发明引入热区部件间热传递的换热模型，有效解释了传统系统模拟仿真与实际工况下的燃料电池系统热区部件热交换效应产生较大偏差的原因，同时本发明提供了更加符合系统实际工作状态的各部件稳态温度以及各气体组分对应流量的计算方法。
附图说明
图1为一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法的流程图；
图2为电堆测试电流随时间变化i-t曲线示意图；
图3为模拟系统的一种气体进气示意图；
图4为模拟系统的另一种气体进气示意图；
图5为不考虑部件间热交互情况下，空气换热器模型进出口温度曲线示意图；
图6为不考虑部件间热交互情况下，燃气换热器模型进出口温度曲线示意图；
图7为不考虑部件间热交互情况下，汽化器模型进出口温度曲线示意图；
图8为不考虑部件间热交互情况下，电堆模型进出口温度曲线示意图；
图9为不考虑部件间热交互情况下，燃烧重整器模型进出口温度曲线示意图；
图10为考虑部件间热交互情况下，空气换热器模型进出口温度曲线示意图；
图11为考虑部件间热交互情况下，燃气换热器模型进出口温度曲线示意图；
图12为考虑部件间热交互情况下，燃烧重整器模型进出口温度曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，如图1所示，包括：
S1、建立高温固体氧化物燃料电池系统模型，并设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数；高温固体氧化物燃料电池系统模型包括系统各部件模型。
示例地，本申请的高温固体氧化物燃料电池系统模型的热区稳态工作温度达到400℃以上。
S2、如图3和图4所示，模拟高温固体氧化物燃料电池系统模型的气体进气，获取系统内各气体组分的当前流量值。
S3、将各气体组分的当前流量值代入系统各部件模型计算，获取系统各部件模型的当前温度。
S4、根据系统各部件模型的当前温度，结合部件与热区环境传热模型，求解热区环境温度；并根据热区环境温度，计算热区和各部件模型间的换热量，以及计算各部件的高低温出气温度。
S1中，设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数，包括：
S101、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的固定参数；固定参数包括电堆电池片数量N和换热器换热效率ε；
S102、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型处于稳定状态的温度参数；温度参数包括重整器燃烧腔出口稳态温度和电堆阴极出气口气体目标温度/>
S103、设定电堆输出电流相对时间t-i曲线(如图2所示)以及预设模拟时间T；
S104、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的初始状态；初始状态为：设定模拟初始时间t＝0、系统内各气体组分初始流量系统各部件的初始温度为环境温度Tenv；
S105、设定系统各部件模型涉及的关键参数；关键参数包括环境换热效率kenv，汽化潜热温度Teva，汽化潜热焓值ΔHeva，重整器换热等效面积甲烷转化率ηSR，燃气换热器等效面积/>空气换热器等效面积/>
S2中，根据电堆达到稳态需求的电堆电流i(单位为A)、各气体组分流量的当前值，结合系统各部件温度流量的关联模型，计算系统内各气体组分的流量变化并更新各组分的当前流量值，各气体组分流量包括系统启动空气启动燃气/>电堆空气/>电堆燃气/>及进水量/>
系统各部件温度流量的关联模型具体如下：
其中，k为流量调节系数，用于调整流量变动的速度，kqd,air为启动空气流量调节系数，为启动燃料(甲烷)流量调节系数，kst,air为电堆空气流量调节系数，/>为电堆燃料(甲烷)流量调节系数，raf,max为最大空燃比，raf,min为最小空燃比，λ表示阳极燃料过量比，λ≥1，rvc为水碳比；ηSR为甲烷转化率，表示反应的甲烷量和总甲烷量的比值，在0-1之间；F为法拉第常数，F＝96485C/mol；变量e具体如下表示：
其中，Tato,wq为重整器燃烧腔出口的实际温度；Tst,c,out为电堆阴极出口实际温度；为重整器燃烧腔出口稳态温度，/>为重整器燃烧腔出口稳态温度，/>为电堆阴极出气体口目标温度，i为电堆实际运行电流，id为目标电流；
同时，系统内各气体组分的流量具有以下约束条件：
热效率-传热单元数法(ε-NTU法)常用在无法取得对数平均温差(LMTD)的情况下，计算换热器热交换速率。S3中，将更新后的各组分流量值代入基于ε-NTU算法建立的系统各部件模型计算，并更新当前系统各部件的关键温度状态。系统各部件模型包括换热器模型、汽化器模型、电堆模型和燃烧重整器模型。
具体地，获取换热器模型的当前温度，包括：
S301、根据进口气流流量和进口气流温度，计算换热器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
其中，Cmin为最小热容量，Th,in，Tl,in分别为换热器入口的高温、低温流体的进口温度，ε为传热有效性，是实际传热量和最大传热量的比例，在0到1之间。最小热容量Cmin为冷热流体的热容量中的较小值Cmin＝min{Ch,Cl}。
其中，为混合气体的比热容：/>
S302、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出换热器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
其中，Ch和Cl为冷热流体的热容量。
S3中，获取汽化器模型的当前温度，包括：
S303、汽化器将低温液态水加热为高温水蒸气，属于一侧流体有相变的特殊换热器。因涉及流体相变，汽化器的极限传热量qmax需要考虑相变潜热。根据进口气流流量和进口气流温度，计算汽化器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
q＝εqmax
其中，Cw,Cv分别为液态水和水蒸气的热容量率；Teva为水的汽化温度，汽化温度一般在100℃左右，会受压力影响变化；ΔHeva为在Teva温度下的汽化潜热焓值；
S304、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出汽化器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
S3中，获取电堆模型的当前温度，包括：
S305、根据阳极、阴极进气流量，计算最大可发生的电化学反应规模，计算公式为：
其中，为最大电化学反应规模，受到反应中氢气消耗速率、氧气消耗速率或反应中电子转移速率三者中最小值的约束；i表示电堆外部测量的电流，N表示电堆的电池片数，F为法拉第常数，取96485.34C/mol；
S306、阴极气体升温后，与阳极气体进行热交换，结合换热器模型开展换热计算，更新电堆阳极和阴极出口的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Tc,in-Ta,in),q＝εqmax
其中，c表示电堆阴极，a表示电堆阳极，in表示电堆进口，out表示电堆出口。
S3中，获取燃烧重整器模型的当前温度，包括：
S307、燃烧器主要作用是启动燃烧供热和尾气燃烧热量再利用，其进口气体由启动燃气、启动空气、燃料换热器换热出口气体和阴极尾气混合而成。按能量守恒定律，计算燃烧重整器模型混合进气的组分和混合后的气体温度，计算公式为：
S308、通入腔体的启动甲烷气或电堆尾气在腔内充分燃烧，消耗H2、CO和CH4，全部转化为水蒸气和CO2，并放出大量热量，使燃烧腔快速升温。计算最大可发生的电化学反应放热，计算公式为：
S309、燃烧腔升温后，与重整管道换热,结合换热器模型开展换热计算，更新重整器燃烧侧和重整侧的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
S310、重整管道吸热后，管道内的水碳混合气发生重整反应。按照蒸汽重整输出气体组分计算重整反应吸热量、更新重整输出气体组分。
S4中，根据系统各部件的当前温度结合部件与热区环境传热模型，假设系统稳态下，热区环境温度保持不变，则环境与部件间的总体换热量为零，具体地，S4包括：
S401、计算当前状态下系统各部件模型与热区环境的稳态传热量，并计算当前热区环境温度Tenv，计算公式为：
其中，系数ΔT′ah,ΔT′fh,ΔT′ato表示如下：
kenv为部件与环境换热的修正因子，也称系统发射率，与参与辐射物体的性质、物体的形状等相关，/>为环境与空气换热器的换热修正因子，/>为环境与燃料换热器的换热修正因子，/>为环境与燃烧重整器的换热修正因子；Ab为等效换热面积。
S402、根据求解热区温度Tenv，计算热区和各部件间的换热量，并更新计算各部件的高低温出气温度，计算公式为：
δ为黑体辐射常数，取值为5.67*10-8W/(m2·K4)。
进一步地，模拟系统热区内多个部件间热传递状态后，判定当前序列t值是否抵达最终限值T，如果没有，结合系统当前各部件温度流量状态，再次计算系统内各气体组分的流量变化、更新各组分的当前流量，顺序重复以上步骤；如果序列t值等于或超过最终限值T，跳出循环，获得系统在设定电流、温度需求的代热区内部件热交互的系统多物理域温度模拟结果。
实施例2：
步骤1：获取电堆固定参数，电堆电池片数N＝300，换热器换热效率ε＝0.8；
步骤2：设定重整器燃烧腔出口稳态温度电堆阴极出气体口目标温度/>
步骤3：给定电堆测试电流随时间变化i-t曲线，并设置模拟时长T。
步骤4：设定系统初始状态：时间t＝0、系统内各气体组分初始流量
系统各部件的初始温度为环境温度Tenv＝25℃；
步骤5：给定模型涉及到的必要参数：环境换热效率kenv＝0.2，汽化潜热温度Teva＝108.74℃，汽化潜热焓值ΔHeva＝，重整器换热等效面积重整反应效率ηSR＝0.68,燃气换热器等效面积/>空气换热器等效面积/>
步骤6：
6.1、如图3和图4所示，模拟系统的气体进气，指根据电堆达到稳态需求的电堆电流t-i、各气体组分流量的当前值，结合系统各部件温度流量的关联模型，计算系统内各气体组分的流量变化并更新各组分的当前流量值。
6.2、将更新后的各组分流量值代入基于ε-NTU算法建立的系统各部件模型计算，并更新当前系统各部件的关键温度状态。系统各部件模型包括换热器模型、汽化器模型、电堆模型和燃烧重整器模型。图5至图9显示了在不考虑热区内部各部件换热的情况下，各部件进出口温度曲线。
6.3根据系统各部件的当前温度结合部件与热区环境传热模型，求解热区环境温度。根据热区环境温度Tenv，计算热区和各部件间的换热量，并更新计算各部件的高低温出气温度。图10至图12显示了在考虑各部件与环境换热的情况下，各部件进出口温度随着模拟时间的变化曲线。
Claims (1)
1.一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法，其特征在于，包括：
S1、建立高温固体氧化物燃料电池系统模型，并设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数；所述高温固体氧化物燃料电池系统模型包括系统各部件模型；
S2、模拟所述高温固体氧化物燃料电池系统模型的气体进气，获取系统内各气体组分的当前流量值；
S3、将所述各气体组分的当前流量值代入系统各部件模型计算，获取系统各部件模型的当前温度；
S4、根据所述系统各部件模型的当前温度，结合部件与热区环境传热模型，求解热区环境温度；并根据所述热区环境温度，计算热区和各部件模型间的换热量，以及计算各部件的高低温出气温度；
S1中，所述设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的基本参数，包括：
S101、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的固定参数；所述固定参数包括电堆电池片数量N和换热器换热效率ε；
S102、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型处于稳定状态的温度参数；所述温度参数包括重整器燃烧腔出口稳态温度和电堆阴极出气口气体目标温度/>
S103、设定电堆输出电流相对时间t-i曲线以及预设模拟时间T；
S104、设定高温固体氧化物燃料电池系统模型的初始状态；所述初始状态为：设定模拟初始时间t＝0、系统内各气体组分初始流量系统各部件的初始温度为环境温度Tenv；
S105、设定系统各部件模型涉及的关键参数；所述关键参数包括环境换热效率kenv，汽化潜热温度Teva，汽化潜热焓值ΔHeva，重整器换热等效面积甲烷转化率ηSR，燃气换热器等效面积/>空气换热器等效面积/>
S2中，根据电堆达到稳态需求的电堆电流i、各气体组分流量的当前值，结合系统各部件温度流量的关联模型，计算系统内各气体组分的流量变化并更新各组分的当前流量值，所述各气体组分流量包括系统启动空气启动燃气/>电堆空气/>电堆燃气/>及进水量/>
所述系统各部件温度流量的关联模型具体如下：
其中，k为流量调节系数，用于调整流量变动的速度，kqd,air为启动空气流量调节系数，为启动燃料流量调节系数，kst,air为电堆空气流量调节系数，/>为电堆燃料流量调节系数；raf,max为最大空燃比，raf,min为最小空燃比，λ表示阳极燃料过量比，λ≥1，rvc为水碳比；ηSR为甲烷转化率，表示反应的甲烷量和总甲烷量的比值，在0-1之间；F为法拉第常数，F＝96485C/mol；变量e具体如下表示：
其中，Tato,wq为重整器燃烧腔出口的实际温度；Tst,c,out为电堆阴极出口实际温度；为重整器燃烧腔出口稳态温度，/>为电堆阴极出气体口目标温度，i为电堆实际运行电流，id为目标电流；
同时，系统内各气体组分的流量具有以下约束条件：
S3中，所述系统各部件模型包括换热器模型、汽化器模型、电堆模型和燃烧重整器模型；
S3中，获取换热器模型的当前温度，包括：
S301、根据进口气流流量和进口气流温度，计算换热器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
其中，Cmin为最小热容量，Th,in，Tl,in分别为换热器入口的高温、低温流体的进口温度，ε为传热有效性，是实际传热量和最大传热量的比例，在0到1之间；
S302、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出换热器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
其中，Ch和Cl为冷热流体的热容量；
S3中，获取汽化器模型的当前温度，包括：
S303、根据进口气流流量和进口气流温度，计算汽化器极限传热量qmax和实际传热量q，计算公式为：
q＝εqmax
其中，Cw,Cv分别为液态水和水蒸气的热容量率；Teva为水的汽化温度；ΔHeva为在Teva温度下的汽化潜热焓值；
S304、根据实际传热量q和换热器高温、低温流体的出口温度的关系，求解出汽化器高温、低温流体的出口温度，计算公式为：
S3中，获取电堆模型的当前温度，包括：
S305、根据阳极、阴极进气流量，计算最大可发生的电化学反应规模，计算公式为：
其中，为最大电化学反应规模，受到反应中氢气消耗速率、氧气消耗速率或反应中电子转移速率三者中最小值的约束；i表示电堆外部测量的电流；N表示电堆的电池片数；F为法拉第常数；
S306、阴极气体升温后，与阳极气体进行热交换，结合换热器模型开展换热计算，更新电堆阳极和阴极出口的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Tc,in-Ta,in),q＝εqmax
其中，c表示电堆阴极，a表示电堆阳极，in表示电堆进口，out表示电堆出口；
S3中，获取燃烧重整器模型的当前温度，包括：
S307、计算燃烧重整器模型混合进气的组分和混合后的气体温度，计算公式为：
S308、计算最大可发生的电化学反应放热，计算公式为：
S309、燃烧腔升温后，与重整管道换热,结合换热器模型开展换热计算，更新重整器燃烧侧和重整侧的气体温度，计算公式为：
qmax＝Cmin(Th,in-Tl,in),q＝εqmax
S310、重整管道吸热后，管道内的水碳混合气发生重整反应；按照蒸汽重整输出气体组分计算重整反应吸热量、更新重整输出气体组分；
S4包括：
S401、计算当前状态下系统各部件模型与热区环境的稳态传热量，并计算当前热区环境温度Tenv，计算公式为：
其中，系数ΔT′ah,ΔT′fh,ΔT′ato表示如下：
kenv为部件与环境换热的修正因子，也称系统发射率，与参与辐射物体的性质、物体的形状等相关，为环境与空气换热器的换热修正因子，/>为环境与燃料换热器的换热修正因子，/>为环境与燃烧重整器的换热修正因子；Ab为等效换热面积；
S402、根据求解热区温度Tenv，计算热区和各部件间的换热量，并更新计算各部件的高低温出气温度，计算公式为：
其中，δ为黑体辐射常数，取值为5.67*10-8W/(m2·K4)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210819217.XA CN114976151B (zh) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210819217.XA CN114976151B (zh) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114976151A CN114976151A (zh) | 2022-08-30 |
| CN114976151B true CN114976151B (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=82970434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210819217.XA Active CN114976151B (zh) | 2022-07-13 | 2022-07-13 | 一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114976151B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116698469B (zh) * | 2023-08-04 | 2023-10-20 | 合肥通用机械研究院有限公司 | 一种sofc阴极空气预热器性能测试系统及测试方法 |
| CN117744413B (zh) * | 2024-02-20 | 2024-06-04 | 华北电力大学 | 一种固体氧化物燃料电池电堆换热等效方法、设备及介质 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100083027A (ko) * | 2009-01-12 | 2010-07-21 | 한국과학기술원 | 고체산화물 연료전지 시스템 |
| CN104009247A (zh) * | 2014-05-04 | 2014-08-27 | 华中科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法 |
| CN109193009A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 中国科学院上海高等研究院 | 固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法 |
| CN111029615A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-17 | 浙江清华长三角研究院 | 一种高温固体氧化物燃料电池系统及其快速启动的方法 |
| CN112038671A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-04 | 华中科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池温度分布估计方法与系统 |
| CN112968196A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-15 | 浙江浙能技术研究院有限公司 | 一种用于固体氧化物燃料电池电堆、bop部件及系统热区的热学-电学联合测试装置 |
| WO2021142883A1 (zh) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | 清华大学 | 燃料电池低温启动性能预测方法及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6122385B2 (ja) * | 2011-11-09 | 2017-04-26 | 京セラ株式会社 | 固体酸化物形燃料電池システム及びその起動制御方法 |
-
2022
- 2022-07-13 CN CN202210819217.XA patent/CN114976151B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100083027A (ko) * | 2009-01-12 | 2010-07-21 | 한국과학기술원 | 고체산화물 연료전지 시스템 |
| CN104009247A (zh) * | 2014-05-04 | 2014-08-27 | 华中科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法 |
| CN109193009A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 中国科学院上海高等研究院 | 固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法 |
| CN111029615A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-17 | 浙江清华长三角研究院 | 一种高温固体氧化物燃料电池系统及其快速启动的方法 |
| WO2021142883A1 (zh) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | 清华大学 | 燃料电池低温启动性能预测方法及系统 |
| CN112038671A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-04 | 华中科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池温度分布估计方法与系统 |
| CN112968196A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-15 | 浙江浙能技术研究院有限公司 | 一种用于固体氧化物燃料电池电堆、bop部件及系统热区的热学-电学联合测试装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Design and Performance Evaluation of Integral-type Hot BoP for Recovering High-temperature Exhaust Gas in 2 kW Class SOFC;Young Bae Kim, et al.;Appl. Chem. Eng.;第30卷(第1期);第62-67页 * |
| Experimental Study for Heat Distribution System and Thermal Performance of Hot BoP in 2kW SOFC System;Young-Bae Kim, et al.;J. of the Korean Society for Environmental Technology;第19卷(第2期);第168-174页 * |
| 直接内重整型固体氧化物燃料电池建模与仿真;朱润凯等;船电技术;第38卷(第03期);第12-17页 * |
| 考虑BoP热区内部件间热传递的SOFC系统建模仿真;洪凌等;系统仿真学报;第34卷(第7期);第1383-1392页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114976151A (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114976151B (zh) | 一种考虑热区部件间热传递的系统多物理域模拟方法 | |
| Mehrpooya et al. | Technical performance analysis of a combined cooling heating and power (CCHP) system based on solid oxide fuel cell (SOFC) technology–A building application | |
| Bakalis et al. | Incorporating available micro gas turbines and fuel cell: Matching considerations and performance evaluation | |
| Azizi et al. | Progress in solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid power systems: System design and analysis, transient operation, controls and optimization | |
| Chan et al. | Multi-level modeling of SOFC–gas turbine hybrid system | |
| Chuahy et al. | Solid oxide fuel cell and advanced combustion engine combined cycle: A pathway to 70% electrical efficiency | |
| Chan et al. | Modelling for part-load operation of solid oxide fuel cell–gas turbine hybrid power plant | |
| Costamagna et al. | Design and part-load performance of a hybrid system based on a solid oxide fuel cell reactor and a micro gas turbine | |
| Zeng et al. | Study on thermodynamic performance of SOFC-CCHP system integrating ORC and double-effect ARC | |
| Kim et al. | Analysis on the operating performance of 5-kW class solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system using spark-assisted ignition | |
| Choi et al. | Solid oxide fuel cell operation in a solid oxide fuel cell–internal combustion engine hybrid system and the design point performance of the hybrid system | |
| Bakalis et al. | Full and part load exergetic analysis of a hybrid micro gas turbine fuel cell system based on existing components | |
| Wang et al. | Dynamic analysis of a micro CHP system based on flame fuel cells | |
| Korsgaard et al. | Part two: Control of a novel HTPEM-based micro combined heat and power fuel cell system | |
| Luo et al. | Investigation on part-load performances of combined cooling and power system primed by solid oxide fuel cell with different bottoming cycles | |
| Yun et al. | Interactive heat transfer characteristics of 5 kW class shell-and-tube methane steam reformer with intermediate temperature heat source | |
| Forough et al. | Design and operation optimization of an internal reforming solid oxide fuel cell integrated system based on multi objective approach | |
| Cho et al. | Solid oxide fuel cell–internal combustion engine hybrid system utilizing an internal combustion engine for anode off-gas recirculation, external reforming, and additional power generation | |
| Lee et al. | Analysis of start-up behavior based on the dynamic simulation of an SOFC–engine hybrid system | |
| Mantelli et al. | Off-design performance analysis of a turbocharged solid oxide fuel cell system | |
| Li et al. | Design and optimization of a solid oxide fuel cell-inverted gas turbine integrated system with zero carbon emission for distributed cogeneration | |
| Hao et al. | Cross-scale modeling and optimization analysis of the solid oxide fuel cell cogeneration system based on the heat current method | |
| Ma et al. | System model and performance analysis of a solid oxide fuel cell system self-humidified with anode off-gas recycling | |
| CN114841545A (zh) | 一种电-混氢天然气城市综合能源系统 | |
| Kim et al. | Development of a new configuration and optimization of the 5-kW class energy conversion system combining a solid oxide fuel cell and internal combustion engine using a spark-assisted ignition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20221230 Address after: 5 / F, building 1, No. 2159-1, yuhangtang Road, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant after: ZHEJIANG ENERGY R & D INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: Zhejiang Baimahu Laboratory Co.,Ltd. Address before: 5 / F, building 1, No. 2159-1, yuhangtang Road, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant before: ZHEJIANG ENERGY R & D INSTITUTE Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |