CN115172798A - 一种sofc-pdc联合循环系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SOFC‑PDC联合循环系统及其控制方法，包括脉冲爆震管和SOFC系统，SOFC系统和PDC只选取天然气或氨气一种燃料；所述脉冲爆震管其产生的废气通过管道连接至所述SOFC系统和涡轮机，用于在SOFC系统启动时为其重整反应提供废气余热，以及在稳定运行时用于驱动涡轮机带动压气机进行工作；所述脉冲爆震管的出气口通过管路连接所述第二气阀；当SOFC启动时，所述第二气阀使所述脉冲爆震管的尾气流向所述SOFC系统，为其重整反应提供热量，当稳定运行时所述第二气阀使所述脉冲爆震管尾气流向所述涡轮机，用于驱动涡轮机带动第一压气机、空压机和第二压气机工作。本发明在传统SOFC系统基础上增加PDC，大幅度提升了系统的燃料利用率、动力性、机动性与环境适应性。
Description
技术领域
本发明属于发动机动力系统集成领域，尤其涉及一种SOFC-PDC联合循环系统及其控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染的日益严峻，新能源低碳化、零碳化成为了社会发展的重要方向，特别是航运业，它承载全球90％的贸易，也占据全球2.7％的CO2排放。鉴于此，拥有零污染，高效率优势的氢能将是海洋清洁绿色能源的重要发展方向。但是受限于低体积能量密度，纯氢气难以存储运输，无法满足海上交通运输需要。而天然气与氨气作为低碳零碳燃料，能量密度大，而且常压下即可液化，便于存储运输，作为化石能源的替代清洁燃料也具备深厚的潜力，研究者对其技术发展都给予较高关注。
而高温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,以下简称SOFC)由于其效率高、燃料适应性强，也得到了学者们的青睐，特别是以天然气为燃料的高温固体氧化物燃料电池SOFC，其技术已经十分成熟，但其动态响应性能差、余热损失大，故多用于大型发电厂。天然气进入SOFC中进行反应前，需要先进行重整生成氢气，因此在SOFC当中进行的主要为氢-氧反应，然而氢气未能在SOFC中完全利用，尚有30％左右的氢气存在于阳极废气中，且废气当中的高温余热也需要回收以进一步提高效率。近年来，许多研究人员将SOFC与燃气轮机相结合，将燃气轮机作为底部循环，利用SOFC的高温余热以提高发电装置的效率，如图1所示。但SOFC与燃气轮机结合时其系统热耦合复杂程度高，且部分负荷时效率低、动态响应能力差。而爆震燃烧技术是一种新兴的燃烧技术，同传统的Diesel等压循环相比，脉冲爆震燃烧具有循环热效率高、单位推重比大、燃烧过程自增压等优点，如图2。鉴于SOFC的上述缺点，通过结合爆震燃烧技术高速燃烧放热、定容升压等技术特点，在极短时间内获得高温高压工质，向燃料电池重整反应提供热量，能有效提高系统的动态响应能力；当其稳定运行后，爆震燃烧的废气用来推动涡轮增压器快速转动，为系统提供充足的进气充量。
为此，需要高温固体氧化物燃料电池使用脉冲爆震燃烧室(Pulse DetonationCombusiton Chambar，以下简称PDC)来提高SOFC系统的动态响应能力，采用氨或者天然气作为系统燃料构建一套高效低碳的电力系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，将高效率的高温固体氧化物燃料电池SOFC与脉冲爆震管PDC耦合循环，提供一种SOFC-PDC联合循环系统及其控制方法。在本发明中所述SOFC和PDC选取天然气或选取氨气作为燃料。SOFC阳极侧排出的废气当中的未燃氢用于辅助爆震管起爆，废气余热用于预热燃料与空气、为重整反应提供热量；此外，当SOFC启动时，脉冲爆震管喷射燃料起爆，其高温高压尾气用于预热SOFC系统，可缩短其启动时间，当稳定运行时脉冲爆震管尾气用于驱动涡轮机带动压气机进行工作。脉冲爆震管燃烧快、推力大，体积小、响应快，耦合高效率的燃料电池，大幅度提升了系统的燃料利用率、动力性、机动性与环境适应性。
一种SOFC-PDC联合循环系统，包括脉冲爆震管和SOFC系统；
所述脉冲爆震管(以下简称PDC)选取天然气/氨气为燃料，其产生的废气通过管道连接至所述SOFC系统和涡轮机，用于在SOFC系统启动时为其重整反应提供废气余热，以及在稳定运行时用于驱动涡轮机带动压气机进行工作；所述脉冲爆震管的进气口通过管路分别接入空气和燃料，其出气口通过管路连接所述第二气阀；当SOFC启动时，所述第二气阀使所述脉冲爆震管的尾气流向所述SOFC系统，为其重整反应提供热量，当稳定运行时所述第二气阀使所述脉冲爆震管尾气流向所述涡轮机，用于驱动涡轮机带动第一压气机、空压机和第二压气机工作；
所述SOFC系统选取天然气/氨气为燃料，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的阳极废气，所述阳极废气余热用于预热燃料和/或空气、为重整反应提供热量，以及部分废气用于参与重整反应；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气；
所述重整器用于进行重整反应，其入口能够接收水蒸汽和/或处理后的燃料，其出口流向SOFC阳极。
进一步的，所述系统还包括SOFC阴极过剩空气循环流路，用于将新鲜空气利用SOFC阴极排出的废气进行预热；所述新鲜空气在第一预热器中被来自SOFC阴极的废气加热。
进一步的，当所述SOFC系统和PDC的燃料为天然气时，所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述PDC8以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机压缩后分为两路，一路流入第一预热器，在此被来自SOFC阴极的过剩废气加热；另一路进入所述PDC中参与起爆；
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器参与重整反应；包括相互连接的过热器和第二压气机，水流入所述过热器的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成蒸汽后从其出口经过管道进入第二压气机压缩后流入所述SOFC系统的重整器进行重整反应；
燃料流路，使预热的燃料流入重整器中参与重整反应，所述SOFC系统的重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；天然气经第一压气机压缩后分为两路，一路直接流入PDC中，另一路流入连接第二预热器，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的天然气经管道流入混合器中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合后，进入重整器中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的高温阳极废气依次流经蒸汽流路、燃料流路，加热上述流路中的元件提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀，经第一气阀调控流量后分两路，一路直接通向混合器用于与加热的天然气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器、第二预热器、冷凝器后流入PDC，使去除水分的废气、压缩的空气和天然气在所述PDC内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统或驱动涡轮机；其中废气经过过热器加热流经的水，经过第二预热器加热其中的燃料，经过冷凝器去除废气中的水分；所述第一气阀用于控制进入两路流路的流量分配及控制阳极废气的回流率；
PDC尾气余热流路，使来自PDC尾气的余热加热所述SOFC系统为重整反应提供热量或驱动涡轮机从而带动第一压气机、空压机和第二压气机工作；其中，所述PDC尾气余热流路如下：从所述PDC流出的尾气经第二气阀调控其流向分为两路，一路流向所述SOFC系统，另一路依次流向涡轮机、第一压气机、空压机和第二压气机用于涡轮增压。
进一步的，当所述SOFC系统和所述脉冲爆震管的燃料为氨气时，所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述PDC以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机压缩后分为两路，一路流入第一预热器，在此被来自SOFC阴极的过剩废气加热；另一路进入所述PDC中参与起爆；
燃料流路，使预热的氨气流入重整器中参与重整反应，所述SOFC系统的重整反应为：
2NH3＝N2+3H2
氨气经第一压气机压缩后分为两路，一路直接流入PDC中，另一路流入连接第二预热器，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的氨气经管道流入混合器中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与氨气进行混合后，进入重整器中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的高温阳极废气流经燃料流路，加热第二预热器提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与氨气在和混合器混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀，经第一气阀调控流量后分两路，一路直接通向混合器用于与加热的氨气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经第二预热器、冷凝器后流入PDC，使去除水分的废气、压缩的空气和氨气在所述PDC内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统或驱动涡轮机；其中废气经过第二预热器加热其中的燃料，经过冷凝器去除废气中的水分；
PDC尾气余热流路，使来自PDC8尾气的余热加热所述SOFC系统为重整反应提供热量，并驱动涡轮机从而依次带动第一压气机、空压机和第二压气机工作。
利用上述SOFC-PDC联合循环系统的控制方法：
步骤一：准备阶段，在SOFC启动时或者功率需求突然增大，即从0～10％低负荷上升至70-80％大负荷时，ECU获取所述SOFC系统的重整器为重整反应所需的热量及进气压力；
步骤二：供热阶段，来自空气流路的压缩空气进入PDC内，同时ECU控制所述PDC内喷油器喷油，所述PDC内发生爆震，ECU调控第二气阀使所述PDC排出的高温高压气体流向所述SOFC系统用于向其重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；其中所述ECU控制所述PDC内喷油器喷油具体包括：根据步骤一获取的热量与进气压力，ECU调节PDC的喷油量与燃料质量；
步骤三：增压阶段，SOFC系统稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路加热途经元件后，再通入到冷凝器冷凝除水之后，通入到所述PDC内，其废气当中的未燃氢辅助压缩的空气和天然气起爆，ECU调控第二气阀使所述PDC排出的高温高压气体流向另一路，即驱动涡轮机后带动第一压气机、空压机和第二压气机工作。
进一步的，在步骤三中，当动力系统负荷变化时，改变所述PDC中天然气/氨气的流量与柴油热值替代比至30％～50％用于改变系统的工况。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、相比于传统的SOFC系统新增了PDC系统，为SOFC系统预热提供了热源，以及为涡轮增压器提供了额外的动力来源，大幅度提升了发动机的动力性、机动性与环境适应性，使系统具有高瞬态响应特性；所述PDC具有燃烧快，推力大，体积小响应快的特点，适用于一般SOFC系统的安装使用，同时利用SOFC阳极废气当中的未燃氢，辅助PDC起爆，提高了整个系统的热效率；
2、在SOFC启动时，PDC高温高压尾气将用于为重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；
3、在系统负荷发生变化时，通过改善PDC天然气/氨气流量与汽油喷射比例，快速转变系统工况。
附图说明
图1是现有技术SOFC与燃气轮机联合发电结构示意图；
图2是理想爆震循环与理想等压循环的T-S图；
图3是本发明的SOFC-PDC联合循环系统结构示意图，图3a是实施例1的系统示意图，图3b是实施例2的系统示意图；
图4是所述PDC装置的布置图；
图5是PDC采用氨气为燃料的本发明的SOFC-PDC联合循环系统和仅使用氨气的起爆对比；其中图5a是缸压对比图，图5b是放热率对比图。
其中，
1：空压机 2：压气机
3：涡轮机 4：第一预热器
5：过热器 6：第二预热器
7：冷凝器 8：PDC
9：第一气阀 10：混合器
11：第二压气机 12：重整器
13：SOFC系统 14：第二气阀
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：选取天然气为系统燃料
如图3a所示，一种SOFC-PDC联合循环系统，包括脉冲爆震管8(以下简称PDC)和SOFC系统13；所述PDC8的燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力，所述PDC8选取天然气为燃料，其产生的废气通过管道连接至所述SOFC系统和涡轮机，用于在SOFC系统启动时为其重整反应提供废气余热，以及在稳定运行时用于驱动涡轮机带动压气机进行工作；所述PDC的布置图如图4所示，包括2个喷油器、火花塞、燃烧室，所述燃烧室包括进气段、预混段、点火段、爆震段和出气口，所述进气段进气口通过管路分别接入空气和燃料；所述出气口通过管路连接所述第二气阀14。
所述SOFC系统13选取天然气为燃料，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器12；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的高温阳极废气，且流向过热器5与第二预热器6，为其提供热量，预热燃料与生成重整反应所需要的水蒸汽，以及流向混合器10使所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气，即多余的高温空气；所述重整器12用于进行重整反应，其入口能够接收蒸汽和/或处理后的天然气，其出口流向SOFC阳极；所述重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；
所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述PDC8以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机1压缩后分为两路，一路流入第一预热器4，在此被来自SOFC阴极的过剩废气加热；另一路进入所述PDC8中参与起爆；
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器12参与重整反应；包括相互连接的过热器5和第二压气机11，水流入所述过热器5的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成蒸汽后从其出口经过管道进入第二压气机11后流入所述SOFC系统的重整器12进行重整反应；
燃料流路，使预热的燃料流入重整器中参与重整反应；以天然气作为SOFC系统13和PDC8的燃料，天然气从第一压气机2的入口流入，将天然气在其中压缩到一定压力后，从所述第一压气机2的出口分为两路，一路直接流入PDC中，另一路流入连接第二预热器6，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的天然气经管道流入混合器10中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合后，进入重整器12中；由于电池在极高温度下运行，通入电极内部的碳氢燃料在高温下可以发生内部重整反应，但在图中将重整器单独画出以方便理解。
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的高温阳极废气依次流经蒸汽流路、燃料流路，加热上述流路中的元件提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀9，经第一气阀9调控流量后分两路，一路直接通向混合器10用于与加热的天然气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器5、第二预热器6、冷凝器7后流入PDC，使去除水分的废气、压缩的空气和天然气在所述PDC内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统13或驱动涡轮机3；其中废气经过过热器5加热流经的水，经过第二预热器6加热其中的燃料，经过冷凝器7去除废气中的水分。所述第一气阀9用于控制进入两路流路的流量分配及控制阳极废气的回流率。
PDC尾气余热流路，使来自PDC8尾气的余热加热所述SOFC系统13为重整反应提供热量或驱动涡轮机3从而带动第一压气机2、空压机1和第二压气机11工作。其中，所述PDC尾气余热流路如下：从所述PDC流出的尾气经第二气阀14调控其流向分为两路，一路流向所述SOFC系统13，另一路依次流向涡轮机3、第一压气机2、空压机1和第二压气机11用于涡轮增压。
其中，SOFC系统13中的重整反应分为甲烷水蒸气重整反应(MSRR)和水煤气变换反应(WGSR)：
甲烷水蒸气重整反应(MSRR)：
水煤气变换反应(WGSR)：
反应产物进入到SOFC阳极，与阴极空气进行氧化还原反应。为反应气体一部分的CO虽然可以参与电化学反应，但是在SOFC电化学反应中氢氧反应占据主要作用，所以CO的作用被忽略。碳氢燃料在阳极氧化产生的电子通过外部电路进入电池阴极，接受氧还原，阴极产生的离子则通过电解质层内部电路进入阳极，完成整个电路循环。
整体反应：
阴极反应：
阳极反应：
固体氧化物燃料电池(SOFC)整体工作温度很高(600℃-1000℃)，故阴极与阳极废气温度都很高。SOFC阴极产物(主要为高温空气)用于预热新鲜空气，阳极废气用于给过热器5与第二预热器6提供热量，加热燃料。此外，阳极废气当中含有未反应完的氢气，为进一步利用这部分氢气以提高PDC中燃料燃烧时火焰传播速度，将废气进行冷凝除去水分后，与压缩的空气和天然气在PDC内混合辅助起爆，其高温高压废气用于驱动涡轮机3带动第一压气机2、空压机1和第二压气机11，为系统提供充足的进气充量。SOFC启动时间较长，为了提高其启动性能，在其启动或者是变工况时，汽油直喷进入PDC中发生爆震，高温高压尾气用于预热SOFC，为裂解反应提供热量，缩短其冷启动时间，改善SOFC动态响应能力；在系统稳定运行时，PDC尾气用于驱动涡轮，以带动压气机工作。
由于SOFC存在启动时间长的问题，为了提高其启动性能，本系统将SOFC与脉冲爆震管PDC进行联合，使用阳极废气中的未燃氢辅助PDC起爆。利用本系统的控制方法具体包括：
步骤一：准备阶段，在SOFC启动时或者功率需求突然增大，即从0～10％低负荷上升至70-80％大负荷时，ECU获取所述SOFC系统的重整器12为重整反应所需的热量及进气压力；
步骤二：供热阶段，来自空气流路的压缩空气进入PDC8内，同时ECU控制所述PDC内喷油器喷油，所述PDC内发生爆震，ECU调控第二气阀14使所述PDC排出的高温高压气体流向所述SOFC系统13用于向其重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；其中所述ECU控制所述PDC内喷油器喷油具体包括：根据步骤一获取的热量与进气压力，ECU调节PDC的喷油量与燃料质量；
步骤三：增压阶段，SOFC系统13稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路经过所述过热器5、第二预热器6后，再通入到冷凝器7冷凝除水之后，通入到所述PDC8内，其废气当中的未燃氢辅助压缩的空气和天然气起爆，ECU调控第二气阀14使所述PDC排出的高温高压气体流向另一路，即驱动涡轮机3后带动第一压气机2、空压机1和第二压气机11工作。
整个系统独立进气，对发动机的影响小，同时能快速的提高发动机的进气压力，使得发动机的扭矩响应时间更短。
在系统稳定运行阶段，当动力系统负荷变化时，即改变工况情况下，通过改变所述PDC8中天然气的流量与柴油替代比至30％～50％来迅速改变系统的工况，提高系统动态响应性能。
实施例2：选取氨气为系统燃料
如图3b所示，一种SOFC-PDC联合循环系统，包括脉冲爆震管8(以下简称PDC)和SOFC系统13；所述PDC8的燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，进而产生动力，所述PDC8选取氨气为燃料，其产生的废气通过管道连接至所述SOFC系统用于为SOFC系统的重整反应提供废气余热。
所述SOFC系统13，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器12；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的高温阳极废气，且流向第二预热器6，为其提供热量，预热燃料与生成重整反应所需要的水蒸汽，以及流向混合器10使所述SOFC阳极的废气中的水分与氨气进行混合；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气，即多余的高温空气；所述重整器12用于进行重整反应，其入口能够接收加热的氨气，其出口流向SOFC阳极；所述重整反应为：
2NH3＝N2+3H2
重整反应不需要水蒸汽的参与，故系统中没有蒸汽流路。反应产物进入到SOFC系统13，其内部进行的反应与上述实施例1一致，此处不再赘述。所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述PDC8以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机1压缩后分为两路，一路流入第一预热器4，在此被来自SOFC阴极的过剩废气加热；另一路进入所述PDC8中参与起爆；
燃料流路，以氨气作为SOFC和PDC的燃料，使预热的氨气流入重整器中参与重整反应；氨气从第一压气机2的入口流入，将氨气在其中压缩到一定压力后，从所述第一压气机2的出口分为两路，一路直接流入PDC8中，另一路流入连接第二预热器6，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的氨气经管道流入混合器10中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与氨气进行混合后，进入重整器12中；由于电池在极高温度下运行，通入电极内部的碳氢燃料在高温下可以发生内部重整反应，但在图中将重整器单独画出以方便理解。
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的700℃～900℃的高温阳极废气流经燃料流路，加热第二预热器6提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与氨气在和混合器10混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀9，经第一气阀9调控流量后分两路，一路直接通向混合器10用于与加热的氨气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经第二预热器6、冷凝器7后流入PDC8，使去除水分的废气、压缩的空气和氨气在所述PDC内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统13或驱动涡轮机3；其中废气经过第二预热器6加热其中的燃料，经过冷凝器7去除废气中的水分。所述第一气阀9用于控制进入两路流路的流量分配及控制阳极废气的回流率。
PDC尾气余热流路，使来自PDC8尾气的余热加热所述SOFC系统13为重整反应提供热量，并驱动涡轮机3从而依次带动第一压气机2、空压机1和第二压气机11工作。其中，所述PDC尾气余热流路如下：从所述PDC流出的尾气经第二气阀14分两路，一路流向所述SOFC系统13，另一路依次流向涡轮机3、第一压气机2、空压机1用于涡轮增压。所述第二气阀14用于控制工质流向所述SOFC系统13，或是流向另一路。
所述控制方法与实施例1类似，只是采用氨气作为燃料，在此不再赘述。在系统稳定运行阶段，当动力系统负荷变化时，即改变工况情况下，通过改变所述PDC8中氨气的流量与柴油替代比至30％～50％来迅速改变系统的工况，提高系统动态响应性能。
将氨气作为PDC的燃料进行仿真研究，其中SOFC阳极尾气对PDC的起爆效果如下：
在MATLAB建立了SOFC的零维模型，计算其主要废气组分，如表2所示，对PDC影响比较大的是H2与CO2。将其与PDC进行耦合，稳定运行后将阳极废气通入到PDC当中，此时PDC中氨气喷射质量流量为7g/s，研究其能量利用的效率以及PDC的起爆效果。PDC主要控制参数如表1所示，初始气体组分如表3所示，仿真研究的是系统稳定运行工况，故此时喷油器不喷射汽油。当PDC采用氨气为燃料时，惰性比天然气高，其燃烧与起爆效果不如天然气，故仿真时将氨气作为PDC的燃料进行研究。
表1 PDC装置的控制参数
表2 SOFC零维模型计算结果
表3 PDC初始气体组分
使用CONVERGE进行仿真，结果如图5a所示，纯氨气运行时无法起爆，而在阳极废气中未燃氢的作用下可以顺利起爆，最大压力达到0.84MPa，累计放热量达7400J，因此，PDC在SOFC阳极尾气的作用下能成功起爆。
图5示出PDC采用氨气为燃料的本发明的SOFC-PDC联合循环系统和仅使用氨气的起爆对比；其中图5a是缸压对比图，图5b是放热率对比图。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种SOFC-PDC联合循环系统，包括脉冲爆震管(8)和SOFC系统(13)；其特征在于，所述脉冲爆震管(8)选取天然气/氨气为燃料，其产生的废气通过管道连接至所述SOFC系统(13)和涡轮机(3)，用于在SOFC系统(13)启动时为其重整反应提供废气余热，以及在稳定运行时用于驱动涡轮机(3)带动压气机进行工作；所述脉冲爆震管(8)的进气口通过管路分别接入空气和燃料，其出气口通过管路连接第二气阀(14)；当SOFC启动时，所述第二气阀(14)使所述脉冲爆震管(8)的尾气流向所述SOFC系统(13)，为其重整反应提供热量，当稳定运行时所述第二气阀(14)使所述脉冲爆震管(8)尾气流向所述涡轮机(3)，用于驱动涡轮机带动第一压气机(2)、空压机(1)和第二压气机(11)工作；
所述SOFC系统(13)选取天然气/氨气为燃料，能够产生电力并具有SOFC阳极、SOFC阴极和重整器(12)；所述SOFC阳极出口能够产生含有未燃氢、温度为700℃～900℃的阳极废气，所述阳极废气余热用于预热燃料和/或空气、为重整反应提供热量，以及部分废气用于参与重整反应；所述SOFC阴极的入口接收空气，其出口排出温度为700℃～900℃的阴极废气；
所述重整器(12)用于进行重整反应，其入口能够接收水蒸汽和/或处理后的燃料，其出口流向SOFC阳极。
2.根据权利要求1所述的SOFC-PDC联合循环系统，其特征在于，所述系统还包括SOFC阴极过剩空气循环流路，用于将新鲜空气利用SOFC阴极排出的废气进行预热；所述新鲜空气在第一预热器(4)中被来自SOFC阴极的废气加热。
3.根据权利要求2所述的SOFC-PDC联合循环系统，其特征在于，当所述SOFC系统和脉冲爆震管(8)的燃料为天然气时，所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述脉冲爆震管(8)以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机(1)压缩后分为两路，一路流入所述第一预热器(4)，另一路进入所述脉冲爆震管(8)中参与起爆；
蒸汽流路，用于形成水蒸汽并流入重整器(12)参与重整反应；包括相互连接的过热器(5)和第二压气机(11)，水流入所述过热器(5)的入口，在此被来自SOFC阳极的废气加热形成蒸汽后从其出口经过管道进入第二压气机(11)压缩后流入所述SOFC系统的重整器(12)进行重整反应；
燃料流路，使预热的天然气流入重整器中参与重整反应，所述SOFC系统的重整反应包括甲烷水蒸气重整反应和水煤气变换反应；天然气经第一压气机(2)压缩后分为两路，一路直接流入脉冲爆震管(8)中，另一路流入连接第二预热器(6)，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的天然气经管道流入混合器(10)中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与天然气进行混合后，进入重整器(12)中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的阳极废气依次流经蒸汽流路、燃料流路，加热上述流路中的元件提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀(9)，经第一气阀(9)调控流量后分两路，一路直接通向混合器(10)用于与加热的天然气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经过热器(5)、第二预热器(6)、冷凝器(7)后流入脉冲爆震管(8)，使去除水分的废气、压缩的空气和天然气在所述脉冲爆震管(8)内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统(13)或驱动涡轮机(3)；其中废气经过过热器(5)加热流经的水，经过第二预热器(6)加热其中的燃料，经过冷凝器(7)去除废气中的水分；所述第一气阀(9)用于控制进入两路流路的流量分配及控制阳极废气的回流率；
PDC尾气余热流路，使来自脉冲爆震管(8)尾气的余热加热所述SOFC系统(13)为重整反应提供热量或驱动涡轮机(3)从而带动第一压气机(2)、空压机(1)和第二压气机(11)工作；其中，所述脉冲爆震管(8)尾气余热流路如下：从所述脉冲爆震管(8)流出的尾气经第二气阀(14)调控其流向分为两路，一路流向所述SOFC系统(13)，另一路依次流向涡轮机(3)、第一压气机(2)、空压机(1)和第二压气机(11)用于涡轮增压。
4.根据权利要求2所述的SOFC-PDC联合循环系统，其特征在于，当所述SOFC系统和所述脉冲爆震管的燃料为氨气时，所述系统还包括：
空气流路，用于将新鲜空气输入所述脉冲爆震管(8)以及利用SOFC阴极排出的废气进行预热；新鲜空气经空压机(1)压缩后分为两路，一路流入第一预热器(4)，另一路进入所述脉冲爆震管(8)中参与起爆；
燃料流路，使预热的氨气流入重整器中参与重整反应，所述SOFC系统的重整反应为：
2NH3＝N2+3H2
氨气经第一压气机(2)压缩后分为两路，一路直接流入脉冲爆震管(8)中，另一路流入连接第二预热器(6)，在此被来自SOFC阳极的废气加热，之后加热的氨气经管道流入混合器(10)中，混合器中的所述SOFC阳极的废气中的水分与氨气进行混合后，进入重整器(12)中；
SOFC阳极废气循环流路，使来自SOFC阳极的阳极废气流经燃料流路，加热第二预热器6提高SOFC的燃料利用率以及利用废气中的水分与氨气在和混合器(10)混合后进行重整反应；所述SOFC阳极废气循环流路如下：所述SOFC阳极的废气经其出口进入第一气阀(9)，经第一气阀(9)调控流量后分两路，一路直接通向混合器(10)用于与加热的氨气进行混合，用于利用废气中的水分与燃料混合后进行重整反应；另一路流经第二预热器(6)、冷凝器(7)后流入脉冲爆震管(8)，使去除水分的废气、压缩的空气和氨气在所述脉冲爆震管(8)内进行混合并起爆，随后加热SOFC系统(13)或驱动涡轮机(3)；其中废气经过第二预热器(6)加热其中的燃料，经过冷凝器(7)去除废气中的水分；
PDC尾气余热流路，使来自脉冲爆震管(8)尾气的余热加热所述SOFC系统(13)为重整反应提供热量，并驱动涡轮机(3)从而依次带动第一压气机(2)、空压机(1)和第二压气机(11)工作。
5.利用如权利要求1所述的SOFC-PDC联合循环系统的控制方法，包括：
步骤一：准备阶段，在SOFC启动时或者功率需求突然增大，即从0～10％低负荷上升至70-80％大负荷时，ECU获取所述SOFC系统的重整器(12)为重整反应所需的热量及进气压力；
步骤二：供热阶段，来自空气流路的压缩空气进入脉冲爆震管(8)内，同时ECU控制所述脉冲爆震管(8)内喷油器喷油，所述脉冲爆震管(8)内发生爆震，ECU调控第二气阀(14)使所述脉冲爆震管(8)排出的高温高压气体流向所述SOFC系统(13)用于向其重整反应提供热量，缩短其冷启动时间；其中所述ECU控制所述脉冲爆震管(8)内喷油器喷油具体包括：根据步骤一获取的热量与进气压力，ECU调节脉冲爆震管(8)的喷油量与燃料质量；
步骤三：增压阶段，SOFC系统(13)稳定运行之后，所述SOFC阳极的废气热量沿SOFC阳极废气循环流路加热途经元件后，再通入到冷凝器(7)冷凝除水之后，通入到所述脉冲爆震管(8)内，其废气当中的未燃氢辅助压缩的空气和天然气起爆，ECU调控第二气阀(14)使所述脉冲爆震管(8)排出的高温高压气体流向另一路，即驱动涡轮机(3)后带动第一压气机(2)、空压机(1)和第二压气机(11)工作。
6.根据权利要求5所述的控制方法，在步骤三中，当动力系统负荷变化时，改变所述脉冲爆震管(8)中天然气/氨气的流量与柴油热值替代比至30％～50％用于改变系统的工况。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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