CN117525494A - 一种级联重整器的运转控制方法、装置及sofc发电系统 - Google Patents

一种级联重整器的运转控制方法、装置及sofc发电系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统，对于梯级设计的级联重整器，其中的运转控制方法根据SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量确定响应供气的重整器级别，由不同级别的重整器响应切换至不同运行状态所需的重整气流量，即把SOFC电堆的功率波动导致的重整气流量波动分配至各级重整器，避免只有一个级别或只有一台重整器响应所有的流量波动，能最大限度保护重整器和SOFC电堆的安全，显著提高SOFC发电系统整体运行的可靠性，使得系统整体响应重整气流量波动的时间更短，系统工作效率和稳定性大大提升。

Description

一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统
技术领域
本发明属于重整器控制技术，尤其涉及一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中理论能量密度最高的一种。常用含氢气体作为SOFC的燃料，但是氢气在储存和运输方面难度较大，因此制氢技术是国内外能源领域广为关注的热点课题。
制氢方式有多种，例如有机物的重整、热分解、光解制氢、电解水制氢、生物制氢等，但以烃类和醇类为基本原料的重整制氢仍然是目前工业制氢的主要方法，尤其是醇类重整制氢，主要方式是水蒸气重整或部分氧化。
典型的SOFC热电联产系统包括SOFC本体、燃料处理模块、热回收模块等，需要的设备包括蒸汽发生器、重整反应器、换热器以及燃烧器等。实际运行时，由SOFC本体组成的电堆系统存在不同波动功率的运行状态，这要求甲醇重整器产生的重整气流量要跟随SOFC电堆系统的功率波动而波动，反复的流量波动对重整反应器的催化剂和反应器本体都不友好，容易减损反应器的使用寿命，催化剂在部分条件下失活，且由于系统存在较大的热惯性，波动的响应时间较长。
发明内容
基于此，本发明旨在提供一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统，以至少克服上述现有技术的不足。
第一方面，本发明提供一种级联重整器的运转控制方法，级联重整器包括至少两级重整器，各级重整器根据可供气量梯级设置，SOFC电堆各运行状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应，运转控制方法包括：
获取SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量；
根据当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别；
根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令；
根据控制指令控制级联重整器中已确定级别对应的重整器调节供气量，使得供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
进一步地，根据当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别包括：
确定响应于令SOFC电堆从当前状态切换至目标状态所需第一重整气流量的第一重整器级别；
确定响应于维持SOFC电堆在目标状态所需第二重整气流量的第二重整器级别。
进一步地，SOFC电堆从当前状态切换至目标状态之间经过中间状态时，根据当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别包括：
确定响应于令SOFC电堆从当前状态切换至中间状态所需第三重整气流量的第三重整器级别；
确定响应于令SOFC电堆从中间状态切换至目标状态所需第四重整气流量的第四重整器级别。
进一步地，上述运转控制方法包括：
重整气需求量小于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限时，控制被启动的重整器中最高级别的重整器退出供气，由被启动的重整器中除最高级别以外的重整器供气；
重整气需求量高于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限且低于其允许供气量上限时，控制被启动的重整器中除最高级别的重整器以外的重整器退出供气，仅由被启动的重整器中最高级别的重整器供气。
进一步地，上述运转控制方法还包括：
获取SOFC电堆的温度变化信息；
根据温度变化信息确定SOFC电堆的重整气需求量。
进一步地，上述运转控制方法还包括：
获取SOFC电堆的设备信息；
根据设备信息与重整器级别的对应关系确定响应供气量调节的重整器级别。
第二方面，本发明提供一种级联重整器的运转控制装置，包括：
状态信息获取单元，被配置为获取SOFC电堆的当前状态和目标状态；
重整气量获取单元，被配置为获取SOFC电堆的重整气需求量；
重整器级别确定单元，被配置为根据当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别；
指令生成单元，被配置为根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令；
控制单元，被配置为根据控制指令控制级联重整器中已确定级别对应的重整器调节供气量，使得供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
进一步地，上述运转控制装置还包括：
温度信息获取单元，被配置为获取SOFC电堆的温度变化信息。
第三方面，本发明提供一种基于级联重整器的SOFC发电系统，包括级联重整器、控制器和SOFC电堆系统；
级联重整器包括至少两级重整器，各级重整器根据可供气量梯级设置，同一级别的重整器并联连接，各级重整器产生的重整气均由控制器控制分配至SOFC电堆系统，SOFC电堆系统切换至不同的目标状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应；
控制器分别和级联重整器与SOFC电堆系统连接；
控制器使用上述的运转控制方法控制级联重整器中各级重整器调节供气量。
进一步地，各级重整器的供气量范围根据SOFC电堆的运行状态对应的重整气需求量以及SOFC电堆系统中SOFC电堆的数量设定。
从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统，对于梯级设计的级联重整器，其中的运转控制方法根据SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量确定响应供气的重整器级别，由不同级别的重整器响应切换至不同运行状态所需的重整气流量，即把SOFC电堆的功率波动导致的重整气流量波动分配至各级重整器，避免只有一个级别或只有一台重整器响应所有的流量波动，能最大限度保护重整器和SOFC电堆的安全，显著提高SOFC发电系统整体运行的可靠性，同时提高系统各设备的使用寿命；各级重整器根据可供气量梯级设置，在响应流量波动时一方面把大型装置的动态条件变化减小，另一方面由小型装置响应本来由大型装置承担的流量波动，而小型装置稳定所需时间比大型装置更短，使得系统整体响应重整气流量波动的时间更短，系统工作效率和稳定性大大提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于级联甲醇重整器的SOFC发电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种级联重整器的运转控制方法实现流程图；
图3为本发明实施例提供的一种级联重整器的运转控制装置结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种级联重整器的运转控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一类使用固体氧化物电解质的燃料电池，固体氧化物电解质将负氧离子从阴极传导至阳极。在阳极负氧离子将氢或者一氧化碳通过电化学氧化。燃料中的氢主要来自天然气、甲醇等的燃料重整，而氧来源于空气，通常燃料在SOFC阳极上游装置中进行重整反应，重整得到的产物包括氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等。燃料通常在重整反应器中发生重整制氢反应，由燃烧器或燃烧室内的燃烧反应为重整反应提供一定能量，在燃烧器或燃烧室内燃烧产生的高温烟气进入重整反应器与燃料进行热交换，使得燃料在催化剂的作用下进行重整制氢。
SOFC电堆系统实际运行时，主要有正常工作、待机、停机和启动四种状态，运行时需要根据状态切换而进行各类波动功率的切换，进而要求甲醇重整模块产生的重整气流量也随着SOFC电堆系统的功率波动而波动，而目前使用的往往是大型甲醇重整器，电堆系统所有的功率波动导致的气量变化都由一个级别或者同一台重整器承担，尤其是由重整器的启动、供气到SOFC电堆系统的首轮启动，即整个SOFC电堆系统从停机到工作状态，这一过程缺少相应的运转控制策略，导致对系统的热惯性缺乏有效处理，对电堆系统切换运行状态时的响应造成不利影响。
甲醇制氢具有重整反应温度低及氢纯化步骤少的优点，甲醇水蒸气重整制氢可以得到氢气含量较高的富氢气体，但该重整反应为吸热反应，反应温度较高，在200～300℃左右，起始反应速率慢，频繁且大幅度的流量波动对重整器和催化剂均有不利影响。
为了解决上述技术问题，本申请通过以下一系列实施例提供一种级联重整器的运转控制方法、装置及SOFC发电系统，其中的级联重整器包括至少两级重整器，各级重整器根据可供气量梯级设置，SOFC电堆切换至不同的目标状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应，通过对该级联重整器的运转控制实现对SOFC电堆系统切换运行状态或工作不同温度所需重整气流量的响应，即确定哪些级别的重整器减少或增加供气量的这一过程。
在一个实施例中，本申请提供一种基于级联重整器的SOFC发电系统，包括级联重整器、控制器和SOFC电堆系统。
级联重整器包括至少两级重整器，各级重整器根据可供气量梯级设置，同一级别的重整器并联连接，各级重整器产生的重整气均由控制器控制分配至SOFC电堆系统，SOFC电堆各运行状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应。
控制器分别和级联重整器与SOFC电堆系统连接，控制器根据SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量确定响应的重整器级别，并控制级联重整器中各级重整器减少或增加供气，使得SOFC电堆完成不同运行状态或温度的切换。
具体地，SOFC电堆系统通常包括不止一个SOFC电堆，各SOFC电堆并联连接，且各SOFC电堆均与控制器连接，控制器可读取各SOFC电堆的本征参数及时序变量，据此确定SOFC电堆的当前运行状态和需要切换的目标状态，并根据SOFC电堆的功率波动数据计算每一个SOFC电堆所需的重整气流量。
系统工作时各级重整器根据控制器的控制指令调节供气量，例如根据控制指令减少供气或增加供气，或维持当前供气量，产生的重整气被控制器分配至各SOFC电堆。
示例性的，各级重整器生成的重整气汇流至中枢管道，由控制器统一控制分配再流入各SOFC电堆进行发电。
进一步的实施例中，各级重整器的供气量范围根据SOFC电堆运行状态对应的重整气需求量以及SOFC电堆的数量设定。
具体地，重整器的气体流量与其体积正相关，且SOFC电堆各运行状态的重整气需求量不同，各级重整器的供气量除了满足气体流量的安全可变范围，还可以通过设计不同体积的重整器以满足梯级设置的需求，以三级重整器为例，例如，最低一级的重整器的最大供气量满足2个SOFC电堆工作时所需的重整气流量，次级重整器的最大供气量满足5个SOFC电堆工作时所需的重整气流量，最高级重整器的最大供气量满足10个SOFC电堆工作时所需的重整气流量，SOFC电堆切换至不同的运行状态时所需的重整气流量由不同级别的重整器响应，例如低气流量需求对应的运行状态由最大供气量较小的重整器响应供气，高气流量需求对应的运行状态由最大供气量较大的重整器响应供气，在此设定下控制器可以根据SOFC电堆的状态切换需求和重整气需求量确定由哪一级别的重整器响应调节供气量。
本实施例提供的系统中关于级联重整器的设定，由不同级别的重整器响应切换至不同运行状态所需的重整气流量，即把SOFC电堆的功率波动导致的重整气流量波动分配至各级重整器，避免只有一个级别或只有一台重整器响应所有的流量波动，能最大限度保护重整器和SOFC电堆的安全，显著提高SOFC发电系统整体运行的可靠性，同时提高系统各设备的使用寿命；各级重整器根据可供气量梯级设置，在响应流量波动时一方面把大型装置的动态条件变化减小，另一方面由小型装置响应本来由大型装置承担的流量波动，而小型装置稳定所需时间比大型装置更短，使得系统整体响应重整气流量波动的时间更短，系统工作效率和稳定性大大提升。
示例性的，图1提供了一种基于级联甲醇重整器的SOFC发电系统的结构示意，图1示出的SOFC发电系统100包括SOFC电堆系统110、控制器120和级联甲醇重整器130，其中SOFC电堆系统包括n个并联的SOFC电堆，控制器120分别和级联甲醇重整器130与SOFC电堆系统110电连接，级联甲醇重整器130为三级的梯级设置，包括一级重整器131、二级重整器132、三级重整器133，其中一级重整器131的可供气量最多，三级重整器133的可供气量最少。
进一步的实施例中，考虑到各级重整器由于可供气量的不同，设备体积不一、多级联动的重整器的气体流量具有较大变化范围、而且燃烧器还要供应多个电堆的加热和保温，如果依然采用现有技术中燃烧器内置的结构设计，由于可供气量大的重整器要产生的气体流量大，所需燃烧器体积就会大，把燃烧器设置在重整器内部可能会导致重整器体积更大，因此可以把燃烧器将燃烧器外置。燃烧器点火有多种方式，比如电火花；燃烧器和重整器通过气体流通管道连接；重整器具有高温烟气通道，高温烟气从外置的燃烧器出口进入与之连接的重整器高温烟气通道，从而对重整器进行加热，提供重整反应的热量条件。
本申请实施例由上述示例的控制器所控制的级联甲醇重整器的运转控制流程，指由含有用于可编程硬自动化装置集合的抽象和详细层级的指令，实现重整器运转过程中对重整器增加供气、减少供气、退出供气等的管理，这些管理是时间有序的，具有适于计算机控制元件并被其所理解的表现形式。
本发明实施例所提及的控制装置或控制器，能够通过控制信号控制诸如重整器或SOFC电堆的物理系统，从而允许物理系统中的部件建立、修改和调适运动概况，由此成功地执行预期运动概况和处理命令。
下面将进一步详述对级联甲醇重整器运转控制过程的对象操纵部分，主要可表述为控制装置或控制器根据控制指令生成控制信号，以控制级联甲醇重整器中各级重整器响应气流量波动而调节供气量，进一步完成SOFC发电的执行步骤。
图2是本申请实施例提供的一种级联重整器的运转控制方法的可选执行流程，可以包括如下步骤：
步骤S21.获取SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量。
步骤S22.根据当前状态和目标状态确定响应于调节供气量的重整器级别。
步骤S23.根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令。
步骤S24.根据控制指令控制级联重整器中已确定级别对应的重整器调节供气量，使得供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
在一些实施例中，步骤S22包括如下步骤：
步骤S221.确定响应于令SOFC电堆从当前状态切换至目标状态所需第一重整气流量的第一重整器级别。
步骤S222.确定响应于维持SOFC电堆在目标状态所需第二重整气流量的第二重整器级别。
具体地，在本申请提供的技术方案中，认为SOFC电堆从当前状态切换至目标状态包括了动态过程和相对静态的维持过程，即从当前状态切换至目标状态的动态切换过程，以及令SOFC电堆维持在目标状态的相对静态过程，此时为了令级联重整器的供气更稳定，把两个过程的气流量需求由不同级别的重整器响应供气。
示例性的，以SOFC电堆从待机状态切换至工作状态为例，由于SOFC电堆当前状态是待机状态，而待机状态同样需要供气避免SOFC电堆的阳极在降温或升温过程中发生氧化，因此此时必然有一个级别的重整器在响应供气，即待机状态和工作状态分别对应于某个级别的重整器。而工作状态所需的气流量往往比待机状态的更大，即SOFC电堆系统的总气流量需求增加，此时可以控制工作状态对应级别的重整器响应供气，即控制该重整器增加供气，在SOFC电堆已经切换至工作状态时，控制待机状态对应级别的重整器减少供气，主要由工作状态对应级别的重整器响应供气。
在一些示例方面，当系统总气流量需求大于工作状态对应级别的重整器的供气能力时，仍然可以控制待机状态对应级别的重整器增加供气，即多个级别的重整器共同供气。
为了方便控制和保持系统气流波动相对稳定，SOFC电堆的运行状态和重整器级别的对应关系可以是气流量需求更小的运行状态由供气能力更低的重整器响应供气，气流量需求更大的运行状态由供气能力更高的重整器响应供气。
示例性的，若把SOFC电堆的运行状态划分为工作状态、待机状态、停机状态和启动状态，工作状态的电堆数量的变化引起的气流量变化是最大的，待机电堆数量变化引起的重整气流量变化较小，停机电堆和启动电堆的数量变化引起的重整气流量变化最小。因此级联重整器在设计时，各级重整器的最大可供气流量可以匹配工作电堆数量变化，即各级重整器至少可以承担一个电堆的状态切换变化，当恰好能匹配各运行状态下增加或减少一个电堆引起的流量波动时，是比较经济合理的。
示例性的，以图1示例的三级级联重整器为例，把SOFC电堆的运行状态划分为工作状态、待机状态、停机状态和启动状态时，有如下控制策略：
一级重整器响应工作状态，即响应于工作状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如工作状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至工作状态，减少指的是有电堆从工作状态切换至其他状态；
二级重整器响应待机状态，即响应于待机状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如待机状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至待机状态，减少指的是有电堆从待机状态切换至其他状态；
三级重整器响应停机状态和启动状态，即响应于停机状态或启动状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如停机状态或启动状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至停机状态或启动状态，减少指的是有电堆从停机状态或启动状态切换至其他状态。
在一些实施例中，SOFC电堆从当前状态切换至目标状态之间经过中间状态时，步骤S22包括如下步骤：
步骤S223.确定响应于令SOFC电堆从当前状态切换至中间状态所需第三重整气流量的第三重整器级别。
步骤S224.确定响应于令SOFC电堆从中间状态切换至目标状态所需第四重整气流量的第四重整器级别。
具体地，SOFC电堆切换运行状态时往往不是由当前状态直接切换至目标状态，这会引起过大的流量波动，不利于系统稳定，因此状态切换过程会经历一个甚至更多的中间状态，即当前状态与中间状态之间存在一个切换过程，而后中间状态与目标状态之间存在另一个切换过程，此时可以把中间状态视作一个暂时的目标状态，其对应于某一个响应供气量调节的重整器级别。
示例性的，以SOFC电堆从工作状态切换至停机状态为例，为免流量波动过大中间经过一个待机状态，即当前状态为工作状态，中间状态为待机状态，目标状态为停机状态。假设由图1示意的级联重整器为例，工作状态切换至待机状态引起的气流量波动，由二级重整器响应供气量调节，待机状态切换至停机状态引起的气流量波动，则由三级重整器响应供气量调节。而容易理解的是，这里响应供气的重整器只示意了令SOFC电堆维持在一个目标状态所对应的重整器级别，当存在其他级别重整器正在供气时，仍然可以控制被启动的其他级别重整器停止供气或增加供气。例如当一级重整器正在供气，而SOFC电堆需要从工作状态切换至待机状态时，可以控制一级重整器减少供气，并控制二级重整器增加供气，而这与前述记载的SOFC电堆各运行状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应并不冲突，本领域技术人员可根据级联重整器的级别数灵活设定。
以上述提及的工作状态切换至停机状态为例，如果气流量波动全部由一个级别的重整器承担，那么需要发生两次流量变化，按状态和重整器级别对应关系拆分气流量波动后，由二级重整器响应待机状态电堆数量变化引起的气流量波动，由三级重整器响应停机状态电堆数量变化引起的气流量波动，将动态变化拆分到了两个不同级别的重整器，可以简化单级别重整器的控制难度，并减少波动次数。在实际工作场景中，由于发生流量变化的响应时间非常快，但是流量变化后意味着反应过程也在发生变化，反应过程要达到稳定需要一定的时间，所以要避免反复的流量变化，导致反应过程长时间处在不稳定的工作状态。因此，本申请提供的运转控制方案将SOFC电堆切换运行状态引起的重整气流量波动进行拆分，减少单级别重整器响应的流量波动类型，提高系统运行的稳定性。
在一些实施例中，除了考虑运行状态与重整器级别的对应关系，还需要考虑系统重整气需求量与各级重整器的供气能力的关系，在此基础上上述运转控制方法包括：
重整气需求量小于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限时，控制被启动的重整器中最高级别的重整器退出供气，由被启动的重整器中除最高级别以外的重整器供气；
重整气需求量高于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限且低于其允许供气量上限时，控制被启动的重整器中除最高级别的重整器以外的重整器退出供气，仅由被启动的重整器中最高级别的重整器供气。
具体地，仍以三级级联重整器为例，当所有级别的重整器都启动后，因一级重整器的供气能力更强，若重整气需求量高于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限且低于其允许供气量上限，表示一级重整器的供气量能够满足所有SOFC电堆维持工作状态所需的重整气流量，则可以控制二级和三级的重整器退出供气至SOFC电堆；若重整气需求量小于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限，即整个系统的重整气需求量小于一级重整器的允许供气量下限，表示二级和三级的重整器共同或单独供气亦能满足气流量需求，此时切断一级重整器的供气。同理，重整气需求量小于二级重整器的允许供气量下限时，二级重整器停止供气，由三级重整器供气。这一控制策略使得级联重整器的供气量保持在安全的流量范围内，尽量保护大型重整器。
停止重整气输出后的重整器并不会降温至室温，例如二级和三级重整器退出供气后，给一级重整器保温的高温烟气也会流经二级和三级的重整器进行保温，以便重整器及时响应SOFC电堆功率变化引起的重整气流量变化。
进一步的实施例中，步骤S21还包括：
获取SOFC电堆的温度变化信息；
根据温度变化信息确定SOFC电堆的重整气需求量。
具体地，一般来说，SOFC电堆的工作温度都是恒定的，但是每个运行状态的维持温度不一样，状态切换伴随着SOFC电堆的温度变化，控制器可以根据SOFC电堆的温度变化信息确定重整气需求量，进而结合各级重整器的供气能力控制不同级别重整器响应供气量调节。
进一步的实施例中，步骤S22还包括如下步骤：
步骤S225.获取SOFC电堆的设备信息。
步骤S226.根据设备信息与重整器级别的对应关系确定响应于调节供气量的重整器级别。
具体地，由于电堆型号的差异，不同电堆在不同运行状态下需要的进气流量也可能不同，级联重整器也可以被设计为各级重整器对应于电堆的不同进气流量需求。例如，对于五级级联重整器，可以通过控制器获取电堆的本征参数，由一级重整器响应工作状态下进气流量大(此时流量假设为Vmax)的电堆数量变化引起的气流量波动，由二级重整器响应工作状态下进气流量适中(此时流量假设为VMID)的某型号电堆数量变化引起的气流量波动，由三级重整器提供工作状态下进气流量小(此时流量假设为VMIN)的其他型号电堆数量变化引起的气流量波动，由四级重整器承担待机电堆数量变化引起的气流量波动，由五级重整器承担启动或停机电堆数量变化引起的气流量波动。
以图1示出的三级级联甲醇重整器为例，并假设一个由10个SOFC电堆并联组成的SOFC电堆系统，下面对级联甲醇重整器的运转控制做进一步介绍。
把SOFC电堆的运行状态分为四种：正常工作、待机、停机和启动，各状态所需重整气流量分别为V1、V2、V3、V4。对于单个SOFC电堆而言，通常情况下V1>V2>V3≈V4，停机和启动时所需的重整气器流量可能一致即V3＝V4，也可能不一致即V3≈V4。
假设一个标准重整器的气体流量安全可变范围为50％-100％，重整器设置为三级级联式结构时，各级重整器的可供应最大气量、可供气量的安全变化范围与一个标准重整器的气体流量比值关系如下：
一级重整器的可供应最大气量为100％，即可满足所有的SOFC电堆正常工作，且其可供气量的安全变化范围为50％-100％。在实际工作中，一级重整器的最大气流量可大于100％，其实际流量只要能满足安全变化范围50％-100％均可。通常，SOFC电堆工作所需的重整气流量≥一级重整器的供气量下限。
二级重整器的可供应最大气量为50％，即可满足50％的SOFC电堆正常工作。同时，其最大出口气体流量≥所有SOFC电堆热待机所需的重整气流量，且其可供气量的安全变化范围为25％-50％。同样，在实际工作中，二级重整器的最大流量可大于50％，其实际流量只要能满足安全变化范围25％-50％均可。
三级重整器的可供应最大气量为25％。其最大出口气体流量≥所有SOFC电堆停机时所需的重整气流量，且其可供应气体流量的安全变化范围为12.5％-25％。由于通常情况下V3≈V4，三级重整器也满足所有SOFC电堆达到启动状态所需的重整气流量。同样，在实际工作中，三级重整器的最大流量可大于25％，其实际流量只要能满足安全变化范围12.5％-25％均可。
需要注意的是，上述设定仅仅是与假设的一个标准重整器的气体流量做直观对比，方便理解各级重整器的差异，并不视为对重整器绝对体积和气体流量的限制。在实际应用中，所假设的标准重整器的气体流量可以根据其连接的SOFC电堆系统的实际需求进行具体设计。
基于上述对各级重整器的流量上下限设定，以及本发明提供的运转控制方案，对于上述的三级级联式重整器，SOFC电堆各运行状态和各级重整器有如下关系：
一级重整器响应工作状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如工作状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至工作状态，减少指的是有电堆从工作状态切换至其他状态。
二级重整器响应待机状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如待机状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至待机状态，减少指的是有电堆从待机状态切换至其他状态。
三级重整器响应停机状态和启动状态的SOFC电堆数量变化引起的气流量波动，例如停机状态或启动状态的电堆增多或减少，增多指的是有电堆从其他状态切换至停机状态或启动状态，减少指的是有电堆从停机状态或启动状态切换至其他状态。
当所有级别的重整器都被启动时，以系统中存在一个SOFC电堆需要从工作状态切换至停机状态的场景为例，对于系统来说，等同于减少了一个工作电堆，增加了一个停机电堆，由于从工作状态切换至停机状态会经过待机状态，级联重整器将发生两次流量调节。
假设该电堆工作状态下所需的重整气流量为V6，则对于系统来说，整个系统所需的重整气流量为V7，切换后该电堆停机状态下所需的重整气流量为V8，整个系统所需的重整气流量为V9，则级联重整器的供气量将从V7调整至V9。
若两次流量调节均由一个级别的重整器响应，需要发生两次流量变化，根据本发明提供的运转控制方法，把流量变化梯级拆分。工作状态下的流量V7切换至待机状态下的流量，控制一级重整器减少供气，二级重整器增加供气；待机状态下的流量切换至停机状态下的流量V9，控制二级重整器减少供气，三级重整器增加供气。
对于低级别重整器退出供气的场景，假设在启动SOFC电堆系统时只需要9个电堆，控制器逐级启动各级重整器使得供气量逐步增加的过程中，SOFC电堆被启动的数量也逐步增加，当一级重整器达到工作温度时，二级和三级的重整器正处在满功率工作，由于二级和三级的重整器最大允许供气量为75％，大于一级重整器的允许供气量下限50％，因此一级重整器启动后可以立刻运行在安全可变流量范围内。
此时系统总气量需求大于一级重整器的供气量下限且低于其上限，控制器将控制二级和三级的重整器退出供气，并增加一级重整器的供气量至90％，相当于把当前所有的供气任务切换至一级重整器，由此体现了小型重整器对大型重整器的支撑作用。
SOFC电堆被启动之后，且二级和三级重整器退出流量波动响应后，若系统中没有电堆需要从工作状态切换为热待机、或者从工作状态切换至停机，此时只需要一级重整器响应供气。
示例性的，三级重整器比二级重整器的体积小，也就是在波动时受的影响可能会比二级重整器小，所以三级重整器的供气量下降速率可比二级重整器的快，即控制器将指示三级重整器更高的退出供气速率，二级重整器退出供气速率慢，使得二级重整器受到的流量波动更小，从而保护二级重整器。
二级和三级重整器退出供气后，给一级重整器保温的高温烟气也会流经二级和三级的重整器进行保温，以便重整器及时响应SOFC电堆功率变化引起的重整气流量变化。
对于高级别重整器退出供气的场景，假设系统只需要4个电堆运行在工作状态，且所有级别的重整器均启动了供气，此时系统的总气流量需求低于一级重整器的允许供气量下限，控制器将控制一级重整器退出供气，二级重整器可以视作被启动的重整器中的最高级别，4个电堆的工作状态和待机状态引起的流量波动均由二级重整器响应，三级重整器仍然响应4个电堆的启停状态。
类似地，若系统的总气流量需求低于二级重整器的允许供气量下限，例如系统只需要1个电堆运行在工作状态，控制器将控制二级重整器退出供气，三级重整器视作被启动的重整器中的最高级别，1个电堆的所有状态引起的流量波动都由三级重整器响应。
在一些实施例中，还可以给每组SOFC电堆独立配置一套级联式重整器，此时若个别组SOFC电堆在待机，其他组的电堆运行在工作状态，则工作电堆对应的响应热待机的重整器被闲置，因此可以根据系统接入电网的需求，判断热待机电堆的最大数量，根据最大数量和单组电堆的二级重整器的大小，确定二级重整器的数量。
上述各实施例提及的三级级联甲醇重整器，仅以三级的梯级设置为例说明，系统可以设计为其他多级联动的重整器结构，例如二级、四级、五级甚至更多。
当提及用于制氢和SOFC电堆发电的燃料时，只要是SOFC电堆或电堆系统对于进气流量有波动需求的均可，并不局限于甲醇重整，可以是其他化合物的重整，如天然气等。
参阅图3，本申请的一个实施例还提供一种级联重整器的运转控制装置300，包括：
状态信息获取单元310，被配置为获取SOFC电堆的当前状态和目标状态。
重整气量获取单元320，被配置为获取SOFC电堆的重整气需求量。
重整器级别确定单元330，被配置为根据当前状态和目标状态确定响应于调节供气量的重整器级别。
指令生成单元340，被配置为根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令。
控制单元350，被配置为根据控制指令控制级联重整器中已确定级别对应的重整器调节供气量，使得供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
在一些实施例中，如图4所示，上述运转控制装置300还包括温度信息获取单元360，被配置为获取SOFC电堆的温度变化信息，使得重整气量获取单元320根据温度变化信息确定SOFC电堆的重整气需求量。
级联重整器的运转控制装置300采用由上述实施例提供的运转控制方法，具体实现逻辑可以参照前述各实施例提供的运转控制方法的相关介绍，此处不再赘述。
上述各实施例已经关于可能的情形尤其详细地描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以通过其他实施例实践本发明。部件的具体命名、术语的大小写、属性、数据结构或者任何其他的程序设计或结构方面都不具有强制性或者重要性，实施本发明的机制或其特征可以具有不同的名称、形式或规程。可以通过硬件和软件的组合(如所描述的)，完全通过硬件元素或者完全通过软件元素实施所述系统。文中描述的各种系统部件之间的功能的具体划分只是示范性的，而非强制性的；相反，可以通过多个部件执行单个系统部件执行的功能，或者可以通过单个部件执行多个部件执行的功能。
本领域的技术人员应当理解，上述公开的方法的各个步骤可以通过通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例公开不限制于任何特定的硬件和软件结合。
这些计算装置可执行的程序(也称作程序、软件、软件应用、或者代码)包括可编程处理器的机器指令，并且可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。如本文使用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指的是用于将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何计算机程序产品、设备、和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(PLD))，包括，接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何信号。
本发明的某些方面包括采取算法形式的文中描述的过程步骤和指令。应指出，本发明的过程步骤和指令可以实现在软件、固件和/或硬件当中，在通过软件实施时，其能够被下载，从而保存在各种操作系统使用的不同平台上并从所述平台对其进行操作。
本领域技术人员可以理解，各附图中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的终端设备的限定，具体的终端设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“可能的设计”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种级联重整器的运转控制方法，其特征在于，所述级联重整器包括至少两级重整器，所述级联重整器中的各级重整器根据可供气量梯级设置，SOFC电堆各运行状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应，所述运转控制方法包括：
获取SOFC电堆的当前状态、目标状态和重整气需求量；
根据所述当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别；
根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令；
根据控制指令控制级联重整器中已确定响应供气量调节的重整器调节供气量，使得所述级联重整器的供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
2.根据权利要求1所述的运转控制方法，其特征在于，所述根据所述当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别包括：
确定响应于令SOFC电堆从所述当前状态切换至所述目标状态所需第一重整气流量的第一重整器级别；
确定响应于维持SOFC电堆在所述目标状态所需第二重整气流量的第二重整器级别。
3.根据权利要求2所述的运转控制方法，其特征在于，SOFC电堆从所述当前状态切换至所述目标状态之间经过中间状态时，所述根据所述当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别包括：
确定响应于令SOFC电堆从所述当前状态切换至所述中间状态所需第三重整气流量的第三重整器级别；
确定响应于令SOFC电堆从所述中间状态切换至所述目标状态所需第四重整气流量的第四重整器级别。
4.根据权利要求1所述的运转控制方法，其特征在于，所述运转控制方法还包括：
重整气需求量小于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限时，控制被启动的重整器中最高级别的重整器退出供气，由被启动的重整器中除最高级别以外的重整器供气；
重整气需求量高于被启动的重整器中最高级别的重整器的允许供气量下限且低于其允许供气量上限时，控制被启动的重整器中除最高级别的重整器以外的重整器退出供气，仅由被启动的重整器中最高级别的重整器供气。
5.根据权利要求1所述的运转控制方法，其特征在于，所述运转控制方法还包括：
获取SOFC电堆的温度变化信息；
根据所述温度变化信息确定SOFC电堆的重整气需求量。
6.根据权利要求1所述的运转控制方法，其特征在于，所述运转控制方法还包括：
获取SOFC电堆的设备信息；
根据所述设备信息与重整器级别的对应关系确定响应供气量调节的重整器级别。
7.一种级联重整器的运转控制装置，其特征在于，包括：
状态信息获取单元，被配置为获取SOFC电堆的当前状态和目标状态；
重整气量获取单元，被配置为获取SOFC电堆的重整气需求量；
重整器级别确定单元，被配置为根据所述当前状态和目标状态确定响应供气量调节的重整器级别；
指令生成单元，被配置为根据重整气需求量生成级联重整器的控制指令；
控制单元，被配置为根据控制指令控制级联重整器中已确定响应供气量调节的重整器调节供气量，使得所述级联重整器的供气量满足SOFC电堆的重整气需求量。
8.根据权利要求7所述的运转控制装置，其特征在于，所述运转控制装置还包括：
温度信息获取单元，被配置为获取SOFC电堆的温度变化信息。
9.一种基于级联重整器的SOFC发电系统，其特征在于，包括级联重整器、控制器和SOFC电堆系统；
所述级联重整器包括至少两级重整器，级联重整器中的各级重整器根据可供气量梯级设置，同一级别的重整器并联连接，各级重整器产生的重整气由所述控制器分配至所述SOFC电堆系统，所述SOFC电堆系统切换至不同的目标状态所需的重整气流量由不同级别的重整器响应；
所述控制器分别和所述级联重整器与SOFC电堆系统连接；
控制器使用如权利要求1～6任一项所述的运转控制方法控制级联重整器中的各级重整器调节供气量。
10.根据权利要求9所述的SOFC发电系统，其特征在于，所述各级重整器的供气量范围根据SOFC电堆的运行状态对应的重整气需求量以及SOFC电堆系统中SOFC电堆的数量设定。
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