一种应用于SOFC‑MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于SOFC‑MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法，包括如下步骤：1）SOFC‑MGT耦合系统划分为实物部分和模拟部分；2）建立固体燃料电池模型；3）建立Sim‑Stim界面模型；4）固体燃料电池模型计算出固体燃料电池反应后的参数；5）控制模型控制燃料控制阀门开度；6）进行混合燃烧，燃烧后的排气进入燃气轮机的燃烧室。本发明专利技术既能够保证该半实物仿真系统与原型系统的高度一致又能深入揭示该SOFC‑MGT耦合系统的内在机理，同时也保证了SOFC‑MGT之间的数据交换的实时性，从而极大程度的提高整个半实物仿真模型的可信度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源利用
，尤其涉及一种应用于固体(氧化物)燃料电池-微型燃气轮机(SolidOxideFuelCell-MicroGasTurbine,简称SOFC-MGT)耦合系统的多尺度半实物仿真方法。
技术介绍
固体(氧化物)燃料电池与燃气轮机耦合系统的基本构想是在1970年左右提出的，该耦合系统采用固体(氧化物)燃料电池取代了布朗循环中的燃烧过程，使其能量转化方式发生了变化。在该耦合系统中，化学能经电化学反应过程直接转化为电能，从而提高了能量转化效率，并减少了污染物排放。此外，高温燃料电池的排气还在燃气轮机系统中进一步膨胀做功产生额外的电能。SOFC-MGT耦合发电系统由两个时-空尺度差别极大的子系统构成，其中燃气轮机对热力条件变化的响应时间以秒计，而燃料电池堆的热力时间常数则以小时计。当两者耦合时极有可能产生不稳定的反馈回路，对系统稳定运行构成挑战。然而截至目前，由此产生的耦合系统瞬态特性还未被系统地研究和较好地揭示，尚不能为耦合系统设计、运行提供理论依据。SOFC-MGT耦合发电系统单个组成部件的运行机理、各个部件之间的相互匹配关系以及耦合系统在不同状态下的动态响应特性已成为亟待研究和解决的关键科学问题，并将对SOFC-MGT耦合系统的可操作性、效率和经济性产生深远的影响。为了研究解决上述关键科学问题，必须揭示在设计工况、非设计工况、稳态条件和瞬态条件下各个部件及其运行特性之间的匹配关系；进而阐明单一部件失效对其它部件产生的影响，以及在此过程中耦合系统的动态响应特性；从而获得先进的控制策略以对故障(比如甩负荷、断电、透平跳闸等)响应采取适当的动作；最终掌握对于部件耐受性和系统运行安全性至关重要的非常规条件下的系统运行机制。对上述关键科学问题，国内外研究者对SOFC-MGT耦合发电系统开展了一系列的研究，根据研究方法可以分为三类：利用数值模型进行仿真研究、利用全实物系统进行实验研究和半实物仿真研究。其中，目前的半实物仿真研究：对SOFC-MGT耦合系统的研究可以将数值模型与物理子系统结合成为一个整体仿真系统，从而有效弥补两者的缺陷，发挥其优势。硬件在回路仿真(Hardware-In-the-LoopSimulation，简称HILS)，又称半实物仿真方法就是可以满足以上要求的方法，其仿真原理图如图1所示。对于SOFC-MGT耦合系统来说，固体(氧化物)燃料电池价格高昂但内部机理比较明确，而燃气轮机价格相对低廉且不易建立准确的实时动态模型。因此将HILS方法应用于SOFC-MGT耦合系统时，通常将燃气轮机子系统作为实际的物理部件，燃料电池子系统作为数值仿真模型。在SOFC-MGT耦合系统的半实物仿真研究中，由于实物模型和数学模型两者共存于同一个耦合系统当中，两者之间的耦合关系将很大程度的决定了该半实物仿真模型的准确度。另外，实物燃气轮机系统的加入，对燃料电池系统的数学模拟提出了实时性的要求，同时实物模型和数学模型之间必然有真实物理量的传递。因此，如何构建SOFC-MGT半实物仿真系统中实物模型部分和数学模型部分两者之间耦合的界面，如何保证两者之间的数据交换的实时性，将极大程度的影响整个半实物仿真模型的可信度，成为SOFC-MGT耦合系统半实物仿真研究一个急需解决的巨大挑战。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种应用于SOFC-MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法，该方法既能够保证该半实物仿真系统与原型系统的高度一致又能深入揭示该SOFC-MGT耦合系统的内在机理，同时也保证了SOFC-MGT之间的数据交换的实时性，从而极大程度的提高整个半实物仿真模型的可信度。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种应用于SOFC-MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：1)SOFC-MGT耦合系统划分为实物部分和模拟部分，其中，微型燃气轮机部分为实物部分，固体(氧化物)燃料电池部分为模拟部分；2)采用基于免方程方法的多尺度实时模拟方法建立固体(氧化物)燃料电池模型；3)基于OPC标准和数据库技术建立Sim-Stim界面模型，并通过Sim-Stim界面模型将SOFC与MGT相连；其中，所述Sim-Stim界面模型包括空气室、燃料控制阀门、燃料电池模拟器以及控制模型；微型燃气轮机的排气与空压机的出气换热后经空气室的进口进入空气室；该空气室和燃料控制阀门分别与燃料电池模拟器的空气进口和燃料进口相连，燃料电池模拟器的排气口与燃气轮机的燃烧室相连通；在空气室进口设有温度传感器、压力传感器和流量传感器；4)所述温度传感器、压力传感器和流量传感器对空气室进口的空气进行实时测量，固体(氧化物)燃料电池模型根据各传感器实时测量出的空气的物性参数计算出固体(氧化物)燃料电池反应后其出口排气的温度、压力和流量参数；5)控制模型根据空气室进口空气的物性参数和固体(氧化物)燃料电池模型出口排气的物性参数分别计算出空气室进口空气的焓值和固体(氧化物)燃料电池模型出口排气的焓值，并根据两焓值之差计算出需要通入燃料电池模拟器燃料量，然后控制燃料控制阀门开度；6)空气室的空气和燃料进入燃料电池模拟器后进行混合燃烧，燃烧后的排气进入燃气轮机的燃烧室。进一步地，所述温度传感器、压力传感器和流量传感器将采集到的数据传输到数据库后，固体(氧化物)燃料电池模型读取各传感器上传到数据库的数据后进行仿真，并将仿真后固体(氧化物)燃料电池模型的输出数据回传到数据库，控制模型读取各传感器上传到数据库的数据和固体(氧化物)燃料电池模型仿真后回传的数据后进行计算得到燃料控制阀门的开度数据，最后，燃料控制阀门根据该开度数据，开启相应开度。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、由于本专利技术提出的SOFC-MGT耦合系统多尺度半实物仿真方法，可以很好的揭示和理解SOFC-MGT耦合系统中不同子系统(或部件)集成而导致的相互依存关系所产生的瞬态效应，因此能够充分发挥数值模拟和实物实验研究两种方法的优势，HILS能够在保证仿真结果的高精度水平情况下允许增加所研究的系统动力学的自由度。2、由于本专利技术对SOFC-MGT耦合系统的半实物仿真采用基于OPC技术和数据库技术的实时数据交换通讯方案，具有实时交换大量数据的能力，允许本系统在合理的范围内增加分布式能源的种类和数量，保证了SOFC-MGT耦合系统研究的拓展性，为复杂能源系统研究提供了一种崭新的延拓手段。3、由于固体(氧化物)燃料电池多尺度高精度模型的实时计算方法的实现，能够深入揭示燃料电池内部复杂的电化学反应及强烈的热质交换过程，保证了固体(氧化物)燃料电池模型的准确性和精确度，能够更好地揭示SOFC-MGT耦合系统的动态特性。4、由于本专利技术提出的实物子系统(燃气轮机部分)和模拟子系统(固体燃料电池部分)之间的耦合界面模型，能够保证耦合之后的半实物系统与实际物理系统的动态特性高度一致，能更好地研究复杂SOFC-MGT耦合系统中各子系统的相互影响，从而能更准确地给出SOFC-MGT耦合系统的先进控制方法。附图说明图1为现有HILS的原理示意图。图2为本专利技术的结构原理示意图。图3为本专利技术的数据交换原理示意图；图4为本专利技术仿真流程图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于SOFC‑MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：1）SOFC‑MGT耦合系统划分为实物部分和模拟部分，其中，微型燃气轮机部分为实物部分，固体燃料电池部分为模拟部分；2）采用基于免方程方法的多尺度实时模拟方法建立固体燃料电池模型；3）基于OPC标准和数据库技术建立Sim‑Stim界面模型，并通过Sim‑Stim界面模型将SOFC与MGT相连；其中，所述Sim‑Stim界面模型包括空气室、燃料控制阀门、燃料电池模拟器以及控制模型；微型燃气轮机的排气与空压机的出气换热后经空气室的进口进入空气室；该空气室和燃料控制阀门分别与燃料电池模拟器的空气进口和燃料进口相连，燃料电池模拟器的排气口与燃气轮机的燃烧室相连通；在空气室进口设有温度传感器、压力传感器和流量传感器；4）所述温度传感器、压力传感器和流量传感器对空气室进口的空气进行实时测量，固体燃料电池模型根据各传感器实时测量出的空气的物性参数计算出固体燃料电池反应后其出口排气的温度、压力和流量参数；5）控制模型根据空气室进口空气的物性参数和固体燃料电池模型出口排气的物性参数分别计算出空气室进口空气的焓值和固体燃料电池模型出口排气的焓值，并根据两焓值之差计算出需要通入燃料电池模拟器燃料量，然后控制燃料控制阀门开度；6）空气室的空气和燃料进入燃料电池模拟器后进行混合燃烧，燃烧后的排气进入燃气轮机的燃烧室。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于SOFC-MGT耦合系统的多尺度半实物仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：1）SOFC-MGT耦合系统划分为实物部分和模拟部分，其中，微型燃气轮机部分为实物部分，固体燃料电池部分为模拟部分；2）采用基于免方程方法的多尺度实时模拟方法建立固体燃料电池模型；3）基于OPC标准和数据库技术建立Sim-Stim界面模型，并通过Sim-Stim界面模型将SOFC与MGT相连；其中，所述Sim-Stim界面模型包括空气室、燃料控制阀门、燃料电池模拟器以及控制模型；微型燃气轮机的排气与空压机的出气换热后经空气室的进口进入空气室；该空气室和燃料控制阀门分别与燃料电池模拟器的空气进口和燃料进口相连，燃料电池模拟器的排气口与燃气轮机的燃烧室相连通；在空气室进口设有温度传感器、压力传感器和流量传感器；4）所述温度传感器、压力传感器和流量传感器对空气室进口的空气进行实时测量，固体燃料电池模型根据各传感器实时测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晨，陈浩，邓康杰，潘衡尧，蒋帅，张宗龙，孙溧，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50