謝哲，趙志軍

（上海理工大學(xué)能用與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093）

　　摘要：將某公司的微型燃機(jī)作為研究對(duì)象，使用仿真模擬方法對(duì)將生物質(zhì)氣作為燃料研究燃料微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的可行性。通過仿真模擬表示，此燃機(jī)不能夠燃燒低熱值棉柴氣和稻草氣，所以也就無法同時(shí)有效滿足透平入口溫度、壓氣機(jī)喘振裕度的需求。燃用高熱值沼氣和木片氣的時(shí)候，微型燃機(jī)能夠安全地運(yùn)行。基于此，對(duì)微型燃機(jī)無法燃燒低熱值燃料的問題提出了壓氣機(jī)改進(jìn)的方案，此方案能夠有效提高低熱值燃料燃用時(shí)壓氣機(jī)透平入口及喘振裕度，使微型燃?xì)廨啓C(jī)能夠安全、有效地運(yùn)行。

　　引言

　　生物質(zhì)氣技術(shù)就是將木片、秸稈等一系列的生物質(zhì)化成為可燃生物質(zhì)的合成器，其屬于較為現(xiàn)代的生物質(zhì)能利用技術(shù)。高溫燃料電機(jī)屬于能夠直接使染料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能的裝置，因?yàn)楦邷厝剂想姍C(jī)的排氣溫度比較高，從而使其能夠與同燃?xì)廨啓C(jī)組合成為混合的動(dòng)力系統(tǒng)，以此有效提高了系統(tǒng)的整體發(fā)電效率。因?yàn)槿廴谔妓猁}燃料電池工作溫度及生物質(zhì)氣、重塑溫度相互接近，以此使其成為了能夠與生物質(zhì)氣化為一體的發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)。相關(guān)研究表明，小規(guī)模的生物質(zhì)氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)能夠在林場(chǎng)、農(nóng)場(chǎng)等生物質(zhì)能較為豐富的地區(qū)使用，從而實(shí)現(xiàn)分布式的功能。基于此，將生物質(zhì)氣作為燃料，實(shí)現(xiàn)微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行仿真的模擬分析。

　　1微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

　　微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、生物質(zhì)氣化系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)（見圖1）。其中，汽化爐中的生物質(zhì)氣通過凈化之后和蒸發(fā)器產(chǎn)生飽和蒸汽相互結(jié)合，混合之后的氣體通過低溫?fù)Q熱器加熱之后進(jìn)入到重整器中，之后進(jìn)入到MCFC陽極出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，沒有完全反應(yīng)的陽極氣體和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪排氣混合進(jìn)入到催化燃燒室中進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔膺M(jìn)入到燃料電池陰極中，以此為電化學(xué)反應(yīng)提供二氧化碳^[1]。陰極排氣要將燃料進(jìn)行預(yù)熱，之后進(jìn)入到蒸發(fā)器中為其提供熱量。空氣利用壓氣機(jī)壓縮之后，通過高溫?fù)Q熱器、回?zé)崞鬟M(jìn)行加熱，得到高溫高壓氣體之后進(jìn)入到渦輪膨脹進(jìn)行做功^[2]。

　　2運(yùn)行模型分析

　　2.1壓氣機(jī)模型

　　壓氣機(jī)屬于燃?xì)廨啓C(jī)的主要部件，微型燃?xì)廨喼械牧髁俊Ⅲw積和重量都比較小，所以大部分都是使用離心式壓氣機(jī)。離心式壓氣機(jī)中的氣體一般都是順著和軸線垂直半徑方向進(jìn)行流動(dòng)，其主要特點(diǎn)就是短軸向、高單級(jí)壓比，并且工況發(fā)生變化的時(shí)候具有良好的適應(yīng)性，而且效率的變化較為平緩，但是空氣流量比較小，效率比較低^[3]。

　　2.2回?zé)崞髂Ｐ?/p>

　　回?zé)崞髂軌蚴寡h(huán)熱效率得到進(jìn)一步的提高，但回?zé)崞鞯娜莘e慣性及熱慣性比較大，其在燃?xì)廨啓C(jī)工況發(fā)生變化的過程中，對(duì)于反應(yīng)靈敏度具有較大的影響。那么對(duì)于回?zé)崞鞯拇朔N特點(diǎn)，就使用緊湊型板翅式換熱器，提高換熱效率^[6]。以能量守恒及質(zhì)量守恒能夠?qū)崿F(xiàn)回?zé)崞髂K數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建：

　　2.3透平模型

　　向心透平結(jié)構(gòu)較為緊湊，并且具有較高的強(qiáng)度，制造工藝較為簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，被廣泛應(yīng)用到微型燃?xì)廨啓C(jī)中，但是其效率較低。在實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算的過程中，轉(zhuǎn)速與膨脹比屬于已知狀態(tài)參數(shù)，并且使用折合轉(zhuǎn)速與膨脹比能夠得到折合流量及效率^[7]。透平主要性能參數(shù)和計(jì)算方法為：

　　通過Matlab環(huán)境創(chuàng)建透平仿真模塊，為了能夠使計(jì)算機(jī)對(duì)特性曲線進(jìn)行處理，將特性曲線數(shù)據(jù)作為2張表。在查表過程中，假如輸入點(diǎn)處于輸入變量范圍中，為了提高精確度，那么可以使用曲線差值得到輸出數(shù)據(jù)^[8]。

　　3仿真結(jié)果和分析

　　選擇棉柴氣、稻草氣、沼氣和木片氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，4種生物質(zhì)氣的熱值及成分如表1所示。

　　使微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率保持在30kW，通過創(chuàng)建的仿真模型，對(duì)4種生物質(zhì)氣微型燃?xì)廨啓C(jī)性能實(shí)現(xiàn)計(jì)算，微型燃?xì)廨啓C(jī)性能的仿真結(jié)果如表2所示。通過表2可以看出，生物質(zhì)氣的熱值越低，那么需要的燃料流量就會(huì)提高。為了能夠使透氣通流量和壓氣機(jī)相互匹配，壓氣機(jī)壓比就會(huì)變大，進(jìn)入到壓氣機(jī)空氣流量就會(huì)變小，以此導(dǎo)致出現(xiàn)喘振等問題，降低機(jī)組運(yùn)行過程中的安全性。

　　4改進(jìn)分析

　　為了能夠使微型燃機(jī)對(duì)低熱值生物質(zhì)氣進(jìn)行良好的燃用，可以使用改進(jìn)壓氣機(jī)方式，及時(shí)對(duì)葉片安裝角對(duì)通流面積進(jìn)行改變，降低空氣通流量。本研究使用仿真方法對(duì)壓氣機(jī)壓比進(jìn)行了計(jì)算，改進(jìn)壓氣機(jī)方案就是基于壓氣機(jī)壓比不發(fā)生變化，利用安裝葉片降低空氣流量，并且提高進(jìn)入燃燒室中的染料流量。通過仿真模擬的結(jié)果，以前文描述微型燃機(jī)安全運(yùn)行的限制條件，對(duì)此方案可行性進(jìn)行分析。透平入口溫度在壓氣機(jī)空氣減少量的改變，如圖3所示。通過圖3可以看出，對(duì)于此種生物質(zhì)氣，在壓氣機(jī)空氣減少量不斷提高的過程中，透平入口溫度也在提高。燃料量在空氣減少量的改變，如圖4所示。通過圖4可以看出來，基于透平入口溫度下限，在壓氣機(jī)空氣量降低的過程中，壓氣機(jī)功耗就會(huì)降低。燃料量在增加的過程中，透平入口溫度也會(huì)使透平輸出功率降低，以此提高整機(jī)的效率及功率。以此表示，改進(jìn)之后的壓氣機(jī)能夠使透平入口溫度得到提高，使機(jī)組運(yùn)行安全性也得到了有效的提高^[9]。

　　5結(jié)語

　　生物質(zhì)氣分布供能系統(tǒng)屬于全新的項(xiàng)目，其應(yīng)用前景較為廣闊。因?yàn)榛剂显絹碓缴伲h(huán)境污染問題不斷突出，促進(jìn)了生物質(zhì)能的發(fā)展。利用仿真模型的創(chuàng)建，研究生物質(zhì)氣熱值與燃料流量的關(guān)系。針對(duì)此方面的問題，實(shí)現(xiàn)了微型燃?xì)廨喗M的優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)之后的壓氣機(jī)能夠提高機(jī)組安全性，能夠使微型燃機(jī)運(yùn)行范圍得到擴(kuò)大。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]耿孝儒，呂小靜，翁一武.基于生物質(zhì)氣的固體氧化物燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能分析[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35（2）：166-172.

　　[2]吳旺松，翁一武.使用不同生物質(zhì)氣的微型燃?xì)廨啓C(jī)性能分析[J].華東電力，2012，（9）：1603-1606.

　　[3]張軍，孫崎勝，吳曉燕，等.污泥熱解氣為燃料的SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能效分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（11）：6642-6648.

　　[4]吳旺松.生物質(zhì)氣微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)性能分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

　　[5]徐仁超.生物質(zhì)氣化燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)與地源熱泵聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)仿真與性能分析[D].廈門：廈門大學(xué)，2015.

　　[6]張倩倩，薄澤民，桑振坤，等.以生物質(zhì)氣為燃料的微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特性分析[J].熱能動(dòng)力工程，2016，31（3）：44-49.

　　[7]王海蓉，梁棟，黃模志.生物質(zhì)型CCHP系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)仿真及性能分析[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（s2）：279-286.

　　[8]陳俊龍，王玉璋，劉閎釗，等.微型燃?xì)廨啓C(jī)低熱值燃料燃燒室噴嘴流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究[J].熱能動(dòng)力工程，2017，（12）：33-40.

　　[9]呂小靜，耿孝儒，朱新堅(jiān)，等.以木片氣為燃料的中溫型固體氧化物燃料電池/燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)性能研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，（1）：133-141.