基于安全裕度的SOFC/GT混合系统协调控制方法研究

Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine(SOFC/GT) hybrid system has the advantages of high efficiency, low emission and fuel flexibility, which is one of the most important development directions of power generation technology in the future. However, the safe and stable operation and high-performance control have always been the difficult technology question to restrict the development of hybrid system because of the complexity..Aiming at the above problems, this project intends to establish a dynamic mathematical model of SOFC/GT hybrid system with safe boundary, reveal the coupling mechanism of safety margin, operation characteristics, electrochemical reaction characteristics and heat and mass transfer characteristics, develop an coordinated control method of performance indicators and multi-dimensional safety margin, and obtain the safe and efficient operation trajectory of the hybrid system from start-up to load regulation to shut-down. .The results will be beneficial for providing theoretical support and data base for the optimization design、safety warning setting, and efficient control strategy formulation of hybrid system, which have vital theoretical significance and practical value for promoting the process development of hybrid system from theory research to actual application.

固体氧化物燃料电池/燃气轮机（SOFC/GT)混合动力系统具有高效、低排放、燃料多样性等优点，是未来发电技术最重要发展方向之一。由于构成的复杂性，导致系统的安全稳定运行和高性能控制一直是制约混合系统发展的研究难题。.针对此问题，本项目建立含安全边界的SOFC/GT混合系统的动态数学模型，揭示安全裕度、运行特性、电化学反应特性以及传热传质特性相耦合的作用机理；构建性能指标和多维安全裕度相协调的控制方法；得到混合系统从启动→负荷调节→停车全工况过程安全高效运行轨迹。研究结果可为混合动力系统在优化设计、安全预警设置、安全高效控制策略制定等方面提供理论支撑和数据基础，对于推动其从理论研究到实际应用进程具有重要的理论意义和应用价值。

固体氧化物燃料电池/燃气轮机（SOFC/GT)混合动力系统具有发电效率高达70%、低排放NOx小于1ppm、燃料多样性(天然气、沼气、生物质气、柴油、汽油等)等优点，是未来发电技术最重要发展方向之一，在民用电站、军用动力、船舶输运、海洋装备等领域具有很好的发展前景和应用价值。然而由于其构成的复杂性，导致系统的安全稳定运行和高性能控制一直是制约混合系统发展的研究难题。.针对此问题，本项目采用理论分析、数学建模和实验验证相结合的研究方法，建立了含安全边界的SOFC/GT混合系统的动态数学模型，揭示了安全裕度、运行特性、电化学反应特性以及传热传质特性相耦合的作用机理；构建了性能指标和多维安全裕度相协调的控制方法；搭建并完善了国内首个燃料电池/燃气轮机混合系统实验测试平台，得到了混合系统从启动→负荷调节→停车全工况过程安全高效运行轨迹。.基于上述研究，共发表了17篇学术论文，其中SCI论文7篇，中文核心4篇，EI检索1篇，国际会议论文5篇，进行了国内外学术报告6次，培养了9名研究生，其中博士5名，硕士4名。申请人也因青年基金研究成果获得了2020年上海市青年科技“启明星”人才计划。.同时，基于青年基金的研究成果和国家海洋强国战略需求，申请人获得了2022年国家自然科学基金面上项目：复杂工况下舰船SOFC/GT控制策略机理研究，No: 52176013，2022-2025）。研究结果可为SOFC/GT混合动力系统在优化设计、安全预警设置、安全高效控制策略制定等方面提供理论支撑和数据基础，对于推动我国的高效近零碳化的SOFC/GT混合动力系统在“双碳目标下”从理论研究到实际应用进程具有重要的理论意义和应用价值。