模糊綜合評(píng)判在SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全性評(píng)估中的應(yīng)用

詹海洋，梁前超，朱潤凱

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模糊綜合評(píng)判在SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全性評(píng)估中的應(yīng)用

詹海洋1，梁前超2，朱潤凱2

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

在艦船電力綜合系統(tǒng)中，燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)（SOFC-GT）聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型的能源轉(zhuǎn)化裝置，直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，打破了傳統(tǒng)熱機(jī)朗肯循環(huán)熱效率的限制，具有其他熱機(jī)不可比擬的高效性。同時(shí)SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)自身又具有復(fù)雜性、強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，使得無法對(duì)其安全性做出定量評(píng)價(jià)。本文采用模糊綜合評(píng)判手段，構(gòu)建模糊評(píng)判矩陣，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模糊層次分析（FAHP）[1]。

SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng) 模糊綜合評(píng)判 模糊矩陣

1 SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要由燃料重整系統(tǒng)、高溫燃料電池堆、燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)組成。電堆是SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的核心，電堆的安全性決定著SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的安全性。

根據(jù)上文分析得，影響SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全的三大因素：燃料分配系統(tǒng)、汽化重整系統(tǒng)、電堆。其中：影響燃料氣分配系統(tǒng)安全性因素包括空氣氣體壓力、甲烷氣源氣體壓力、氫氣氣源氣體壓力、可燃性氣體泄漏量。影響汽化重整系統(tǒng)安全性因素包括水汽化溫度、重整器入口溫度、重整器溫度、氣碳比。影響電堆安全性因素包括電堆功率、電堆電壓、電堆內(nèi)部溫度、電堆內(nèi)部縱向溫差[2]。

圖1 SOFC-GT循環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 電堆示意圖

2 模糊綜合評(píng)判

美國控制論學(xué)者L.A.Zedeh在1965年發(fā)表論文《模糊集合》中第一次提出模糊數(shù)學(xué)概念。后來發(fā)展模糊集合、模糊邏輯、模糊拓?fù)鋵W(xué)、模糊測(cè)度論、模糊綜合評(píng)價(jià)等逐步豐富模糊數(shù)學(xué)的理論體系。

模糊綜合評(píng)判在對(duì)復(fù)雜、強(qiáng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，構(gòu)建模糊一致矩陣，利用最大隸屬度原理與模糊矩陣線性變換原則，對(duì)各個(gè)子因素作出合理的綜合評(píng)判。模糊綜合評(píng)判分單級(jí)與多級(jí)，對(duì)于多因素SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，由于權(quán)重系數(shù)的歸一化，單級(jí)模糊綜合評(píng)判會(huì)泯滅某些因素的作用，故采用二層模糊綜合評(píng)判模型較為合適。

2.1構(gòu)建模糊綜合評(píng)判因素集

設(shè)為影響SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全性所有因素的因素集，將集合中所含某一類因素單獨(dú)評(píng)價(jià)，然后再對(duì)第一層所得評(píng)判結(jié)果進(jìn)行第二層綜合評(píng)價(jià)。

2.2構(gòu)建模糊綜合評(píng)判評(píng)語集

將SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為安全、一般、警報(bào)、危險(xiǎn)4種情況。其中安全對(duì)應(yīng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)分別工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)，運(yùn)行良好；一般對(duì)應(yīng)有少量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近；警報(bào)對(duì)應(yīng)極個(gè)別子系統(tǒng)參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)；危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，并造成子系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

評(píng)語集為：

={安全, 一般, 警報(bào), 危險(xiǎn)}={1,2,3,4}

2.3構(gòu)建模糊綜合評(píng)判權(quán)重集系數(shù)

在多因素影響復(fù)雜系統(tǒng)中，不同因素對(duì)系統(tǒng)安全性的影響程度是不同的。為真實(shí)反映不同因素對(duì)系統(tǒng)安全性的影響，取合適的權(quán)重系數(shù)是十分必要的。第一層權(quán)重系數(shù)，由于無法直接給出各個(gè)子因素的權(quán)重系數(shù)，我們構(gòu)造模糊一致矩陣，給予各個(gè)子因素相互權(quán)重比較關(guān)系，求得各個(gè)子因素的權(quán)重系數(shù)。第二層權(quán)重系數(shù)，引入風(fēng)險(xiǎn)因子確定三大因素對(duì)SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全性的權(quán)重系數(shù)。

第一層權(quán)重系數(shù)的確定：權(quán)重系數(shù)的確定直接影響模糊綜合評(píng)判的正確性。例如電堆溫度過高是由多個(gè)因素共同的影響導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，它的存在使得部件之間相互獨(dú)立的假設(shè)不再成立。所以往往無法直接給出各個(gè)子因素的權(quán)重系數(shù)。構(gòu)建模糊一致矩陣，表示子因素間兩兩的重要性，從而利用模糊一致矩陣求出各個(gè)子因素的權(quán)重系數(shù)。

第二層權(quán)重系數(shù)的確定：權(quán)重系數(shù)是風(fēng)險(xiǎn)因子的函數(shù)。即某個(gè)因素發(fā)生危險(xiǎn)的概率越大，造成的后果越嚴(yán)重，則其在整個(gè)系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判中所占的權(quán)重系數(shù)越大。設(shè)第i類因素的權(quán)重為，則反映指標(biāo)集重要程度的權(quán)重集為：

2.4構(gòu)建各層次模糊評(píng)判矩陣

設(shè)第個(gè)因素U={u, u, …u}，利用德爾菲法（Delphi Method）對(duì)第i個(gè)因素中所包含的s個(gè)子因素進(jìn)行評(píng)估。上文劃分得到={1,2,3,4}四個(gè)評(píng)價(jià)體系。當(dāng)?shù)聽柗品ǖ脑u(píng)語集趨于集中時(shí)，得到的模糊評(píng)判矩陣R為：

3 實(shí)例應(yīng)用

本文采用雙堆千瓦級(jí)板式電堆，參數(shù)如下

1）吹掃氮?dú)鉃?~20SLM、甲烷為0~20SLM、氫氣為0~50SLM、空氣為0~100SLM。

2）進(jìn)氣口壓力的調(diào)節(jié)范圍為0~0.9 Mpa，過大的壓力會(huì)增大氣體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，過小的進(jìn)氣壓力會(huì)使進(jìn)入電堆的氣體壓力不夠。

3）可燃性氣體泄漏小于1.25%vol。

4）預(yù)熱器甲烷溫度400~450℃，過低影響預(yù)熱效果，過高甲烷預(yù)熱分解。

5）水炭比大于3，防止碳堆積。

6）汽化器維持在100℃以上，穩(wěn)定氣化。

7）電堆溫度600~800℃，縱向溫差小于80℃，max≥2000 W，衰減率?≤2%/1000 h。

圖3 燃料分配系統(tǒng)氣管路簡圖

圖4 電堆I-V曲線

重整實(shí)驗(yàn)為高溫實(shí)驗(yàn)，而且會(huì)產(chǎn)生易燃易爆及有毒氣體。實(shí)驗(yàn)前檢查系統(tǒng)是否漏氣，管路是否暢通，氣體出口是否暢通，氫氣及一氧化碳及甲烷泄漏探測(cè)報(bào)警裝置[4]。

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

750℃，HRRR2RRR:Air=8/24sccm cmP-2，空氣入口溫度預(yù)熱至700℃時(shí)，電堆的開路電壓為34.7V，21V條件時(shí)，電堆功率可達(dá)到2.216 kW，燃料利用率60.9%，電效率34.4%。

燃料氣分配系統(tǒng)中空氣氣體壓力0.3 MP、甲烷氣源氣體壓力0.3 MP、氫氣氣源氣體壓力0.3 MP、可燃性氣體泄漏未檢出。汽化重整系統(tǒng)中水汽化溫度130℃、重整器入口溫度400℃、重整器溫度700℃、氣碳比3.1。電堆縱向溫差小于60℃。

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)試得到主要系統(tǒng)參數(shù)，采用專家分級(jí)打分策略對(duì)各個(gè)因素集進(jìn)行評(píng)判，得到因素集安全性的最大隸屬度。第一層的模糊綜合評(píng)判，是對(duì)每一類的各個(gè)子因素進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于第一層多因素、耦合子模塊的模糊綜合評(píng)判，采用=(·,∨)主因素突出模型是較為合適的。因?yàn)橛捎谀骋粋€(gè)子因素的影響，導(dǎo)致整個(gè)子模塊嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

由上文得出，第一層綜合評(píng)判，燃料氣分配系統(tǒng)子因數(shù)權(quán)重系數(shù)為：

汽化重整系統(tǒng)子因素權(quán)重系數(shù)為：

電堆子因數(shù)權(quán)重系數(shù)為：

燃料氣分配系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判矩陣為：

表1 因素權(quán)重系數(shù)與隸屬度

汽化重整系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判矩

電堆系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判矩陣為：

對(duì)于第二層模糊綜合評(píng)判，首先由第一層模糊綜合評(píng)判得到的模糊綜合評(píng)判矩陣?？紤]到SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體安全性與模糊綜合評(píng)判的可靠性，采用主因素加權(quán)平均模型是較為合適的。由上文得第二層權(quán)重系數(shù)為：

我們得到SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)安全性的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，可以得出此系統(tǒng)運(yùn)行在安全狀態(tài)下的隸屬度為0.787，運(yùn)行在一般狀態(tài)下的隸屬度為0.148，運(yùn)行在警報(bào)狀態(tài)下的隸屬度為0.065，運(yùn)行在危險(xiǎn)狀態(tài)下的隸屬度0。該系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行在較高安全狀態(tài)下，但系統(tǒng)整體安全性一般。主要表現(xiàn)在各個(gè)子系統(tǒng)的相互耦合作用，其中重整系統(tǒng)安全性一般，低氣碳比容易造成碳沉積，進(jìn)而影響整體安全性。結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，此綜合評(píng)判方法具有較強(qiáng)的可靠性[5]。

4 結(jié)論

本文利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的安全性做出了定性、定量的評(píng)判。對(duì)于復(fù)雜多因素系統(tǒng)，采用兩層評(píng)判方式。利用各個(gè)子因素兩兩相較重要程度構(gòu)建模糊一致矩陣，最小二乘法求解第一層各個(gè)子因素的權(quán)重系數(shù)；引入風(fēng)險(xiǎn)因子，給出了第二層各個(gè)因素的權(quán)重系數(shù)。并對(duì)最終評(píng)判結(jié)果利用模糊分布法進(jìn)行處理。本文給出的SOFC-GT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判模型，具有系統(tǒng)性強(qiáng)，評(píng)判結(jié)果清晰等特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的系統(tǒng)，減少主觀因素的影響，使得評(píng)判的結(jié)果更具有可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] M. L. Shao, Q. C. Liang, D, Yan, H. Qin, J. Xiang. Application of fuzzy comprehensive evaluation on COGAG power plant of performance[J]. Journal of power and energy engineering,2014, 2(9): 29-34.

[2] 閆東, 梁前超, 邵夢(mèng)麟, 焦宇飛. 某型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)失敗的模糊故障樹分析[J].中國修船, 2015, 28(1): 40-42．

[3] 張吉軍. 模糊層次分析法(FAHP)[J]. 模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué), 2000, 6(2): 80-88.

[4] 趙洪濱, 楊倩, 江婷, 楊微. SOFC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)系能分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2014, 5(5): 848-853.

[5] 楊綸標(biāo), 高英儀, 凌衛(wèi)新. 模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[D]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2013.1.

Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation to Evaluating the Safety of Combined Generation System of SOFC-GT

Zhan Haiyang1, Liang Qianchao2, Zhu Runkai2

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP183

A

1003-4862（2016）10-0034-04

2016-05-09

詹海洋（1992-），男，碩士在讀。研究方向：燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。