مدلسازی دینامیکی و کنترل سیستم های نیروگاهی هیبرید پیل سوختی اکسید جامد – توربین گاز

امروزه تحقیقات گسترده ای در زمینه سیستم های نیروگاهی ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد – توربین گاز در حال انجام است. این سیستم ها از دمای بالای پیل سوختی و یک توربین گاز برای دستیابی به عملکرد و کارآیی بیشتر استفاده می کنند. به خاطر دمای بالای گازهای خروجی از پیل سوختی، گرما می تواند بازیابی شود و برای راندن توربین گاز استفاده گردد. توربین قدرت اضافی تولید می کند و برای این کار از انرژی خروجی پیل سوختی استفاده می کند. به رغم انجام تحقیقات روی ترکیب این سیستم ها، بر روی دینامیک ترکیب این سیستم ها تحقیقات اندکی صورت گرفته است. در این پایان نامه ابتدا مدلسازی دینامیکی برای اجزای سیستم ترکیبی پیل سوختی - توربین گاز (پیل سوختی اکسید جامد، کمپرسور گریز از مرکز، محفظه احتراق و توربین) انجام می شود. سپس این مدل ها با هم ترکیب شده و یک مدل دینامیکی از کل نیروگاه بدست می آید. رفتار دینامیکی هر یک از اجزای سیستم هیبرید برحسب زمان ارائه می شود. سپس رفتار دینامیکی پیل سوختی اکسید جامد در اثر تغییر پارامترهای ورودی بررسی می شود. در نهایت یک کنترلر pid برای کنترل توان خروجی پیل سوختی اکسید جامد با استفاده از الگوریتم ژنتیک طراحی می شود. در این پایان نامه مدلسازی دینامیکی یک نیروگاه ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد – توربین گاز انجام گرفت. ابتدا مدلسازی دینامیکی برای اجزای نیروگاه (پیل سوختی اکسید جامد، کمپرسور گریز از مرکز، محفظه احتراق و توربین) انجام شد. سپس با به هم پیوستن این مدل های دینامیکی در نرم افزار سیمولینک، مدل دینامیکی کل نیروگاه بدست آمد. توان خروجی توربین گاز پس از زمان 7 ثانیه به مقدار پایدار 48 کیلووات رسید. اما توان خروجی پیل سوختی اکسید جامد پس از 400 ثانیه به مقدار پایدار 201 کیلووات رسید. این امر نشان داد که دینامیک پیل سوختی برای رسیدن به حالت پایدار بسیار کندتر از توربین است. سپس تاثیر تغییر دبی جرمی ورودی هیدروژن و تغییر جریان بر روی توان خروجی پیل سوختی بررسی شد. دیده شد که با افزایش دبی جرمی هیدروژن به دلیل کم شدن فشار جزئی در الکترود، ولتاژ کم شده و در نتیجه توان تولیدی پیل نیز کم می شود. در مورد اثر تغییر جریان نیز دیده شد که با افزایش جریان تا 420 آمپر توان تولیدی نیز افزایش می یابد اما پس از آن با افزایش جریان، میزان توان کاهش خواهد یافت. این امر به خاطر بازگشت ناپذیری هایی است که با بالاتر رفتن جریان از یک مقدار خاص در پیل سوختی ایجاد می شود. زمان لازم برای رسیدن توان پیل سوختی به حالت پایدار 400 ثانیه بدست آمد، در حالی که این زمان برای توربین 7 ثانیه می باشد. با توجه به اینکه توان تولیدی پیل سوختی نسبت به زمان تا 400 ثانیه اول ناپایدار است و قسمت اعظم توان تولیدی نیروگاه را پیل سوختی تامین می کند، کنترل میزان توان پیل سوختی نقش مهمی در مقدار توان تولیدی نیروگاه ایفا می کند. بنابراین کم کردن زمان رسیدن توان پیل سوختی به حالت پایدار لازم به نظر رسید. این کار با طراحی یک کنترلر pid و بهینه سازی ضرایب آن با الگوریتم ژنتیک برای کنترل توان تولیدی پیل سوختی به انجام رسید. این کنترلر توانست زمان رسیدن توان خروجی پیل سوختی به حالت پایدار را از 400 ثانیه به 20 ثانیه کاهش دهد. در ضمن این کنترلر توانست میزان فراجهش را از 310 کیلووات در حالت بدون کنترلر به 40 کیلووات در حالت کنترل شده کاهش دهد.