Air flow control based on optimal oxygen excess ratio in fuel cells for vehicles

Air flow control is one of the most important control methods for maintaining the stability and reliability of a fuel cell system, which can avoid oxygen starvation or oxygen saturation. The oxygen excess ratio (OER) is often used to indicate the air flow condition. Based on a fuel cell system model for vehicles, OER performance was analyzed for different stack currents and temperatures in this paper, and the results show that the optimal OER was affected weakly by the stack temperature. In order to ensure the system working in optimal OER, a control scheme that includes an optimal OER regulator and a fuzzy control was proposed. According to the stack current, a reference value of air flow rate was obtained with the optimal OER regulator and then the air compressor motor voltage was controlled with the fuzzy controller to adjust the air flow rate provided by the air compressor. Simulation results show that the control method has good dynamic and static characteristics.

基于燃烧理论的大气污染物排放浓度折算方法研究

为了解决不同条件下,大气污染物排放浓度折算方法的适用问题,本文统计了44项国家大气污染物排放标准采用的共计3种折算方法,基于燃烧理论对各折算方法及其适用性进行了计算推导和适用性分析,结果表明:1)过量空气系数折算法是建立在假定燃料特征下的简化方法,只适用于燃料成分因数χ值接近0的燃料,进一步研究显示,燃煤、生物质、垃圾等常见固体燃料的χ值介于-0.04~0之间,燃油的χ值介于-0.07~-0.06之间,矿井气的χ值仅为-0.01左右,沼气、油田伴生气、天然气、焦炉煤气的χ值约为-0.06~0.11,发生炉煤气、转炉煤气、高炉煤气的χ值分别达到0.47、0.48、1.35不适用过量空气系数折算法;2)烟气含氧量折算法通过燃烧计算模型严密推导得到,不受燃料限制,适用于烟气中CO等可燃气体残余量较少(建议低于1000ppm)的燃烧条件;3)排气量折算法直接通过排气量进行折算,适用于单位产品实际排气量高于规定的基准排气量的情况,且多为直接通过排气筒向环境排放(无燃烧)的场合。

基于经济模型预测控制的燃料电池空气管理

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的空气供给问题,提出一种经济模型预测控制(EMPC)的算法。区别于传统空气供给管理算法通过跟踪过氧比来调节系统的性能,提出的EMPC控制器通过构建与PEMFC的净输出功率相关的经济效益函数,作为优化问题的成本函数,旨在使PEMFC系统在任何工况运行时的净输出功率最大化,并通过仿真验证控制算法的稳定性和有效性。仿真结果表明,与动态过氧比和定值过氧比的模型预测控制器相比,EMPC控制器在暂态过程中的净输出功率分别提高了2.93%和3.82%,在稳态过程中的净输出功率分别提高了0.94%和0.67%。

垃圾衍生燃料在水泥窑分解炉内的减氮效应

将垃圾衍生燃料(RDF)作为替代燃料投加到水泥窑炉内进行高温焚烧,是水泥工业降低熟料生产过程中化石燃料消耗的主要技术手段之一。本文在管式炉中研究了粒径和助燃空气温度这两个因素对RDF热解燃烧气体组分的影响,并利用CFD软件模拟了RDF在分解炉内的减氮效应。研究结果表明:对不同粒径的RDF颗粒,总体上呈现出热解燃烧气体中CO、CmHn和H2还原性小分子气体浓度随着助燃空气温度的升高而增加。基于华新某工厂的运行工况进行了CFD模拟计算,当RDF的粒径分布取<50 mm(占80%),三次风温度为900℃时,过剩空气系数取1.2,燃烧室出口NOx浓度小于280 ppm,减氮效果明显,与实际情况一致。

基于终端滑模控制的燃料电池进气管理

适当的进气可改善燃料电池的输出特性,但过量的进气可能导致质子交换膜损坏、氧匮乏和输出效率低等问题。进气系统过氧比值能反映气体供应的情况,是衡量燃料电池系统运行状况的重要参数。根据质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统建模分析过程,将负载电流作为外部扰动,并基于模型设计出比例-积分-微分(PID)控制器、传统滑模控制器(SMC)和非奇异终端滑模(NTSM)控制器。仿真结果表明:3种控制算法均能实现稳态跟踪,但两种滑模控制器的控制效果好于PID控制器,NTSM控制器的控制时间比PID控制器和SMC分别减少70.5%和48.5%。

氢内燃机尾气水含量估算

氢内燃机尾气中水含量较高,对尾气排放取样测量有影响。建立了氢内燃机尾气中水体积百分比(ηH_(2),Oexh)估算式。过量空气系数(λ)在[1,2.5]区间时,氢内燃机尾气中ηH_(2),Oexh随λ增大而减小。λ在[0.5,1)区间时,随λ增大而增大。在λ=1时,ηH_(2),Oexh的极大值约为36.0%。进气温度和湿度分别在25±5℃和50±20%R.H.范围内时,相同λ条件下,氢内燃机尾气中ηH_(2),Oexh变化幅度较小。为避免水的冷凝,氢内燃机尾气采样及传输管路温度应高于75℃。

炼油装置管式加热炉燃烧控制优化

炼油装置中管式加热炉为工艺流程提供热量。加热炉主要燃烧控制目标包括维持炉出口工艺介质温度、炉内无可燃物聚集风险、安全操作、高效节能等。国外项目中,平衡抽力和强制抽力模式的加热炉燃烧设计采用“空燃比控制”方案,当炉负荷增加时,优先增大供风量,随后增大燃料量,当炉负荷较小时,优先减少燃料量,随后减少供风量,以确保炉内的燃烧变化过程始终空气过剩,避免供氧不足、发生不完全燃烧,降低可燃物聚集的安全风险。较常规控制方案,采用“空燃比控制”方案的加热炉过剩空气系数较小,烟气排放量较少,热效率、安全性有所提高,操作费用有所下降。在碳中和目标下,加热炉采用“空燃比控制”的方案是一种提高燃料效率、减少CO_(2)排放的解决方案。

国六重型天然气汽车失火标定研究

发动机失火是影响整车高品质的重大问题,国六重型天然气汽车失火问题是行业难题。针对某重型天然气车的实际失火问题开展调研,基于整车标定过程,概要分析了车型失火的硬件和软件方面成因,深入研究了与废气再循环(EGR)、过量空气系数模块有关的标定改进方案,该方案组合面向解决高原、高寒、高温和山区场景下的整车失火的典型问题,在本车型应用效果良好,为解决重型天然气汽车失火提供新的标定视角和思路。

低挥发分煤燃烧NO_x排放特性的试验研究

无烟煤和贫煤等低挥发分煤在国内许多大型机组上得到广泛使用,该文利用一功率为138kW的小型煤粉燃烧实验台对上述单一煤种及其两者间3种配比混煤的不同配风下NO的生成规律进行了试验研究。通过对试验数据的整理和分析,认为无烟煤和贫煤及其混煤在燃烧过程中氮氧化物的释放主要聚集在煤粉燃烧前期,且混煤和单煤一样NO浓度在炉膛内仅存在一个峰值,焦碳N是低挥发分煤燃烧时形成氮氧化物的主要成分;合适地选取过量空气系数可实现不同掺烧比无烟煤与贫煤混煤高效低NO燃烧。

生物质再燃脱硝的试验研究

采用恒温沉降炉研究了秸秆、稻壳2种生物质及一种煤粉作为再燃燃料的NO还原特性,针对燃料种类、过量空气系数、停留时间及再燃比例4个因素的改变对脱硝率的影响进行了实验研究,同时对3种燃料的再燃燃尽特性进行了分析。研究表明:生物质脱硝能力明显高于煤粉,提高再然比例及减小过量空气系数,3种燃料的脱硝率有不同程度的提高,其中秸秆脱硝率最高,稻壳中等,煤粉最低;在一定的再燃停留时间内(650 ms),延长停留时间,脱硝率增加,超过这一停留时间,脱硝率增加缓慢。生物质与煤粉相比,在相同反应条件下能获得更高的脱硝效果,同时其不完全燃烧损失保持在合理的范围内。

煤粉再燃过程中飞灰含碳量的影响因素分析

针对一台410t/h煤粉锅炉设计了再燃实施方案,提出煤粉颗粒群变氧浓度燃尽计算方法,计算分析再燃燃料比例、配风情况、再燃煤粉细度对煤粉炉内燃烧过程和飞灰含碳量的作用影响规律。结果表明,再燃实施方案设计合理,与现运行相比飞灰含碳量增加1.04%。为保证煤粉的燃尽度,燃尽区高度应大于7m,为煤粉提供大于1s的燃烧时间。主燃区过量空气系数、再燃区过量空气系数和再燃燃料比例在小范围内变化虽然影响到颗粒的燃烧放热过程,但对飞灰含碳量的影响不大。飞灰含碳量随燃尽区过量空气减少呈非线性显著增加,随再燃煤粉细度增加呈指数函数关系减少。再燃粉越细,飞灰含碳量随细度增加而降低越慢。

乙醇燃料均质压燃(HCCI)燃烧边界

在一个单缸排量为1.14 L、压缩比为17: 1的自然吸气发动机上,使用乙醇燃料采用进气道低压喷射,进行了HCCI燃烧区域的实验研究.结果表明,在进气温度为150 ℃时,乙醇燃料可以在较宽的范围内(φa=1～9)实现HCCI燃烧,并且以过量空气系数为标志存在着明显的边界.当过量空气系数φa＞9时,燃烧不完全、甚至熄火, φa=9为该实验条件下的稀燃界限.当过量空气系数φa＜3时,不加EGR则产生爆震燃烧;加入EGR则爆震现象消失,可以实现HCCI燃烧, φa=3为该实验条件下的爆震限.当过量空气系数φa＜1时,加入较多的EGR可以实现HCCI燃烧,但由于燃烧不完全,CO排放大幅度增加,指示效率下降, φa=1为该实验条件下的浓燃界限.

基于燃烧均匀性的对冲燃烧锅炉高温腐蚀抑制

为了消除锅炉水冷壁高温腐蚀对锅炉安全运行的影响,通过实测电厂锅炉空预器入口的O2和CO体积分数沿锅炉横向截面的分布特性,从燃烧均匀性角度分析侧墙还原性气氛的主要原因,并进行相应优化.结果表明:超超临界对冲燃烧锅炉由于炉膛中间燃烧状况剧烈,产生一定的负压,导致靠近侧墙的燃烧器的燃烧器区域过量空气系数比设计值低0.11.燃烧器由于供氧不足产生CO,是侧墙还原性气氛及水冷壁高温腐蚀的主要原因.将靠近侧墙的燃烧器一次风煤粉浓度降低20%后,该燃烧器区域的过量空气系数达到设计值,侧墙附近O2的体积分数升高约2%,水冷壁的高温腐蚀程度减弱84.7%,锅炉的热效率未受影响.

过量空气系数对准东煤结渣特性的影响

为深入认识准东煤的结渣特性,改善燃用准东煤的锅炉结渣问题,采用多反应控制段携带流反应器模拟真实煤粉锅炉中的空气分级燃烧情况,研究空气分级条件下过量空气系数对准东煤结渣特性的影响规律.采用XRD与SEMEDX对灰渣在高温条件下的熔融特性与微观形貌进行分析,并取灰样分析其燃尽率.实验结果表明：准东煤在炉膛温度为1 250℃时具有很好的燃尽效果,燃尽率达到99%以上.过量空气系数在0.7～1.2时对燃尽效果影响不明显.随着主燃区过量空气系数的升高,莫来石含量逐渐增大,结渣逐渐减轻;灰渣中Si、Fe、Na富集明显,Al含量较低,结渣较强;主燃区过量空气系数较低时,灰中铁的硅铝酸盐容易形成低温共熔体,导致结渣加重.为避免严重结渣应该使主燃区过量空气系数大于0.7,同时可以通过掺配含铁量较低的煤来减轻准东煤的结渣.

基于GT-Power对HCNG发动机的数值模拟

为了对HCNG发动机进行更系统理论的研究,运用模拟软件GT-Power建立YC6J天然气掺氢发动机的仿真模型.仿真数据与原机外特性试验结果对比的误差在5%以内,证明该模型具有较高的准确性.然后通过该仿真模型,进行过量空气系数和点火提前角与燃用不同掺氢比例的HCNG关系的模拟研究.研究结果表明,HCNG掺氢比越大,所对应的最佳点火提前角越小,同时着火极限越宽;在较小的点火提前角或者较大的过量空气系数时,掺氢HCNG能有效地提高热效率,降低燃料消耗;HCNG发动机的NOx排放相比CNG虽有所增加,但可通过减少点火提前角或增大过量空气系数降低NOx排放.同时针对模拟工况,确定最佳的点火提前角和过量空气系数,为HCNG发动机的开发标定,起到理论指导作用.

基于首次着火循环的低温冷起动特性

从发动机首次着火循环的单一循环特性分析入手，研究了以液化石油气（LPG）为燃料的电控喷射小型点燃式发动机低温冷起动首次着火循环的燃烧情况，当环境温度从-9～4℃变化时，对不同过量空气系数对冷起动的首次着火循环的影响进行分析，结果表明环境温度对冷起动首循环的HC排放有很大影响，而对着火或起动瞬态转速影响不大；过量空气系数直接影响发动机冷起动首循环的着火可靠性和HC排放，通过研究，得出保证此LPG发动机首次着火循环可靠起动时的最佳过量空气系数为0．74左右。

影响水煤浆再燃效果的主要因素研究

为了研究使用水煤浆作为再燃燃料在大型电站锅炉上的再燃脱硝效果和影响因素,在1台新建的670t/h的水煤浆锅炉上进行了再燃燃料量比在12.5%～25%、主燃区过量空气系数α_1在0.92～1.34、再燃区过量空气系数α_2在0.91～1.04之间变化的低NO_x燃烧调整试验,分析了再燃燃料量比、再燃区过量空气系数、主燃区过量空气系数、再燃区温度、烟气在再燃区停留时间和混合状况对脱硝率的影响。试验结果显示,相对于均等配风时锅炉的NO_x排放量788mg/m3,水煤浆再燃能够有效地降低NO_x的排放量,脱硝效果最高可以达到42.5%,说明大型电站锅炉上采用水煤浆再燃是一种有前景的脱硝方法,同时通过试验确定了再燃过量空气系数为0.95时的最佳再燃燃料比为16%,再燃燃料比为25%时,在实验工况范围内,最佳再燃区过量空气系数为0.91。

汽油加氢改善发动机性能的试验研究

在汽油机的燃烧过程中加入部分的氢气进行燃烧，可对发动机的性能改善和废气排放物的降低起到良好作用。本文就加氢后的汽油机过量空气系数、点火提前角的变化、燃烧过程的循环压力变动、发动机的经济性及ＨＣ和ＣＯ排放问题进行了研究。试验结果表明：随着汽油燃烧过程中加氢比例的增大，混合气着火界线加宽。另外，由于氢气的火焰传播速度快，加氢后混合气的着火延迟期缩短，最佳点火提前角减小，燃烧过程的循环压力变动减小，而且。

生物质先进再燃脱硝特性研究

在沉降炉上研究草本类棉秆、玉米秸、麦秆和木本类梧桐木四种生物质的先进再燃脱硝特性。结果表明,20%再燃比、0.7s停留时间能保证较优的反应工况。在过量空气系数为0.7～0.9、氨氮摩尔比为1.5左右时,棉杆、玉米秸、麦秆以及梧桐木先进再燃在1273K附近取得最高脱硝效率,其值分别为89.11%、88.34%、90.33%和88.28%,比基本再燃提高25%～30%,并且生物质的再燃反应是脱硝的主体,喷氨是对再燃的完善和优化。在1173K～1473K四种生物质的先进再燃可以保持80%以上的脱硝效率。实验过程中加入100×10-6的碱金属、碱土金属添加剂可进一步改良先进再燃脱硝进程。碳酸钠、碳酸钾使脱硝效率提高3%～6%;醋酸钙在1273K～1473K将脱硝率提高4.0%～5.0%,在1073K～1273K作用规律不明显。

船用大型低速二冲程柴油机的动态模型

准确的模型是实现柴油机优化控制目标的关键,平均值模型能够较好的实现这个目标。在综合考虑扫气系数和容积效率对过量空气系数影响的基础上,采用随过量空气系数变化的气体常数和比热比,建立了大型低速二冲程柴油机的平均值模型。以6S60MC型船舶柴油主机为母型机进行系统仿真,结果显示,建立的平均值模型具有较好的准确性及动态特性。目前此模型已应用于船用柴油机控制算法的设计、分析及仿真系统中。