模糊综合评判在SOFC-GT联合发电系统安全性评估中的应用

詹海洋，梁前超，朱润凯



模糊综合评判在SOFC-GT联合发电系统安全性评估中的应用

詹海洋1，梁前超2，朱润凯2

（海军工程大学，武汉430033）

在舰船电力综合系统中，燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）联合发电系统作为一种新型的能源转化装置，直接把化学能转换为电能，打破了传统热机朗肯循环热效率的限制，具有其他热机不可比拟的高效性。同时SOFC-GT联合发电系统自身又具有复杂性、强耦合性等特点，使得无法对其安全性做出定量评价。本文采用模糊综合评判手段，构建模糊评判矩阵，对系统进行模糊层次分析（FAHP）[1]。

SOFC-GT联合发电系统 模糊综合评判 模糊矩阵

1 SOFC-GT联合发电系统

SOFC-GT联合发电系统主要由燃料重整系统、高温燃料电池堆、燃气轮机、发电机、电力转换等系统组成。电堆是SOFC-GT联合发电系统的核心，电堆的安全性决定着SOFC-GT联合发电系统的安全性。

根据上文分析得，影响SOFC-GT联合发电系统安全的三大因素：燃料分配系统、汽化重整系统、电堆。其中：影响燃料气分配系统安全性因素包括空气气体压力、甲烷气源气体压力、氢气气源气体压力、可燃性气体泄漏量。影响汽化重整系统安全性因素包括水汽化温度、重整器入口温度、重整器温度、气碳比。影响电堆安全性因素包括电堆功率、电堆电压、电堆内部温度、电堆内部纵向温差[2]。

图1 SOFC-GT循环结构框图

图2 电堆示意图

2 模糊综合评判

美国控制论学者L.A.Zedeh在1965年发表论文《模糊集合》中第一次提出模糊数学概念。后来发展模糊集合、模糊逻辑、模糊拓扑学、模糊测度论、模糊综合评价等逐步丰富模糊数学的理论体系。

模糊综合评判在对复杂、强耦合系统进行评价时，构建模糊一致矩阵，利用最大隶属度原理与模糊矩阵线性变换原则，对各个子因素作出合理的综合评判。模糊综合评判分单级与多级，对于多因素SOFC-GT联合发电系统，由于权重系数的归一化，单级模糊综合评判会泯灭某些因素的作用，故采用二层模糊综合评判模型较为合适。

2.1构建模糊综合评判因素集

设为影响SOFC-GT联合发电系统安全性所有因素的因素集，将集合中所含某一类因素单独评价，然后再对第一层所得评判结果进行第二层综合评价。

2.2构建模糊综合评判评语集

将SOFC-GT联合发电系统运行状态分为安全、一般、警报、危险4种情况。其中安全对应系统各子系统分别工作在设计点，运行良好；一般对应有少量系统参数设计工况点附近；警报对应极个别子系统参数偏离设计工况点；危险对应系统参数严重偏离设计工况点，并造成子系统不能安全稳定运行。

评语集为：

={安全, 一般, 警报, 危险}={1,2,3,4}

2.3构建模糊综合评判权重集系数

在多因素影响复杂系统中，不同因素对系统安全性的影响程度是不同的。为真实反映不同因素对系统安全性的影响，取合适的权重系数是十分必要的。第一层权重系数，由于无法直接给出各个子因素的权重系数，我们构造模糊一致矩阵，给予各个子因素相互权重比较关系，求得各个子因素的权重系数。第二层权重系数，引入风险因子确定三大因素对SOFC-GT联合发电系统安全性的权重系数。

第一层权重系数的确定：权重系数的确定直接影响模糊综合评判的正确性。例如电堆温度过高是由多个因素共同的影响导致系统严重偏离设计工作点，它的存在使得部件之间相互独立的假设不再成立。所以往往无法直接给出各个子因素的权重系数。构建模糊一致矩阵，表示子因素间两两的重要性，从而利用模糊一致矩阵求出各个子因素的权重系数。

第二层权重系数的确定：权重系数是风险因子的函数。即某个因素发生危险的概率越大，造成的后果越严重，则其在整个系统的模糊综合评判中所占的权重系数越大。设第i类因素的权重为，则反映指标集重要程度的权重集为：

2.4构建各层次模糊评判矩阵

设第个因素U={u, u, …u}，利用德尔菲法（Delphi Method）对第i个因素中所包含的s个子因素进行评估。上文划分得到={1,2,3,4}四个评价体系。当德尔菲法的评语集趋于集中时，得到的模糊评判矩阵R为：

3 实例应用

本文采用双堆千瓦级板式电堆，参数如下

1）吹扫氮气为0~20SLM、甲烷为0~20SLM、氢气为0~50SLM、空气为0~100SLM。

2）进气口压力的调节范围为0~0.9 Mpa，过大的压力会增大气体泄漏的风险，过小的进气压力会使进入电堆的气体压力不够。

3）可燃性气体泄漏小于1.25%vol。

4）预热器甲烷温度400~450℃，过低影响预热效果，过高甲烷预热分解。

5）水炭比大于3，防止碳堆积。

6）汽化器维持在100℃以上，稳定气化。

7）电堆温度600~800℃，纵向温差小于80℃，max≥2000 W，衰减率∆≤2%/1000 h。

图3 燃料分配系统气管路简图

图4 电堆I-V曲线

重整实验为高温实验，而且会产生易燃易爆及有毒气体。实验前检查系统是否漏气，管路是否畅通，气体出口是否畅通，氢气及一氧化碳及甲烷泄漏探测报警装置[4]。

3.1 测试数据

750℃，HRRR2RRR:Air=8/24sccm cmP-2，空气入口温度预热至700℃时，电堆的开路电压为34.7V，21V条件时，电堆功率可达到2.216 kW，燃料利用率60.9%，电效率34.4%。

燃料气分配系统中空气气体压力0.3 MP、甲烷气源气体压力0.3 MP、氢气气源气体压力0.3 MP、可燃性气体泄漏未检出。汽化重整系统中水汽化温度130℃、重整器入口温度400℃、重整器温度700℃、气碳比3.1。电堆纵向温差小于60℃。

3.2 数据处理

根据测试得到主要系统参数，采用专家分级打分策略对各个因素集进行评判，得到因素集安全性的最大隶属度。第一层的模糊综合评判，是对每一类的各个子因素进行模糊综合评价。对于第一层多因素、耦合子模块的模糊综合评判，采用=(·,∨)主因素突出模型是较为合适的。因为由于某一个子因素的影响，导致整个子模块严重偏离设计工况点，进而影响整个系统的安全性。

由上文得出，第一层综合评判，燃料气分配系统子因数权重系数为：

汽化重整系统子因素权重系数为：

电堆子因数权重系数为：

燃料气分配系统模糊综合评判矩阵为：

表1 因素权重系数与隶属度

汽化重整系统模糊综合评判矩

电堆系统模糊综合评判矩阵为：

对于第二层模糊综合评判，首先由第一层模糊综合评判得到的模糊综合评判矩阵。考虑到SOFC-GT联合发电系统整体安全性与模糊综合评判的可靠性，采用主因素加权平均模型是较为合适的。由上文得第二层权重系数为：

我们得到SOFC-GT联合发电系统安全性的模糊综合评价矩阵。对结果进行归一化处理，可以得出此系统运行在安全状态下的隶属度为0.787，运行在一般状态下的隶属度为0.148，运行在警报状态下的隶属度为0.065，运行在危险状态下的隶属度0。该系统各个子系统运行在较高安全状态下，但系统整体安全性一般。主要表现在各个子系统的相互耦合作用，其中重整系统安全性一般，低气碳比容易造成碳沉积，进而影响整体安全性。结论与实验结果相符，此综合评判方法具有较强的可靠性[5]。

4 结论

本文利用模糊综合评判法对SOFC-GT联合发电系统的安全性做出了定性、定量的评判。对于复杂多因素系统，采用两层评判方式。利用各个子因素两两相较重要程度构建模糊一致矩阵，最小二乘法求解第一层各个子因素的权重系数；引入风险因子，给出了第二层各个因素的权重系数。并对最终评判结果利用模糊分布法进行处理。本文给出的SOFC-GT联合发电系统的模糊综合评判模型，具有系统性强，评判结果清晰等特点，能较好地解决模糊的、难以量化的系统，减少主观因素的影响，使得评判的结果更具有可靠性。

参考文献：

[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] 闫东, 梁前超, 邵梦麟, 焦宇飞. 某型燃气轮机启动失败的模糊故障树分析[J].中国修船, 2015, 28(1): 40-42．

[3] 张吉军. 模糊层次分析法(FAHP)[J]. 模糊系统与数学, 2000, 6(2): 80-88.

[4] 赵洪滨, 杨倩, 江婷, 杨微. SOFC联合循环系统系能分析[J]. 工程热物理学报, 2014, 5(5): 848-853.

[5] 杨纶标, 高英仪, 凌卫新. 模糊数学原理及应用[D]. 广州: 华南理工大学出版社, 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，硕士在读。研究方向：燃料电池与燃气轮机联合发电系统设计与仿真。