燃料电池动力船舶供氢系统压能回收装置设计与研究

作     者：苏志恒 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张洪朋;魏一

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：氢压能回收 喷嘴 涡轮 6DOF模型 流体仿真 

摘      要：氢燃料电池系统在使用前期,需要压缩机消耗很多能量将氢气压缩到很高的压力(35～70MPa)储存于气瓶中,系统运行时,通常由调压阀将氢气减压到电堆所需的0.2MPa左右,减压过程中高压氢气中的压能白白耗散未得到有效利用。针对这一问题,发展供氢系统的节能技术变得十分关键,尤其是对船用燃料电池系统。同时,船用系统在这一方面还有着天然的优势。因为船用燃料电池系统具有功率需求大,运行工况平稳,装载气瓶数量多等特点,使减压能量回收相比陆用来讲,变得较为简单。而随着氢能系统越来越多的应用于船舶领域,也为高压氢气压能回收带来了机遇。在此背景下,本文以某型氢燃料电池船艇供氢系统为研究对象,根据其全速运行工况,提出并设计了一种由喷嘴和叶轮组成的冲击式氢气膨胀机。对此,本文的主要研究内容如下:首先,文中引入可用能概念,对高压真实气体的可用能模型进行推导,在此基础上,对某型氢燃料电池船艇储氢罐不同压力区间下氢气压能回收潜力进行评估。其次,通过对比不同结构形式能量回收装置的优缺点及适用性,并结合本场景装置流量小,高压差的工作需求,确定回收装置结构形式为Pelton冲击式膨胀机,在该型膨胀机设计经验基础上,对其关键部件喷嘴和叶轮的关键几何参数进行设计并建模。随后,使用Fluent软件从湍流模型选取、喷嘴不同喉部形状性能分析、氢气高压真实气体效应以及进口压力与温度对喷嘴性能影响几方面对超音速喷嘴内流场特性进行仿真模拟。最后,采用6DOF模型作为转子模型,对叶轮内部流动特性以及定量输出特性进行仿真,根据氢气喷管不同进口温度下引起其出口气流参数的不同(即叶轮进口气体参数不同)和叶轮出口背压的不同,分析其对叶轮性能的影响。经过上述内容研究,得出以下结论:首先,氢气压能回收潜力评估的结果表明,高压氢气中储存着数量可观的压能,对其进行回收很有必要。其次,根据喷嘴内流场无粘模型的仿真,对比验证了其几何尺寸设计的准确性;对比不同湍流模型结果,发现SST k-ω模型对氢气超音速喷嘴模拟具有良好的适用性;不同喉部形态的喷嘴内流场波系结构有所不同,综合考量圆弧过渡型喷嘴性能最佳;分析进口压力对喷嘴性能的影响表明,随着压力的提高,氢气质量流量和出口压力与进口压力成正比,喷嘴出口处于欠膨胀状态;当压力在20MPa以上时,氢气偏离理想气体超10%,必须考虑真实气体效应影响;进口温度对喷嘴性能影响表明,质量流量与进口温度成反比,出口温度和速度与进口温度成正比。最后,叶轮仿真表明:气流进入叶轮腔室后会产生斜激波,导致能量损耗;气流喷射过程中,由于气流上下部分的压力场不同会导致速度场产生差异,气流喷出后会偏离中心线上扬;氢气进口温度和叶轮出口背压对叶轮性能的影响主要体现在喷射流速上,然后改变气体上扬趋势,其进口气温和背压的变化对转矩的影响较小,对转速的影响较大。本文通过对氢气在喷嘴和叶轮中的仿真模拟,为船用燃料电池供氢系统压能回收装置的设计做出了初步探索,并对后续氢气膨胀机的结构优化提供了技术参考。