独开创新型课题 建设创新型国家
1965年起，杨学实初步接触导弹型号空气动力热防护设计。在研究过程中他发现，在低热环境的热防护采用的是玻璃钢或高硅氧材料，而玻璃钢或高硅氧材料在复杂外形以及大型尺寸车床加工方面存在严重缺陷，这种防热方案不适合用在所有的导弹型号中，于是独创性提出了‘涂层法’热防护。并成功运用于相应型号。遗憾的是，在当年的大背景下，杨学实并未提出理论成果，但他仍坚持不懈的随机进行科学实验研究。时至今日，我国航天型号仍在沿用涂层热防护法。
1977年，为了积极响应邓小平同志提出的“科学技术是第一生产力”的号召，杨学实展开深入研究，针对型号设计中低空到高空导弹底部环境条件设计方面，参数因素复杂，虽进行了理论分析，但对结论没有绝对把握时，最好在风洞中火箭燃气喷流实际测量，以便较真实得到设计参数。这个办法是全世界未曾有的冒险实验，我国实现并成功了，创立了在风洞中火箭燃气喷射环境测量试验方法。
1979年，杨学实在烧蚀试验过程中，当仔细观察烧蚀状态时，发现边界层气流中有无数亮点物质飞舞。当视线集中在表面一个点时，观察到一个发白的亮点突然变黑，同时表面有亮点物质飞离表面进入气体边界层；之后，留下一个黑点。随即出现黑点逐渐变成暗红、淡红，直至发白发亮。紧接着又是亮点突然变黑，如此反复。当视线移向整个表面时，观察到有无数亮点物质连续地急速飞离表面进入气体边界层，烧蚀表面上交错着“黑星闪烁”，这是一种“快烧蚀现象”。这个现象表明烧蚀表面存在“有限尺度微元”的物质流失。
杨学实指出，“前面讲到的‘亮点’就是烧蚀前的热层温度曲线的表面温度，‘黑点’就是烧蚀后的热层温度曲线的表面温度。随着有限尺寸微元脱离表面，也带走了一段温度剖面，称‘流失剖面’；于是‘流失剖面’造成了热漏现象。显然，亮点温度比黑点温度高，在亮点至黑点之间存在一系列的温度点；由于温度点的任意性，使得整个热层存在热漏。于是，从理论角度提出一个问题，在快烧蚀条件下传热数学方程式是否为古典传热方程式呢？不能确定。因为古典传热方程的建立条件，是热层内既没有热源，也没有热漏。因此，只能利用新近建立的物理概念，和数学技巧知识，重新建立具有热漏传热特性的方程式。经过归纳、总结、抽象、提高，利用能量守恒原理，得到了新的‘快烧蚀传热方程式’。结果发现，快烧蚀传热方程式与古典传热方程式不同，相差一个一阶偏微分项，这个偏微分项在方程中的物理含义正好是‘热漏’。这种热漏体现出烧蚀物质越多，热漏越大，热防护效果越好，这正是烧蚀热防护设计所追求的目标。”杨学实特别强调，作为科学研究工作者必须具备如下基本素质：尤其在实验过程中必须认真观察实验现象，注意发现同过去已知的知识范围以外的物理现象，即有所发现；同时具备对物理现象进行深入分析的素质，即有所成果。所谓“数学是科学的科学”，就是它能把客观存在的物理规律以数量关系联系在一起，之后，再进行抽象数学运算。鉴于上述创新，吸引了一批科学院著名专家学者参与研究，并形成了规模研究队伍。
“也有少数纯数学工作者对快烧蚀方程中的热漏项提出质疑（《自动化学报》23（2）期）。理由是‘外国人计算烧蚀用的是古典传热方程’，从未见过快烧蚀方程；以此认定外国人既然是正确的话，必然中国人是错误的。严肃地正确判断是：‘那是因为外国人没有认真研究古典方程建立时所须满足的条件，更没有认真研究烧蚀域内存在的热漏’。不能以为外国人错了跟在人家后面犯错就应该理直气壮（《自动化学报》24（2）期）。然而，在‘慢烧蚀’条件下，‘快烧蚀’方程中的热漏项贡献变小，几乎可以忽略，于是快烧蚀方程蜕化为古典方程；这种近似在工程上是允许的。但是，使用古典方程处理烧蚀问题，理论上严格地说，是不恰当的，是错误的。”杨学实说。
关于类似核爆中心的极高热环境，如“电磁导轨炮”的导轨放电热环境。它的放电导轨处于30毫米距离内数千伏电压和几十万安培电流放电环境下，热环境极端恶劣。钨渗铜导轨由于烧蚀难以实现连续发射，影响实用价值。同样对于高超音速再入弹头，通常在弹头的音速点附近出现严重烧蚀，造成弹头外形发生改变，致使飞行弹道偏移，弹着点精度偏差变大。如果有一种方法使得弹头表面烧蚀材料以及放电导轨烧蚀材料得到补充，则能保持导弹外形以及放电导轨外形不变，提高实用价值。这种方法是存在的，就是发汗冷却控制方法。
杨学实在控制理论创新方面贡献卓越，比如发汗热防护控制：人体出汗能使身体降温，因此发汗具有明显的冷却效果，能够降低结构温度。冬天冷了就封闭毛孔不出汗，天气愈热出汗愈多；或者利用扇风增加皮肤表面水分蒸发来降温。前者是人体的自动控制，后者是人为控制。如果在飞行器上装一瓶冷却剂，利用机体无数微孔结构材料，通过计算机控制，使得飞行器结构表面温度处于不烧蚀状态。实现初始设计外形不变，又使得发汗剂消耗量最少，这就是发汗控制理论要研究的最优控制问题。
杨学实说，“同样按照发汗物理概念和数学技巧，利用微元受热能量守恒原理，与局部热平衡，随即又建立了‘发汗传热数学方程式’。结果发现，‘发汗传热数学方程式’同‘快烧蚀传热数学方程式’属于同一类型，也多出一个一阶偏微分热漏项。这个发汗热漏项容易理解：由于外表面存在加热源，使得热层中外表面温度高而内表面温度低而存在的温度逐渐变化过程。当低温发汗剂从低温内壁一路渗流通过温度逐渐升高的热层到达高温外壁面时，存在沿途吸热而产生热层的热漏现象，效果上和烧蚀物质流失类似的热漏性质，物理过程相同因此数学关系属于同一类型。因此，可以把‘发汗传热数学方程式’和‘快烧蚀传热数学方程式’俩数学模型合并，再加入‘工程控制’概念，形成‘变域传热发汗分布参数系统控制’理论课题。如果飞行器不出现烧蚀过程，单就发汗而言，也具备非常优秀的热防护性质。于是从控制论角度，我们得到一组发汗剂流量控制参数既出现在边界条件中，又出现在方程中的分布参数系统控制问题；这组控制问题在国际学术界是空前的”。同时他指出，“就发汗控制方法而言，从低热环境到极高热环境的工程应用角度，也具有十分重要的价值。上述理论的应用对象除了高超音速飞行器，也用于接近核爆中心的极高热环境，如电磁导轨炮的导轨放电热环境，尤其电磁炮连续发射问题”。1985年，他在《自动化学报》上发起了“烧蚀发汗冷却控制”理论研究。国际上命名该方程为“杨学实方程”。
1991年起，杨学实在导弹型号空气动力学工程设计任务之余，同时开展理论研究。上述“变域传热发汗分布参数系统控制”理论研究获得国家自然科学基金资助，并连续三期主持基金项目。研究班子以中科院系统所和航天部高级研究人员为核心，国际院士和国内重要研究单位和大学参与，约30多人。其间，他每年在北京主持召开研究成果学术讨论会，每年论文有30多篇。研究内容包括对其提出的三项新思想相结合的研究，即发汗对结构温度的影响、快烧蚀变域热传导、分布参数系统控制。这三项结合，为变域传热发汗分布参数控制课题的理论研究、实验研究和应用研究相互促进奠定了基础。归纳为动边界分布参数系统控制。随着研究的深入引导，内容越来越丰富，在一维问题的基础上，又逐渐建立了二维和三维问题的全面系统研究。在连续获国家自然科学基金资助下，他致力于全面推动每个问题的数学模型、数值方法、数学仿真、数学定理证明、控制理论研究、试验研究和应用研究等方面的拓展。结题被国家自然科学基金委评为“特优”项目。他在国内外公开发表学术论文近60篇，国际上重要刊物（《EI》和《INSPEC》等）跟踪检索多篇。曾获火箭导弹型号设计科技进步多项奖励。著作两本书：编辑出版发行英文论文集《Recent Advances in Distributed Parameter Theory on Transpiration Control System。SCI-TECH Information Services，British（first edition），1996》，和中文专著《变域传热发汗控制理论》。
杨学实相继提出的理论研究课题为“气膜悬浮分布参数控制”，它的空气动力学流动属于“三维缝隙剪切流”，物理上指的是“发汗边界缝隙剪切流”。对于这类问题，为便于开展理论研究，按照量阶分析法，随即建立了它的数学方程组。他指出“这类理论问题比国际上有名的‘Couette流动’要困难得多，‘Couette流动’属于单纯的一维流动和二维流动。这就是说，‘气膜悬浮分布参数控制’课题不仅是三维问题，而且要控制。于是，我们又建立了一门‘空气动力学’与‘控制论’相结合的边缘学科”。
杨学实指出，“当考虑创建理论的应用问题时，应该着眼力求广泛性。前期的研究，控制参数属于小发汗量。对于大发汗量控制参数，例如适用于大孔隙率发汗结构材料的工程应用问题，需要借助地下石油天然气在砂层中渗流规律。从空气动力学角度，前述流动同多孔材料的发汗剂渗流之间不同点在于连续性方程与空气动力学通常意义上的连续性方程不同。同时，一位以色列人Darrcy曾经对石油天然气在砂层中的渗流提出过‘Darrcy定律’，这一定律同大孔隙率多孔材料渗流在物理规律上存在某种类似。据此，按照空气动力学的三大守恒、四大方程关系式，通过数学运算，我们又建立了‘压力分布参数控制’数学模型”。并开展了基础理论研究。
航天飞机与高超音速飞机就热防护而言，属于同一类型。美国航天飞机的防热设计采用防热瓦。防热瓦设计属于“隔热”和“热沉”的复合设计。我们知道，“隔热法”和“热沉法”没有“烧蚀法”效率高。隔热表面不会烧蚀，要求材料导热系数小，尽量把热隔在外面，使其尽量少的进入物体结构。然而，热流一旦传入结构，就散失不出去，因此依靠增加结构体积重量满足“热沉”要求。多余的重量载荷会使飞机增加负担。同时，在飞机头部粘贴一千多块防热瓦的办法很原始，工艺上稍有不慎将会出现防热瓦脱落。2003年美国航天飞机返回过程中因防热瓦脱落，航天飞机解体，宇航员瞬间失去生命。由于热防护方法不当，使得事件似乎存在必然性。
承担国家气浮车项目 助推高速发展之路
1999年，杨学实在发汗控制实验过程中，用手感受发汗物体表面渗流状态时，发现手与物体表面之间始终存在一层膜，用力施压也不能触及表面，这种力是气膜压力。就是说，发汗固体表面气膜存在较大压力。这种压力的发现是否存在工业应用价值呢？需要经过进一步细致的测量，结果证实它的压力为1.44公斤／平方厘米。它的净有效压力超过气垫船的净有效压力将近一倍多，接近0.5。也就是说，1个平方米的气膜能够悬浮5吨重物。如果一节车有4个腿，他的悬浮重量可以达到20吨，这就证明物面压力明显存在工业应用价值。于是发明了气膜悬浮车，称“气浮车”。
气浮车就是把飞机机身放到轨道上“飞行”。具体就是去掉飞机的主翼、尾翼、竖翼、起落架、发动机、油箱和燃油，只剩机身。安装4个腿代替机翼，放在轨道上，依靠4—5个压力的压缩空气，通过控制方法，在气腿与轨道平面之间生成气膜，使飞机机身悬浮。悬浮高度约1—2毫米量级。不带滚轮，依靠车腿支撑运行。在推力作用下，行驶时速可达800公里，使高速行驶成为现实。简单地说，气浮车就是“有轨、无轮、高速、气膜悬浮、无接触摩擦、近地面轨道飞行器”。这样一来，使得高速轨道交通与空气动力学相结合的技术创新成为速度竞争在交通领域的进步点。随后，他又相继申请并获授权的专利为：发明专利“发汗电极控制装置及控制方法”和“气浮车气膜的控制方法”；实用新型“气浮车车腿”和“气浮车分流式底盘”；并提出国际发明申请，发明专利国际申请号：PCT/ CN2007/000786；发明专利国际申请号：PCT/CN 2007/000787。
我国气浮车的优势是车腿支撑，不用滚轮。最高时速800公里，速度快；轨道为突出地面8—10厘米的两条道路，可用石材，简单，造价低；悬浮气膜1-2毫米厚度存在收敛效应，不会上下颠簸，运行稳定；左右车腿外侧有生成气膜的挡板，限制车辆运行方向，没有摩擦；动力采用电网供电，开关磁阻电动机噪声小；工作介质是空气，吸入空气，再排出空气，没有污染；气浮车体是飞机的机身和管道底盘组成，结构简单，重量轻，安全系数高，有效载荷效率高，耗能低；工程造价是磁浮的16%，是轮轨的56%，建设成本低；能耗是磁浮的67%，轮轨的50%，运行成本低；运行安全控制由三组分布参数控制系统组合管理，有理论保证；车腿有侧挡板底挂钩、进气道有防护网、三重刹车分阶段制动、中央卫星定位控制、按导弹可靠性质量控制设计气浮车安全系统，安全性高；具有丰富的“系统集成总体技术”经验，航天系统在长期型号设计过程中，所形成的丰富设计经验，具有绝对优势。
航天科工集团早在2004年就召开了“高速气浮车技术方案可行性”评审会。参加会议的有铁道科学院、北京交通大学、中国南车集团、航天科技集团和航天科工集团等单位。以庄逢甘院士为首的院士、研究员、教授和高级工程师等13人组成评审专家组。会议听取了气浮车项目组杨学实所作的《高速气浮车可行性论证报告》，并观看了试验样车的轨道运行试验录像。专家们在热烈的讨论中认为，这种气浮车属于轨道飞行器；是一项具有全球性意义的项目。并得出如下评审意见：“气浮车与磁悬浮车以及轮轨高速列车甚至飞机相比所存在的一系列优点是可信的；气浮车的技术可行性以及研制的现实性是存在的；气浮车是具有我国自主知识产权的创新项目，建成后可以填补高速交通速度链的空白”。
创新工程气浮车项目在未来追求高速交通的世界大环境下是有重大意义的。而它的社会效益同样不可忽视：第一，气浮车项目能够创造的就业岗位将达几十万；第二，它的经济效益在年均数百亿美元的等级上；第三，它在学术价值上既创造了国际上新的分布参数系统控制的数学模型组合，又建立了一门“气膜悬浮与控制”边缘学科研究；第四，它在技术价值上将空气动力学与轨道交通相结合并成为提速的亮点，使得轨道运输方式发生变革，不要滚轮而用车腿运行；第五，国家价值上大大增加中国软实力，国际价值上全世界没有时速450公里以上的轨道交通工具，国际市场中国独占。在有利条件方面：有中共中央政策研究室、国家领导人、国务院、国家发展改革委员会的重视；再加上国家的“自主创新”政策和在2020年建成“创新国家”的号召；又加上多位院士集体的“极力推荐”；研制团队又具有丰富的系统工程的“实施经验”；以及建立了一套完整的理论研究、试验研究、应用研究的研制体系的保证；再加上已经完成了三个设计阶段的第一阶段设计，处在产业化成熟阶段；又完成了气浮车1∶5模型样车的轨道运行试验。
杨学实指出，“涉及气浮车工程控制的理论问题需要三类数学模型来实施：第一类为大发汗量气源压力分布参数控制，即‘压力控制方程’；第二类是车腿底部粘性气体的高速剪切，造成车腿结构加热的热防护控制，即‘变域传热发汗分布参数控制方程’；第三类是发汗边界缝隙剪切流控制，即‘气膜悬浮分布参数控制方程组’。在前期理论研究过程中，这三类数学模型曾经在理论研究阶段已经具备。按照这三类分布参数系统控制组合后，具体实施为航空电机大流量空气压缩机转速控制、到气浮车腿底部因高速气流剪切摩擦而产生车腿结构的加热控制、再到气膜悬浮控制，组成一套完整的大型复杂控制系统。这三类控制的核心，涉及气浮车运行的‘安全控制’，因此这组控制模型的理论问题十分重要，它在分布参数控制学术界也是空前的。于是在工程上又建立了一套完整的理论研究、试验研究、应用研究的研究研制体系”。通过前述访问，笔者认为，杨学实是一位真才实学的空气动力学与控制论相结合的不仅理论科学家，也是应用科学家。目前，他在理论研究同时，仍然带领研制班子继续推进“高速气浮车”工程的产业化进程。
目前国际上，包括国内，所有轨道交通工具，速度不超过时速450公里。磁悬浮列车430公里，昂贵、污染、不具备商业价值。高速轮轨列车实用时速330公里。由于存在黏着力的结构性问题，速度快了就出现车轮打滑，再提速非常困难，除非不顾一切消耗大量能量，且又增加车轮结构力学的危险因素。欧洲上世纪六十年代研制过气垫车，悬浮高度几十厘米，带滚轮，燃气发动机为动力，存在能耗大、噪声污染、运行不稳定问题。属于方案设计缺陷，一次试验后，很快下马。铁道部目前为了继续提高轮轨列车的速度，开展了480公里时速的刹车技术试验；同时又投入资金开展一项将“磁悬浮列车”放进“真空管道”的外国人设想的工程，希望达到时速1000公里。从工程造价角度，这种“真空管道磁悬浮车”方案比单纯磁悬浮车更不具有商业价值，带来高风险。日本东北大学利用美国人“带翼气垫车”在地面是平面和两堵墙围成的槽内的失败试验，继续原方案，改称“飞行列车”，带滚轮；投入大量资金，予计时速500公里，2020年投入运营，座位335个；它的问题是由于空气的粘性效应，又运行在大尺寸的气垫上，带有飞行机翼的列车上下颠簸、机翼两边撞墙、左右倾斜。这是一种“严重不稳定”的危险运行方案，转弯撞墙的现象难以避免，尤其高速飞行更危险。为了得到高速交通工具，全世界在不计成本地执著追求，表明高速轨道交通在国际领域的迫切需求程度。气浮车的优势在前面已经讨论过，不存在前述各类轨道交通工具的缺陷，时速800公里，属于高速轨道飞行器的最优方案，而且是具有完全自主知识产权的，长中华民族志气的具有世界性意义的创新工程。
专家简介：
杨学实，中国航天科工集团第四总体设计部高级工程师、研究员。1937年7月出生於陕西省安康市。九三学社社员。1962年毕业于兰州大学数学力学系，分配到中国科学技术大学近代力学系任教。曾任世界著名科学家郭永怀学部委员的《边界层理论》教学的助教，以及华罗庚学部委员的《微分方程》数学教学的助教，并对钱学森学部委员的《星际航行概论》课程在开阔学术思路视野方面受益匪浅。深受前三位世界著名科学家的学术思想、严谨思维、研究方法、民族精神、工作态度的巨大影响。
1965年杨学实调入第七机械工业部第二研究院第26研究所，从事火箭导弹空气动力学研究、试验、设计，先后任技术员、工程师。1980年转入中国航天工业部第二研究院第四总体设计部，先后任高级工程师、研究员。1993年应俄罗斯原喀山航空学院校长G·L·Degtyarev 教授和科学家T·K·Sirazetdinov院士邀请赴俄罗斯讲学。中国航空学会和中国宇航学会会员，中国计算物理学会第三届、第四届理事。俄罗斯《PROBLEMS OF HUMANRISKS》杂志编委。
【历史沿革】
电气与自动化工程学院前身为原北洋大学电机工程系，创建于1933年。至1937年北洋大学电机工程系已初具规模，有了第一届毕业生。抗日战争爆发，电机系随学校西迁陕西，经历了坎坷的八年抗日战争。抗日战争胜利后，1946年北洋大学于天津西沽原校址复校。在极其艰难的条件下，经过全系师生共同努力，北洋大学电机工程系不但得以恢复，且有了一定的发展。
1951年，北洋大学与河北工学院合并成为天津大学，两校的电机工程系合并为天津大学电机工程系。1952年经院系调整，天津大学迁到七里台新建校址，原南开大学电机工程系调归天津大学，合并后成立了电力工程系和电信工程系。1955年，电信工程系奉调北京成立北京邮电学院。
1960年，电力工程系与第三机械系合并，建立电机与动力工程系。
1971年，内燃机专业调离本系，而将原属精密仪器系的热工仪表及自动化装置专业调整到本系，系名改为“电力及自动化工程系”。1978年热工教研室调离该系，与内燃机专业一起成立热能工程系。
1997年6月，学校决定将原电力及自动化工程系、热能工程系的工程热物理专业及地热研究与培训中心合并，组建为电气自动化与能源工程学院。
2002年4月，学校将热能与制冷工程系、地热研究与培训中心两个单位整建制的调整到机械工程学院，7月，经学校批准学院更名为电气与自动化工程学院。
【学院概况】
学院现设2个系（电气工程系、自动化系），5个中心（现代电工电子技术中心、电气与自动化实验中心、电工电子实验中心、楼宇自动化中心、电力研究与培训中心），3个研究所（电力电子应用技术研究所、电力及自动化工程研究所、天津大学机器人与自主系统研究所）。自1933年成立以来，经过几代人的共同努力，目前拥有“电气工程及其自动化”和“自动化”2个本科专业，拥有“电气工程”和“控制科学与工程”2个一级学科，均为博士、硕士学位授权一级学科，并分别设有博士后流动站。在学院所属的8个二级学科（电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术、控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置和模式识别与智能系统）中，电力系统及其自动化、检测技术与自动化装置为国家重点学科。学院每年本科生招生规模330人左右，研究生300人左右。
【学科特色】
学院研究方向特色鲜明，其中电力系统规划、评估与优化，电力系统安全性与运行控制，分布式发电与微网，电力系统保护与控制，新型电机及其控制技术，电器系统优化与节能，高电压与绝缘材料，新型传感器与流动参数检测，自动化装备与过程控制，智能系统检测、建模与控制，智能信息处理与应用，航空制导技术，机器人控制技术，新能源动力汽车控制技术等研究方向在国内外均具有一定影响力。未来学院还将结合国家重大需求和国际科技前沿，努力推进学科建设和科研发展。
【师资队伍】
学院拥有一支高效、精干、勇于开拓的师资队伍，现有中国工程院院士1人，俄罗斯工程院院士1人，国家“千人计划”引进人才1人，长江学者创新团队1个，长江学者特聘教授2人，长江学者讲座教授1人，“973”首席科学家2人，国家杰出青年基金获得者2人，国家百千万人才2人，教育部新（跨）世纪优秀人才14人，天津市“千人计划”引进人才2人。
【科学研究】
学院现拥有各类科研和教学实验室20余个，其中包括：智能电网教育部重点实验室、天津市电力系统仿真控制重点实验室、天津市过程检测与控制重点实验室、教育部新型飞行器联合研究中心（先进制导与控制分中心）、天津市配电系统规划及自动化技术推广中心，以及与国内外知名企业共建的楼宇自动化中心（与美国霍尼韦尔公司共建）、电力研究与培训中心（与华北电力公司、天津电力公司、河南电力公司、天津大港电厂等单位共建）、天津大学——三菱电机自动化实验室（与三菱电机（中国）公司共建）、天津市电力新能源与智能配用电技术工程中心（与天大求实公司共建）、天津市锻压装备技术工程中心（与天锻压力机公司共建）等多个科研和实训平台。多数实验室和研究平台可对在校学生和企业开放，用于培养学生的创新能力和解决企业的实际问题。80年来，学院始终秉承“实事求是”校训，以培养高素质人才和发展科技为己任，取得了累累硕果。近5年来，共完成科研项目400余项（包括两项国家973项目，10余项国家863、支撑计划课题项目等），获2012年国家技术发明二等奖、2010和2011年两项国家科技进步二等奖，2009年中国高校十大科技进展以及其他各类省（部）级科学技术进步奖20余项，发表科技论文1500多篇。科研经费连年增长，2012年全院承担的科研项目经费已超过5000万元。
【合作交流】
一、研究专题和期限
专题一、城区公共建筑节能减排关键技术研究与综合应用示范
1、中心城区既有中小型公共建筑节能改造研究与示范
研究目标：针对中心城区既有中小型公共建筑的用能特点，提出适用于中心城区既有中小型公共建筑节能改造方法与路径，为大面积节能改造提供技术支撑；选择1幢区属科技馆，进行围护结构和用能设备的综合改造，满足现行建筑节能50％的要求,并实现节能综合技术应用与展示功能;选择1～2幢中小型养老院开展综合节能30%以上的改造示范。
研究内容：中心城区中小型公共建筑用能特征、节能改造技术与体系、节能改造效果评价方法的研究；综合节能技术应用示范与展示一体化的整体优化实施方案研究；营造室内舒适环境的节能改造技术研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
2、“环境友好型”社区节能减排适用技术集成与示范
研究目标：在一个已建成社区内，实现居民楼的外维护结构保温隔热、空调节能和遮阳等节能技术集成应用的示范工程，完成社区公共部位的太阳能利用和雨水收集绿化浇灌系统的建设，达到社区节电15%以上的目标，并制定“环境友好型社区技术导则”。
研究内容：节能技术在居民住宅小区中应用的示范推广模式研究；建筑能耗与小区环境质量监测技术研究；公众参与平台建设标准与技术研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
3、历史建筑节能技术集成研究与应用示范
研究目标：针对既有建筑节能改造中历史建筑这一特殊建筑群体，以公寓、花园洋房为重点对象，通过对现有的建筑节能技术进行评估，实现节能改造技术在1-2处花园洋房历史建筑的集成示范应用，和1500平方米的历史建筑适宜节能技术推广应用，并建立适合于历史建筑的节能改造技术体系和历史建筑节能改造质量保障体系，形成历史建筑节能改造技术导则。
研究内容：建筑节能关键技术适用性的研究；历史建筑节能改造关键技术的研究；历史建筑节能改造工程质量评估方法的研究。
专题二、建设工程节能减排关键技术研究与综合应用示范
1、大型交通枢纽市政基础设施节能减排集成技术及应用研究
研究目标：通过对虹桥综合交通枢纽基础设施内的耗电设备节能潜力分析，采用太阳能、地热能等新能源技术，以及照明智能控制和空调变频控制等节能技术，达到降低能耗20％以上的目标；为解决传统城市雨水管理带来的排放设施投资大、运行能耗高及面源污染问题，对虹桥枢纽高架道路、屋面等进行雨水蓄渗利用，实现削减雨水排放量40%以上。
研究内容：大型交通枢纽新能源利用技术的研究；道路照明智能控制系统的开发；地下空间变频通风空调系统的开发；景观一体化雨水处理技术的研究。
2、*国际机场北通道节能减排综合技术应用研究
研究目标：结合机场北通道建设工程，多途径、大规模研究应用废旧材料的综合利用、节能减排综合技术，使工程建设过程中能耗与污染物排放同口径减少6%；建立工程建设过程能量消耗和污染物排放模型，形成一套道路工程建设能耗和排放信息与分析系统软件，量化道路工程建设节能减排情况。
研究内容：工程建设过程中能量消耗和污染物排放模型研究；旧水泥混凝土再生利用研究；生活垃圾焚烧炉渣应用技术研究；旧沥青路面再生利用研究；施工临时设施和其他管理活动中节能减排技术研究。
专题三、重点耗能行业的节能减排关键技术研究与示范
1、区域性供电综合节能示范应用研究
研究目标：针对区域性供电系统，应用综合节能技术，形成相应的示范工程；根据全生命周期的绿色设计理念，建成一座集成新能源利用等多项节能技术的110kV新型变电站，达到总能耗减少50％的建筑标准；建成可转移30～50％高峰电力的蓄能空调示范工程。
研究内容：区域电网科学规划、节能控制和管理综合技术研究；节能型变电站建设关键技术研究；蓄能空调节能量定量研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
2、钢铁行业低热值煤气规模化利用和系统运行优化的研究
研究目标：针对钢铁行业中高炉、焦炉和COREX所产生的大量低热值煤气，通过大型燃煤电站掺烧煤气、全烧煤气大型蒸汽轮机发电和燃气蒸汽联合循环发电等多种利用方式，实现高炉煤气100％回收利用；通过综合考虑电能调度、能源平衡和多种燃料混配的经济运行方式，开发出在线优化系统和远程分析平台，实现煤耗下降5g/kwh以上。
研究内容：高炉低热值煤气综合利用方案的技术经济性评价方法的研究；高炉煤气燃烧经济运行在线优化系统及远程分析平台的研制；先进控制和节能技术在高炉煤气利用过程中的应用研究。
研究期限：*年12月31日前完成研究任务
3、以煤为燃料的热电冷三联产新型工艺技术研究
研究目标：为改变目前煤炭粗放型的利用方式，研究开发以煤为燃料的热电冷三联供的新型工艺技术路线，实现煤炭热能高效梯级利用，并建立制冷量50万大卡/时规模的热电冷联产示范系统，与热电联产和供冷分产相比较，达到节能15%以上。
研究内容：热电冷联产系统优化配置的研究；热电冷联产系统优化运行的研究；热电冷联产系统协调控制的研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
专题四、新能源利用关键技术的研究与示范
1、城市垃圾多元化能源转化技术研究
研究目标：为构建城市可持续能源供应体系，通过城市垃圾生物质组分拆分、混合气化和微藻光合作用捕获二氧化碳等集成技术开发应用，建立城市垃圾及二氧化碳多元化能源转化系统，形成相应的系统集成工艺流程与示范装置。城市垃圾木质纤维材料的拆分回收率在85％以上，混合燃料的气化气热值达到6～7MJ/kg，微藻的生物量达到40～50g/m2?d，生物柴油转化率达到90％以上。
研究内容：城市垃圾木质纤维材料的分拆工艺与装置研究；多种燃料混合气化工艺与装置研究；利用微藻吸收二氧化碳生产生物柴油的工艺与装置研究；油藻基生物柴油的发动机燃烧性能研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
2、新型多光谱太阳能器件研究
研究目标：为促进太阳能的高效率光电转换和应用，研制和采用新型多光谱（光谱区≥4）集成的光电池器件和结构，与太阳能的光谱图匹配，使光电转换效率达到40％以上。
研究内容：高效光谱分区采集和光电转换的新方法和技术的研究；与太阳光谱匹配的高效率光电器件的研制；光电器件的结构优化、浓缩和光电集成设计和制备。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
3、50kW级燃料电池测试系统性能优化研究
研究目标：针对国内大功率燃料电池测试系统严重依赖国外进口的问题，在完全自主开发的燃料电池综合性能测试台的基础上，完成系统50kW大功率关键技术的优化升级，使电子负载实现50kW以上功率600伏耐压，CVM电压扫描速度1次/秒、电压精度1‰FS，使产品技术水平达到国际同类产品的先进水平。
研究内容：50kW大功率燃料电池测试增湿系统的开发；50kW大功率燃料电池测试专用电子负载的开发；燃料电池256通道电压扫描CVM系统的开发。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
专题五、新能源汽车科技专项
1、新能源汽车轻量化技术开发
研究目标：通过采用高强度钢、铝合金、镁合金、纤维复合材料等以及采用零部件结构的薄壁化方法，实现新能源汽车整车减重10%。
研究内容：围绕四门两盖、轮罩等车身覆盖件，车身立柱、横梁、纵梁等车身结构件，以及底盘开展新材料应用技术研究及结构设计优化，电机轻量化小型化开发与研究。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
2、轿车用节能干式双离合器自动变速器(DCT)控制系统开发
研究目标：建立控制系统开发及测试技术平台，开发DCT控制系统，通过实车匹配和标定，与同档位MT的原型车相比，整车加速性和燃油经济性提高5%。
研究内容：研究换档及起步离合器控制策略,开发电控系统软、硬件,故障诊断与安全保护技术,建设测试平台，开展样机台架、装车性能试验及品质评价。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
3、电控SC9DF国四型（相当欧四型）重型商用车柴油机开发
研究目标：开发具有自主知识产权的满足国四排放的重型商用车柴油机并产业化。
研究内容：开发满足国四排放的重型商用车柴油机整机，研究选择性还原催化剂（SCR）的配方及制备工艺，开发控制NOX排放的喷射系统，研究SCR系统的故障诊断、定位和拾取技术。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
4、水平对置式两缸模块化发动机样机研制
研究目标：开发第一代快速成型样机和燃油系统，达到功能和性能指标要求，并通过可靠性试验。
研究内容：开展发动机和燃油系统详细设计，CAE设计验证和优化，研究试制发动机和燃油系统。
研究期限：*年9月30日前完成研究任务
二、申请方式
1、本指南公开。凡符合课题制要求、有意承担研究任务的在*注册的法人、自然人均可以从“*科技”网站进入“在线受理科研计划项目课题可行性方案”及下载相关表格《*市科学技术委员会科研计划项目课题可行性方案（*版）》，按照要求认真如实填写。
2、申报单位应具备较强技术实力和基础，具备实施项目研究必备条件，具有实施项目必需的研究开发设施及匹配资金(企业牵头申报的匹配资金不能少于1:1)；鼓励以产学研联合方式申请，多家单位联合申请时，应在申请材料中明确各自承担的工作和职责，并附上合作协议或合同。
3、课题责任人年龄不限。鼓励通过课题培养优秀中青年学术骨干。作为课题责任人和主要科研人员，同期参与承担的863、973、国家科技攻关和*市重大、重点科研项目数不得超过三项。
4、本专项课题的申请起始日期*年8月22日，截止日期为*年9月5日。课题申报时需提交书面可行性方案及其附件一式4份，并通过“*科技”网站提交可行性方案和其他所有表格。书面可行性方案集中受理时间为*年9月1日至9月5日，每个工作日上午9：00—下午4：30。所有书面文件请采用A4纸双面印刷，普通纸质材料作为封面，不采用胶圈、文件夹等带有突出棱边的装订方式。
5、已申报今年市科委其它类别项目者应主动予以申明，未申明者按重复申报不予受理。
6、网上填报备注：
1）点击连接可进入《科研计划项目课题可行性方案》申报页面；
2）首次登录必须选择“初次填写”转入申报指南页面，点击"专题名称"开始申报；
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学家。
专家们热烈讨论
本期沙龙得到业内专家学者的热烈响应与大力支持，来自中国科学院物理研究所、清华大学、西安交通大学、北京理工大学、华中科技大学、山东大学、大连理工大学、大连海事大学、华南理工大学、国防科技大学、空军工程大学、装备指挥学院、南京工业大学等十几所高等院校、科研院所及企业的50余位专家参加了学术沙龙。专家们围绕大气压放电等离子体产生、控制技术及应用方面的问题，充分交流各自的科研成果，并就当前该领域的一些热点问题，包括等离子体流动控制技术、等离子体推进技术、等离子体射流研究、均匀介质阻挡放电研究、气体放电数值模拟、射频放电等离子体以及低温等离子体技术在工业领域的应用等方面展开了热烈讨论。会议结束时，大家一致认为，本次学术交流非常成功，对于推动解决大气压气体放电等离子体研究和应用中的关键技术具有重大意义，以后要继续加强合作交流。
【关键词】电气；低压线路；火灾
引言：在我国，按起火原因分类，电气火灾一般指由电气线路、用电设备、器具以及供配电设备出现故障性释放热能。我国将雷电和静电引起的火灾也列入电气火灾范围。近年来，我国电气火灾持续多发.电气火灾发生率及所造成的财产损失均位居各类火灾原因之首。因此，研究分析电气火灾原因，建立必要的法规制度，制定防治策略，对于预防和减少火灾事故，保障社会消防安全和人民生命财产安全具有重要的意义。目前我国电气火灾危害非常严重，特别是以低压线路电气火灾最为突出，低压线路电气火灾，专指工频 50 Hz，电压380 V /220 V 交流线路所发生的电气火灾。
1 电气火灾研究存在的问题
（1）电气火灾的研究还未受到社会各有关方面的足够重视，人们对电气火灾形成的基础理论研究不深入，对电气故障火灾模式以及故障和火灾危险性的关系研究不足；
（2）有关电气防火的技术规定零散、不完善，可操作性差；
（3）电气设计、安装、维护人员对电气防火的技术了解掌握不够，实际中应用差；
（4）对综合防治以低压线路为主的电气火灾缺乏研究。
2 低压线路电气火灾原因分析
2.1 短路
短路是指电力网中不同电位的导电部分直接金属性连接或经过小阻抗连接在一起。短路是引起电力系统严重故障和电气火灾的重要原因之一，低压线路、电气设备常因短路而造成电气火灾。大多数电气线路、用电设备发生短路故障，造成短路回路电流突然剧增，产生高温或电弧，引燃线路绝缘层或短路故障处可燃物所造成的火灾称之为短路火灾。短路火灾是目前造成线路电气火灾最为严重的火灾事故。短路产生的主要原因： 绝缘线路长时间受外部高温、潮湿或腐蚀等作用的影响而失去绝缘能力； 绝缘线路使用时间过长，绝缘陈旧老化或受损，使线芯； 绝缘线路敷设过低，受碰撞、挤压致使绝缘损坏； 绝缘线路穿墙过洞或穿越楼板未穿管保护，遭磨擦损伤绝缘； 裸电线安装太低，搬运金属物件时不慎碰在电线上，线路上有金属物件或小动物跌落，发生电线之间的跨接； 架空线路电线间距太小，档距过大，电线松驰，架空线与建筑物、树木距离太近，造成电线与建筑物或树木接触； 电线机械强度不够，使电线断落接触大地，或断落在另一根电线上； 雷击或供电电源过电压，使导线绝缘薄弱处或正常绝缘被击穿； 线路过载或连接处接触不良造成线路过热导致绝缘损坏。
2.2 接触不良
导线与导线，导线与配电、用电设备之间连接时，因接触不良，在通电回路电流作用下，致使接触处局部产生高温、电弧，引起电气线路的绝缘层、附近的可燃物质及积落的可燃粉尘着火造成的火灾称为接触不良火灾。它是线路火灾容易忽略并难以防止的一种。接触不良产生的主要原因： 线路安装质量差，造成导线与导线，导线与电气设备的连接点不牢； 接点由于热作用或长期振动，使接头松动； 线路连接处有杂质，如氧化层、泥土等； 铜铝接头的接触点处理不当。由于铜、铝膨胀系数不同，热胀冷缩产生空隙；以及电解腐蚀作用造成接触电阻过大。
2.3 漏电
低压供电线路绝缘材料受外力作用和环境影响以及自然老化，失去绝缘性能，电流从线路内向外泄漏，流到建筑物、建筑物附属设施或工作物等接地物体上，在漏电路径中产生高温、电弧、电火花引起周围可燃物燃烧造成的火灾，称之为漏电火灾。低压线路漏电引起的火灾是线路电气火灾较为特殊的和难以防止的一种，它往往又是造成线路短路、过载火灾的隐患。线路漏电引起火灾，可发生在相线、相线与中性线、相线与大地之间，但最为常见的还是线路对地漏电造成火灾。
漏电产生的主要原因： 线路使用时间过长，绝缘老化失效； 线路受潮湿、高温、多尘、腐蚀性等恶劣环境影响绝缘降低； 线路经常过电流运行，绝缘受热作用损坏； 接头绝缘恢复处理不当，绝缘失效； 线路绝缘受机械性损伤，如磨擦、划伤、动物啃咬等。
3 减少低压电器火灾的措施建议
3.1 完善电气防火法规体系
抓住当前《消防法》、《电力法》、《建筑法》和《电力供应与使用条例》等法律法规正在修订的机遇，提请国务院和全国人大在相关法律中增加有关电气防火安全的条款，明确电气防火监督管理职责，以国务院规章形式，尽快制定国家电气安全管理行政规章； 公安部可研究制订电气防火安全管理规章，以加强电气防火设计、施工、维修和管理工作，明确电气防火的重点和基本要求，规定电气工程供电、设计、安装、维护、使用及相关产品生产、流通等部门、环节的职责，以及责任追究制度。在规章制定时，既要体现国家利益也要考虑企业等各方面的利益，需要国家各部门共同参与，协调组织，广泛吸收不同层次、各方面的专家共同参与制定。各地、各部门应根据国务院规章，结合实际，制定和完善适合本地、本部门的安全用电规章制度。制定电气防火专业规范，如电气线路防火设计规范、电气设备防火设计规范等。对电气防火作出统一、具体、规范的技术要求，作为设计、审核、验收、评价电气工程安全的准则。
3.2 加强监督指导，强化监管力度
确定以国家、省两级公安消防部门为主，有关部门共同参与的安全用电综合管理部门； 对电气工程设计、安装、检查验收部门、产品生产和流通部门开展资质审核认证，对因工程和产品质量造成重特大火灾的严格追究其法律责任； 对使用单位的电气负责人资格进行考核和评价，提高电气故障预知能力，改善检测手段，将电气安全检查落到实处； 建立新建、改造电气工程安全检查、验收制度，将电气火灾隐患消除在初始阶段； 建立在用电气工程安全定期检测制度，及时消除电气火灾隐患。
3.3 推广应用先进技术
在公众聚集、易燃易爆、物资仓库等重要场所，推广阻燃、耐火电线电缆，提高电线电缆的耐燃性，防止火灾发生及蔓延； 根据建筑使用性质及规模，推广剩余电流动作保护器对低压线路的全面监控； 制定建筑电气系统火灾隐患检测和危险性评估方法，提高电气火灾危险性评估的可靠性和可信性； 开发研制电弧故障断路器，降低电弧性短路起火的危险；开展电气线路故障特性试验技术、电气绝缘寿命现场检测技术研究； 研究短路快速分断方法和技术，尽早地设计和开发民用建筑或一般工业建筑早期短路分断电器，以降低故障发热能量； 研究电气配电装置接点过热探测和报警设备，降低接点接触不良或小规模过流引起接点发热的可能性。
【Abstract】With the rapid development of the coking industry， the demand of coke is increasing in China， the coke oven gas chemical industry as a secondary use of energy， has a profound impact on the development of today's society. With the development of advanced science and technology， the technology of coke oven gas is becoming more and more mature. Under the EPC mode， the operation process is effectively controlled， the coke oven gas turbine cogeneration project can be successfully completed. This paper discusses on this， hope that the content and results of this study can be used to improve our energy efficiency.
【关键词】焦炉煤气；燃气轮机；热电联产；EPC项目管理
【Keywords】 coke oven gas； gas turbine； combined heat and power； EPC project management
【中图分类号】F426.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0082-02
1 引言
随着社会节约资源和保护环境意识的提高，焦炉煤炭的应用越来越广泛。其中，焦炉煤气燃气轮机的发电功能被各大钢铁企业的热电联产中视为清洁能源，不仅可以加大发电效率，还解决了原料来源不同等问题。另外，在施工方面，EPC项目管理，可以有效控制工厂的加工时间与运行成本。论文将针对焦炉煤气的燃气轮机进行热电联产方面的项目研究，从EPC项目管理模式特征入手，结合焦炉煤气燃气利用途径，对煤气燃气轮机热电联产的相关概念及项目特点进行分析，提出焦炉煤气燃气轮机热电联产EPC项目实施建议，为我国的焦化工程发展提供参考。
2 EPC项目管理模式特征
EPC项目模式最早是被西方工程广泛应用，被称为建筑工程管理模式和设计的完美结合，具有缩短工期，降低投资成本的优势。另外，EPC的独特之处在于依靠高专业分包商使其程序得到规范性控制，为下一步的施工奠定良好基础。除此之外，EPC模式还具有系统性和有效性，依靠广泛的通用技术。EPC模式具有协调性，未预料到的问题由分包商逐步解决，双重协调反馈，保证工程设计和管理上的有效衔接，确认各个部门的流程规范与技术标准。根据合同内容抽调工作人员组成管理组，对整体施工实现领导、指导、监督、控制作用。
3 焦炉煤气利用途径
焦炉煤气是几种烟煤配置而成的，在炼焦炉中经过高温干馏后产出的可燃性气体，这种气体成分主要包含氢气和甲烷。该气体具有杂质少，毒性小的特点。对焦炉煤气的利用主要是对物理热和化学热的利用。另外，焦炉煤炭燃烧释放的可燃性气体也可用作燃料，产物乙醇还可以用作化工产品的原料，生产铁还原剂，制作高纯度氢气等。焦炉煤气的利用途径有很多，结合自身优势，以标准的流程和科学施工管理，面对有限的资源不仅要具有节约意识，从而研究出更多不同的利用途径。例如，焦炉煤炭用于化学上的合成甲醇、生产化肥等，在物理方面，焦炉煤气利用燃气轮机发电等，具有较高的经济性。
4 煤气燃气轮机热电联产概述
4.1燃气轮机热电联产基本概念
燃气轮机是靠不断的燃烧材料产生热能，利用热能进行旋转做功的热气发电机，其燃烧材料以可燃性气体为主，焦炉煤气燃烧可产生可燃气体，作为燃气轮机热电联产的发生条件[1]。其工作流程是压气机做轴流运动，增大表面压强，从外部吸收可燃气体，进行压缩处理后压去燃烧空间。与此同时，可燃物被喷出燃烧空间外与高温环境气体结合，受控方式下继续燃烧。生成烟雾颗粒进入动力涡轮内做功，产生动能推动叶片高速运转，接着部分能量驱动空气压缩机，另外一部分能量用来驱动机械设备，烟雾颗粒被排入大气通常被二次利用，如此循环工作。这同样是燃气轮机热电联产的工作原理。
4.2 焦炉煤气燃气轮机热电联产项目特点
就我国的可利用资源及潜在可利用资源在不断减少的形势而言，焦炉煤炭在能源开发的研究中，具有非常大的利用价值。目前，煤炭作为不可再生资源，在焦化煤气中的非燃料利用率是最大的，焦化多用于我国煤炭化工转化工程。工作原理上分析，燃气轮机是以持续旋转的方式做功产生动能和热能，热值较低的燃气也可利用，燃气轮机产生的余温温度较高，可加以利用再次回收，热能换成蒸汽，驱动继续发电，发电效率可达到50%[2]。采用燃气轮机的热电联合供应，机组效率会增大到75%，因此，利用燃气轮机较为合适。
5 焦炉煤气燃气轮机热电联产EPC项目实施
5.1 实施特点
焦t煤气燃气轮机热电联产EPC项目实施特点需要从两个角度分析。第一，站在业主的角度，即使是焦化企业，对燃气轮机热电联产项目的概念也并非有全面的了解，工程的具体实施与执行具有行业和专业技能的限制，对业主而言工程施工具有复杂性，且缺乏详尽的了解。第二，站在从业者的角度上分析，焦炉煤气燃气轮机热电联产EPC项目是业主实现节约资源成本的主要途径，弥补了专业性不强及经验不足的缺陷。需要注意的是，由于EPC项目主要用于成套设备为主的项目，EPC项目实施的合同中，需要明确好施工设备与其他设备的安全可靠性。招标EPC项通常注重两点，一点是技术性，另外一点是价格。
5.2 项目案例
A公司是煤炭深加工的新型化工企业，总投资达到亿元。主要产品中包括焦炉煤炭，采用的是现今的物理炼焦工艺及设备。随着资源综合利用的倡导宣传深入企业，A公司选用了高强度燃气轮机组。但是面临的问题是，业主无相应的燃气轮机发电项目的实施经验。为了保证项目按期顺利完成，管理者采用焦炉煤气燃气轮机热电联产EPC方式进行实施。承包商以上级企业为主导，采用矩阵式结构。按照EPC项目合同的有关条例，从公司抽调相关人员形成管理小组，以工作组为单位进行施工，项目经理对施工活动全面负责，克服了项目经验不足的缺陷。
5.3 管理建议
作为焦炉煤气燃气轮机热电联产EPC项目实施的管理者，首先要明确各个阶段的工程量，根据不同工程设计做好专业与行业的分工，实现标准工程概预算及工程进程的控制与管理。将设计风险、技艺风险、设备材料供货风险、施工调试风险等考虑在内，加强施工设计、采购、施工、实验与验收过程中的监督。做到技术工艺上精良，工程造价经济。使各个部门明确统一施工目标，互相协助，从业主的利益出发，保证工程质量的前提下加快工程进度。
6 结论
焦炉煤气燃气轮机热电联产采用EPC模式，既可以实现资源的综合利用，又能保证工程的质量与工期，降低工程造价。燃气轮机热电联产EPC项目的顺利实施，不仅需要业主各方面的配合，更需要管理者专业的管理能力。本文分析了焦炉煤炭在燃气轮机热电联产中的有效应用，从从业者和受业者双方的视角挖掘需求，结合其项目特点，介绍了EPC模式下的施工优势。希望本次研究对我国的焦炉煤炭热电联产项目的成功实施提供借鉴。
【参考文献】
Abstract： Solid oxide fuel cell is a new energy system， whichneeds further research on the work mechanism of the battery and some otheraspects. In order to make fuel cells really become clean and efficient energysystem， we must master the battery characteristics. Solid oxide fuel cell（SOFC） works at the high temperature of 600～800℃. Hydrocarbons （suchas natural gas， etc.） can be used as fuel， which is cheaper. Compared with thetraditional way of generating electricity， this cell has a great competitiveadvantage in low-cost， efficient generation of electricity. In addition， thefuel cell has the characteristics of low noise and less pollution， which makesit can be applied in a wider area.
关键词： 能源；燃料电池；电池的特点
Key words： energy；fuel cell；characteristics of the cell
中图分类号：TM911.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）34-0133-02
0 引言
按照中温固体氧化物燃料电池工作的原理，本文建立了关于固体氧化物燃料电池的模型，该模型是一个三维的数学模型，它同时考虑了电池的动量和热量传递、多组分传递以及电化学动力现象等等，利用模型对电池工作过程进行数值模拟，研究电池的活化过电势等分布。建立了三维数学模型后，用其进行固体氧化物燃料电池操作温度为923K、1123K时的温度分布数值模拟。结果分析表明，电化学反应进行过程中，电池的中后部是最高温度区，这个结果与实际工作过程的固体氧化物燃料电池吻合。随着固体氧化物燃料电池操作温度的降低，电极和电解质之间的最大温差也会随之降低，这就可以延长电池的使用寿命。固体氧化物燃料电池的工作性能受很多因素的影响，如温度分布、活化过电势及电池的电流密度等。本文主要研究了活化过电势的分布。研究表明，随着操作温度的降低，活化过电势会随之减小，这样电池的性能就可以得到改善。本论文对固体氧化物燃料电池进行工作过程的基础研究，能够起到对电池工作过程的实验研究和生产实践指导作用。
1 燃料电池数值模拟研究概况
管式是固体氧化物燃料电池最先开始研究的模型，Wepfer和Dunbar等建立的模型是在管式固体氧化物燃料电池早期研究中最具有代表性的。对板状的固体氧化物燃料电池第一个进行模拟是Debendecti和Vayenas，他们研究的虽然是二维模型进行模拟，但是一直被沿用到现在，这个二维的模型假设，单电池运行是连续的搅动罐反应器（CSTRs），气相和固相在单电池中具有相同的温度，这样就可以用三个点（燃料、空气、固相）表示整个单电池。但它也存在不足，它不考虑材料的热导情况，整个单电池被假设为是绝热的。
接下来，Hartvigsen等人建立了板状固体氧化物燃料电池的三维模型，利用的是有限元的方法，三种传输方式（热传导、对流和辐射）都在数学模型中得以考虑，对电池极化进行了精细的计算。Karoliussen在前人研究的基础上，建立了一个稳态的平板固体氧化物燃料电池的三维数学模型。模型按照特定阳极材料实验的数据给出了甲烷重整效果，只有特定的阳极材料才适用这种内部重整的动力学特性，还有，电池的浓差极化没有在该模型中考虑。后来，对平板固体氧化物燃料电池，许多学者专家从多个角度都进行了模拟。如阳极气体再循环和时间变量是Achenbach引入的概念，这是在Karoliussen所研究模型的基础上提出的。林子敬等人也对燃料电池进行了研究，建立了热耦合与电化学的二维数学模型，并且，对平板固体氧化物燃料电池是利用设计软件进行数值模拟。
上面研究的多数都是用Fortran代码编写的模型，就固体氧化物燃料电池的发展来说，虽然前人研究的模型己经考虑的较为全面了，但模型中，内部详细参数没有完整给出，而且模型可靠性还需要进行研究确定。
以氢气为燃料的固体氧化物燃料电池，李彦等人通过建立数学模型对其进行了数值模拟，模型是非等温的、多组分的三维数学模型。模型中应用了动量方程和质量方程，还有电荷守恒方程和能量方程，应用以上方程建立了数学模型，利用该模型描述电池内的传质和传热过程以及化学组分传递过程和电荷传递过程。研究了阳极和阴极的气体扩散层，并且研究了电解质层，还有阳极和阴极的催化层及电池的流道等。数值模拟是利用程序进行研究的，主要研究电池内的流动特性、电流密度分布、组分浓度分布和温度分布。为了给电池性能的优化提供合理的、充分的理论依据，本文分析了电池性能的变化，电池没有使用传统电极材料，而是用制备的电极材料代替，并进行了气体入口的流速和组分浓度等对电池性能影响的分析。
按照固体氧化物燃料电池的工作原理，对电池的工作系统传热、电化学反应和传质，王桂兰等人建立了热流和电化学的三维数学模型。将源项引入控制方程，系统内的欧姆热和化学反应热为能量源项，产物和反应物的质量变化表征的是质量源项，而多孔电极内气体的动量源项可以用Dracy模型描述。以交换电流密度连接电池的电化学和热流模型的耦合分析，热流模型利用CFD软件（ANSYS―CFX）求解，电化学反应用子程序计算。改变燃料气组分还有气体流动方向和燃料气流动速度等工作参数，分析这些参数对电流密度分布和电池温度场的影响。分析表明：同向进气与反向进气相比，氧化气和燃料气的电流密度和温度场分布更加均匀；提高氢气在燃料气中的质量分数（或将燃料气进口速度加快），虽然平均电流密度可以得到提高，但是温度梯度也随着变化更加明显（即最高温度、最低温度差增加），这样系统热应力就会增加。
利用电势场、速度场、耦合温度场和组分浓度场，对管式固体氧化物燃料电池，李晨等人建立了数学模型，该电池是以纯氢气为燃料，他们对阴极支撑型的管式固体氧化物燃料电池（西门子-西屋公司研制）进行了轴向二维数值模拟。数值模拟结果说明：电池的工况与电流密度的分布和组分浓度密切相关。欧姆极化会在一定的电压范围内起主要作用，要改善电池性能，可以通过改善电池的多孔电极微观结构和升高电池平均工作温度以及氧化剂以纯氧代替空气的方法实现。
2 研究内容
对固体氧化物燃料电池，虽然前人建立了数学模型，但前人没有细致和深入的对固体氧化物燃料电池的温度场分布进行研究，也很少的研究直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池，本文在前人基础上进一步研究直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池。研究的主要内容是：①查阅固体氧化物燃料电池的相关资料，掌握电池的基本知识，了解其工作过程和工作原理，并建立合理的数学模型；②在923K和1123K两个操作温度下，对固体氧化燃料电池的活化过电势分布进行三维数值模拟；③本论文分析了燃料电池在两种操作温度下的性能。
3 研究结果与分析
对固体氧化物燃料电池的电解质层分别在923K和1123K操作温度恒定的情况下，对电池进行数值模拟。得到活化过电势在以上两种操作温度下的分布情况。
图1、图2分别是923K和1123K的操作温度下，燃料电池电解质层的活化过电势沿着流道方向的分布。由图可知，电化学反应的进行过程中，沿着电池流道方向，反应物浓度会逐渐降低，离子与电子的转化电流也随之减少，活化过电势也随之逐渐降低。
图3、图4是反映活化过电势受电流密度和温度影响情况的示意图，温度/电流密度-活化过电势曲线图。
由图可知，电流密度与温度相比，活化过电势受电流密度的影响要更大。由前面进行的具体分析可知，当电池所处条件相同时，电流密度随着操作温度越低而越小，活化过电势也会随之越小。这就说明，想要优化电池性能，可以用操作温度降低的方法减小活化过电势。
4 结论
综上所述，固体氧化物燃料电池操作温度降低，可以使其的热膨胀差异和电流密度以及活化过电势均减小，电池的这些特性减小，可以使电池的性能得到优化。但电池操作温度降低，会导致电池电压减小，这样会影响电池性能。因此，要优化电池性能，应该从不同角度综合考虑影响电池的多种因素。
参考文献：
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