动力工程学报

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    基础研究
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    适应SCO2物性变化特性的印刷电路板换热器性能研究
    赵全斌, 侯敏, 孙剑锋, 张大林, 齐少璞, 种道彤
    2023, 43(12): 1531-1538. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.001
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    针对二氧化碳工质在超临界二氧化碳（SCO2）布雷顿循环冷端处于近临界状态，物性随温度变化剧烈，冷端换热器的设计和运行控制难度大等问题，基于换热器分段设计的方法，设计了应用于超临界二氧化碳动力循环冷端换热的直通道印刷电路板换热器（PCHE）和变截面通道PCHE，分析了SCO2在不同流道形式的PCHE中的流动和换热特性。利用SIMULINK建立换热器的仿真模型，研究入口参数偏离设计工况时对不同流道形式换热器的SCO2出口参数的影响。结果表明：SCO2侧流道截面渐扩的设计能增强PCHE的换热性能，但同时会增大SCO2侧的压损；流道截面渐扩的PCHE在冷侧和热侧入口参数偏离设计工况时，能更好地稳定SCO2的出口温度，拓宽了冷端参数的运行范围。
  • 基础研究
    湍流普朗特数模型对水平圆管内sCO2传热预测的影响
    谢雄州, 叶道铭, 黄俊辉, 王建勇
    2023, 43(12): 1539-1548. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.002
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    基于SST k-ω湍流模型系统探究了典型湍流普朗特数模型对水平圆管内超临界二氧化碳传热数值模拟的影响，并通过与实验数据的对比，分析不同湍流普朗特数模型的预测能力。结果表明：在弱浮升力效应下，定常湍流普朗特数（Prt=0.85）模型具有较可靠的预测能力，预测的壁温最大偏差小于5 K；但在强浮升力效应下，Prt=0.85时计算出现较大偏差，而引入的现有典型变湍流普朗特数修正模型改善效果不佳。经深层次分析发现，湍流普朗特数模型对超临界二氧化碳流动传热边界层的影响显著，从而决定湍流传热性能。
  • 基础研究
    汽轮机末级叶片用SP-700钛合金AlCrN涂层结构与性能研究
    李聪, 聂冰悦, 任延杰, 李微, 陈维, 周立波, 陈荐
    2023, 43(12): 1549-1556. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.003
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    为了探究基体负偏压对离子镀涂层结构与性能的影响，采用3种不同工艺在SP-700钛合金表面沉积了AlCrN薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜、X射线衍射仪（XRD）、维氏显微硬度计、往复摩擦磨损实验仪、白光干涉三维表面轮廓仪和电化学工作站测试了涂层的形貌、物相组成、显微硬度、耐磨性能及电化学腐蚀性能；通过浸泡腐蚀方法测定了涂层在质量分数为5%的HF溶液中的腐蚀行为。结果表明：离子镀涂层表面致密，主要由立方（Cr，Al） N相和立方Al相组成，显微硬度较高；摩擦磨损过程中，涂层摩擦因数低，工艺2样品的磨损量最小，相对耐磨性可达902.26；AlCrN涂层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的电化学腐蚀性能与钛合金基体相近；AlCrN涂层在HF溶液中具有更好的耐腐蚀性能。
    • 动力设备与系统
  • 动力设备与系统
    基于频域法的超超临界锅炉水冷壁动态特性模型验证及计算分析
    毕凌峰, 杜晓成, 张西容, 李维腾, 陈经荣, 陈婷钰, 杨冬
    2023, 43(12): 1557-1566. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.004
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    为了研究超超临界锅炉水冷壁出口参数的动态特性，采用频域法建立了超临界压力下的水冷壁系统动态特性计算模型。通过试验验证，计算值与试验测量数据符合较好。对某电厂超超临界锅炉下炉膛水冷壁进行了计算，得到75%热耗率验收工况（THA）负荷下的动态响应特性，研究了热负荷、入口焓、入口质量流量、出口压力阶跃时的动态特性，同时分析了不同压力、入口焓、入口质量流量、热负荷和管段长度对各参数阶跃时出口工质参数动态响应的影响。结果表明：入口焓、入口质量流量和热负荷增大时，扰动造成的响应时间减小，入口压力、管段长度增大时，扰动造成的响应时间增加。
  • 动力设备与系统
    炉膛内空气射流初值依赖性及非线性分析
    凌亮, 赵敬帅, 刘文华, 赵晏锋, 王文帅, 杨茉
    2023, 43(12): 1567-1576. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.005
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    为研究炉膛内空气射流的初值依赖性及其非线性，以某塔式燃煤锅炉为研究对象，分别建立了简化的二维CFD数值模型和三维冷态切圆射流实验模型，运用数值模拟与实验相结合的方法探讨了炉膛内流动的非线性特性，并提出了新的喷嘴启动方式——顺序启动。结果表明：即使几何结构和边界条件完全对称，其流场也有可能是非对称的，随着雷诺数的增大，内部流动依次经历稳定定态解、周期振荡解和混沌解；当布置1对喷嘴时，流动表现出明显的多解特性，在一定雷诺数范围内，采用顺序启动方式可以控制唯一结果，实现流动的精准控制；只有当监测点的速度相轨迹图为定常吸引子或极限环吸引子时，流动才会表现出对喷嘴开启顺序的初值依赖性；经过实验验证，按一定顺序启动4个角的喷嘴，可以控制流场的唯一结果，即实现了精准控制。
  • 动力设备与系统
    跨音速槽道流中绝热气膜冷却效率的求解方法
    刘一粟, 曾伟, 戴思明, 李家宁, 马海腾
    2023, 43(12): 1577-1584. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.006
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    跨音速流中绝热气膜冷却效率定义式中恢复温度的2种求解方法存在争议：物理法认为恢复温度为无冷实验的绝热壁温，而统计法则认为恢复温度应由2组仅冷气温度不同的实验共同确定。为研究2种方法的区别，搭建了跨音速槽道流实验台。在主流马赫数为0.85的条件下，开展了无冷和有冷的瞬态红外传热实验，其中主流总温为330 K和345 K，有冷实验中冷气温度为282 K、287 K和291 K，吹风比为1.0。结果表明：物理法与统计法所得对流传热系数基本相同；然而2种方法得到的恢复温度存在差异，使得绝热气膜冷却效率存在定性不同。
  • 动力设备与系统
    射流喷嘴角度和当量比对轴向分级燃烧室中预混反应射流的影响
    张亮, 靳朝阳, 姚飞, 葛冰
    2023, 43(12): 1585-1591. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.007
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    针对燃料轴向分级模型燃烧室进行了热态数值模拟，分析了射流喷嘴角度和当量比对模型燃烧室的速度场、温度场、停留时间、湍动能分布以及污染物排放量的影响。结果表明：随着射流当量比的增加，除45°外，射流喷嘴角度为90°和135°时射流喷嘴下游均有明显的回流产生，烟气在燃烧室中的停留时间增加；随着射流喷嘴角度的减小，一级燃烧区停留时间增加，二级燃烧区停留时间减少，但总停留时间增加；随着射流喷嘴角度和射流当量比的增大，燃烧室中高湍动能区域扩大；与90°和135°相比，在45°射流角度下，射流当量比较低时NOx质量分数较高，说明在一定的工况下射流角度为45°时NOx排放特性更低。
  • 动力设备与系统
    二次侧非能动余热排出系统启动特性研究
    孙奥, 程杰, 朱东保, 田春平, 王建军, 阎昌琪
    2023, 43(12): 1592-1598. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.008
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    以海洋核动力平台为应用背景，针对其二次侧非能动余热排出系统设计方案，设计搭建了模拟实验装置，研究了系统的启动特性，分析了系统在启动过程中重要参数的变化规律。结果表明：在所研究的工况范围内，二次侧余热排出系统均能够建立稳定的自然循环，有效导出蒸汽发生器中U型管输入的热量；在二次侧非能动余热排出系统启动过程中，初始投运压力只会影响系统达到渐进稳态的过程，而不会对系统的最终稳定状态产生影响；冷却水箱中的热分层是影响余热排出换热器出口温度演变特性的重要因素。
    • 新能源与储能
  • 新能源与储能
    基于燃机余热和LNG冷能的sCO2朗肯循环系统构建
    牟文彪, 王征, 傅洪军, 王瑾, 肖刚
    2023, 43(12): 1599-1606. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.009
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    构建了以燃气轮机烟气为热源、LNG气化热为冷源的超临界二氧化碳（sCO2）朗肯循环与天然气直接膨胀耦合的余热发电系统。针对300万t/a LNG气化站，开展了循环参数对热力学性能的敏感性分析以及优化计算。结果表明：该系统的总出力可达528.57 MW，可匹配约342 MW等级燃机，LNG贡献电能为0.095 7 MJ/kg，联合系统燃料热效率达到63.54%；相比传统的燃气蒸汽联合循环，系统净功提高3.5%，燃料热效率提升2.15个百分点。
  • 新能源与储能
    直膨式太阳能PVT热泵热水系统在不同城市运行性能仿真与分析
    陆王琳, 施雨, 鲍佳麒, 刘文杰, 代彦军
    2023, 43(12): 1607-1614. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.010
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    基于直膨式太阳能光伏光热（PVT）热泵热水系统的工作原理，根据迭代算法建立了系统的仿真模型，以探究系统在不同环境条件下的运行性能。结果表明：在上海、北京、拉萨、兰州、昆明和广州，直膨式PVT热泵热水系统在夏季典型工作日的平均COP分别为7.34、7.30、6.98、8.18、6.24和6.79，加热定量热水所需时间分别为275 min、273 min、279 min、243 min、314 min和295 min，冬季典型工作日的平均COP分别为5.59、5.21、6.05、5.03、6.48和5.43，加热定量热水所需时间分别为344 min、364 min、316 min、376 min、298 min和359 min；在上海、北京、拉萨、兰州、昆明和广州，相对于纯光伏组件，PVT组件的全年平均发电增益分别为9.28%、8.56%、10.42%、10.01%、7.70%和7.64%。
  • 新能源与储能
    集成碳捕集及太阳能系统的燃煤发电机组的㶲环境评估
    宋睿哲, 孔梦迪, 叶学民, 李春曦
    2023, 43(12): 1615-1625. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.011
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    采用Eco-Indicator 99方法作为环境指标评价方法，对传统燃煤机组（方案一）、燃煤碳捕集发电系统（方案二）及太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统（方案三）进行了㶲环境分析及全生命周期评估，并对比了3种方案的㶲环境指标。结果表明：3种方案中系统㶲效率大小为方案三>方案一>方案二；因碳捕集与封存（CCS）系统对功率产生了惩罚，而太阳能对机组功率有所补偿，使得电力比环境影响排序为方案二>方案一>方案三；CCS系统的电耗导致系统净功率有所下降，因此3种方案生产1 kW·h电力产生的环境影响为方案二>方案三>方案一；㶲环境指标分析中，只有锅炉产生污染物且在环境影响中占主导地位，可通过降低污染物产生来减少环境影响，而对于锅炉、小汽轮机等设备，还可通过提高㶲效率来降低环境影响。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    用于风功率平抑的SOEC系统功率控制策略
    武鑫, 冯歌, 熊星宇
    2023, 43(12): 1626-1633. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.012
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    为了平抑风电场输出功率波动，考虑到固体氧化物电解池（SOEC）电解水制氢的高效率特性，基于实际数据构建千瓦级SOEC电堆模型并验证了模型精度。针对SOEC系统的非线性和时滞特性，提出一种基于模型预测的功率控制策略，用于平抑风电场输出功率波动。根据某15 MW风电场运行数据，采用集合经验模态分解方法，提出一种风电场输出功率分解方法，获得SOEC系统的充电功率指令并进行仿真验证。结果表明：基于模型预测的SOEC系统功率控制效果很好，可以实现充电功率指令的跟随变化，且平均绝对百分比误差为1.674%，平抑风功率波动效果的准确性较高。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    不同烟气及酸化条件对活性焦脱硝性能的影响
    程伟良, 邢旺达
    2023, 43(12): 1634-1640. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.013
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    基于单一变量控制方法，研究活性焦脱硝效果与反应温度、氨氮比和氧含量等参数之间的变化规律。分别采用硫酸、盐酸和硝酸对活性焦进行酸化处理，分析酸化活性焦对脱硝效率的影响。并在此基础上，进行V2O5改性活性焦的不同酸处理实验，对比分析脱硝效率的变化。结果表明：脱硝效率随温度的升高而提高；氨氮比在1.0~1.1范围内脱硝效率较高；氧含量在10%时，活性焦脱硝效率达到峰值51.3%；在200℃时，3种酸化处理后活性焦的脱硝效率均有所提高；未酸化的V2O5改性活性焦脱硝效率提升30.7%，而V2O5改性活性焦在硝酸酸化后的脱硝效率提升15.8%，但硫酸和盐酸酸化后活性焦的脱硝效率提升不明显。
  • 绿色低碳
    基于综合性能评价的SCR静态混合器优化研究
    李兴磊, 卢志民, 李德波, 李博航, 郭松杰, 姚顺春
    2023, 43(12): 1641-1648. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.014
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    为综合考量选择性催化还原（SCR）系统静态混合器的混合效果和对系统造成的阻力损失，提出了一种结合流场均匀性和阻力特性的综合性能评价指标——无量纲混合效率η。结合现场需求，采用数值模拟方法，以圆形、花瓣形和SMV混合器为例对系统的综合性能进行评估。结果表明：圆形混合器、SMV混合器、花瓣形混合器的η分别为16.18%、22.50%和26.88%，其中花瓣形混合器综合性能最佳；在顺序排列、同向布局、覆盖率为37%的条件下，花瓣形混合器的综合性能达到最佳，其无量纲混合效率η为28.60%，较优化之前提高6.40%。
  • 绿色低碳
    基于ISSA-ELM的垃圾发电厂焚烧过程建模方法研究
    赵征, 王金, 周孜钰, 李倬舸, 魏强
    2023, 43(12): 1649-1656. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.015
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    为建立精确有效的垃圾发电厂焚烧过程多输入多输出模型，提出一种改进麻雀算法（ISSA）与极限学习机（ELM）相结合的垃圾发电厂焚烧过程建模方法。首先，选择变量，并基于滑动窗口筛选稳定数据；其次，采用ISSA对ELM的输入层权重和隐含层偏置进行优化，以消除输入层权重和隐藏层偏置随机选取对模型稳定性的影响；最后，将ISSA-ELM模型与传统反向传播（BP）神经网络、ELM模型、麻雀算法-极限学习机（SSA-ELM）模型进行比较。结果表明：基于ISSA-ELM的垃圾发电厂焚烧过程模型相比于BP神经网络、ELM模型、SSA-ELM模型更加精确有效，可为操作人员提供最佳操作变量以调整焚烧工况。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    蒸汽管网辅助热电联产机组调频蓄㶲等效转化特性研究
    唐海宇, 郑立军, 马国锋, 王朝阳, 刘明, 严俊杰
    2023, 43(12): 1657-1664. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.016
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    以供工业蒸汽热电联产机组为研究对象，建立了蒸汽管网动态模型，研究了蒸汽管网辅助热电联产机组调频的调频能力，进而分析了不同工况下蒸汽管网的蓄㶲等效转化率。结果表明：在抽汽阀门完全关闭30 s时，用户侧压力达到下限值，额外累计发电量达到307 kW·h；在阀门完全关闭后，机组负荷为700 MW、900 MW和1 000 MW时，蒸汽管网蓄㶲等效转化率分别为84.6%、82.8%和81.5%；抽汽阀门动作越快，机组输出功率上升越快，阀门在5 s关闭时机组输出功率爬升率最大值为9.77 MW/s；蒸汽管网辅助热电联产机组参与调频能有效提升机组的变负荷速率，增强机组的运行灵活性。
  • 综合能源系统
    计及“源荷”双侧多重不确定性的虚拟电厂运行优化研究
    包哲, 李薇, 张潇方, 许野, 于松源
    2023, 43(12): 1665-1674. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.12.017
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    为了有效规避"源荷"双侧不确定性造成的供需失衡风险，促进虚拟电厂的大规模发展，基于Copula函数和双重随机规划算法，在充分考虑热电解耦的基础上，提出了一种计及"源荷"双侧多重不确定性的虚拟电厂运行优化模型。结果表明：该模型不仅可以充分识别和处理"源荷"双侧存在的随机性，制定经济效益最优的运行策略，避免资源浪费，还可以有效表征系统运营成本与违约风险之间的关联性，为决策者在权衡供能违约风险和经济收益时提供理论依据。