动力工程学报

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    基础研究
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    针对CO2-H2O-CO-碳烟混合介质的全光谱相关k分布辐射模型在ANSYS-Fluent中的开发与验证
    王龙, 王良, 曾琦, 曹俊, 任涛
    2024, 44(12): 1819-1827. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230591
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    为解决ANSYS-Fluent软件无法兼具高精度和高效率的辐射光谱模型问题,将基于查值表法和机器学习法的全光谱相关k分布(FSCK)模型进行二次开发并嵌入Fluent中,将其与内置的辐射传输方程(RTE)求解器耦合,用于常见燃烧气体和碳黑混合物的辐射换热计算。通过对一维平板以及2组不同火焰的辐射换热进行计算,并以逐线(LBL)模型为基准,与Fluent中自带的灰体气体加权和(WSGG)模型结果进行比较。结果表明:无论是否含碳黑,FSCK模型的计算结果均比自带的WSGG模型更加准确。
  • 基础研究
    镍基高温合金Inconel 617时效过程中的相组成及γ'相演变规律研究
    陈震宇, 朱忠亮, 刘聚, 陈张扬, 李培函, 潘佩媛, 张乃强
    2024, 44(12): 1828-1834. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230673
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    研究了先进超超临界机组候选镍基高温合金Inconel 617的平衡相组成和时效过程中γ'相的演变规律,计算了不同温度下γ'相的平均直径、形状、数密度、形核速率和粒度分布。结果表明:Inconel 617的析出相包括γ相、γ'相、σ相、μ相及碳化物;γ'相的平衡析出量随着温度的降低而增大;随着时效时间的延长,γ'相的平均直径增大并发生立方化,形核速率减小,数密度先增大后减小;与时效时间相比,温度对γ'相粗化的影响更显著;γ'相粒度呈单峰分布,温度和时效时间对粒度分布的影响相似。
    • 动力设备与系统
  • 动力设备与系统
    新型光煤互补发电系统动态特性与调峰性能研究
    范高峰, 叶茂菁, 孙浩家, 徐杰, 王利民, 车得福
    2024, 44(12): 1835-1844. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230528
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    基于某660 MW燃煤发电机组提出了新型光煤互补发电系统,建立了关键设备模型及子系统模型并进行了验证,通过建模仿真的方法对系统动态特性及调峰性能进行了研究。结果表明:配置储热系统后,当太阳辐照强度突降时,系统能在10 min左右恢复平衡且主要参数变化较小;在配置储热时长为10 h的储热子系统后系统能够实现典型日的连续稳定运行;通过配置储热系统和抽汽储热过程,系统负荷范围由198.00~660.00 MW拓宽至187.62~723.13 MW,调峰性能显著提升。
  • 动力设备与系统
    基于数据驱动的燃气轮机性能监测方法
    李永华, 陈伟华, 谢英柏
    2024, 44(12): 1845-1853. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230707
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    为分析机组负荷指令和环境参数等对燃气轮机运行特性的影响,研究了基于某电厂历史运行数据的性能监测方法。采用多层感知机(MLP)神经网络、极致梯度提升(XGBoost)算法和分类梯度提升(CatBoost)算法构建压气机效率、燃烧效率和透平效率的预测模型。结果表明:机组负荷指令每增加1 MW,基准燃料质量流量增加0.03 kg/s,基准压比增加0.028 9,基准温比增加0.013;大气温度每增加1 K,基准压气机排气温度提升1.34 K;相比于MLP神经网络、CatBoost算法,XGBoost算法收敛速度更快,测试集的均方根误差分别降低0.019和0.001,平均绝对误差分别降低0.028与0.004,R2分别增加0.041和0.002。
  • 动力设备与系统
    倾斜转子-蜂窝密封系统动力学特性
    马心茹, 张万福, 顾乾磊, 李春
    2024, 44(12): 1854-1861. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230664
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    建立了蜂窝密封三维数值模型,采用计算流体力学方法分析了转子倾斜对蜂窝密封泄漏特性和动力稳定性的影响。结果表明:转子倾斜导致蜂窝密封泄漏量减少,倾斜角由0°增加到0.3°,泄漏量降低了1.9%~6.5%;转子倾斜角越大,密封直接刚度系数越大,直接阻尼系数越小;在高频(f>130 Hz)时转子倾斜会导致密封有效阻尼系数减小,易引发轴系稳定性恶化;当转子倾斜时,沿周向同一腔室(2号、7-8号、13号)内的压力均呈正弦规律变化,且随着倾斜角的增大,周向压力绝对幅值增大,同一轴向位置间隙处的压力差增大,密封越易失稳。
  • 动力设备与系统
    核电站事故环境对环氧涂层理化性能的影响
    袁冬英, 陈植强, 吴丹蕾, 陈功名
    2024, 44(12): 1862-1868. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240080
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    以双酚A型环氧树脂和聚酰胺固化剂为主原料制备了环氧涂层,分别研究了核电站设计基准事故(DBA)和严重事故环境对其理化性能的影响。利用红外光谱(FTIR)对试验后的样品结构进行了对比分析,样品在辐照试验后检测出了苯醌结构的特征吸收峰。采用热重分析仪(TGA)测定了样品试验后的热稳定性参数。通过涂层附着力测试,评价了各试验对碳钢板与环氧涂层黏结强度的影响。结果表明:辐照试验产生苯醌是导致涂层黄变的主要原因;辐照和高温高压处理过程会导致环氧涂层的网络结构重排和断裂,对不同热稳定性参数的影响方向并不完全一致;湿热试验和DBA试验对涂层黏结强度影响较小,而辐照试验和严重事故则会显著降低涂层附着力。
    • 新能源与储能
  • 新能源与储能
    考虑多对一时空特征的短期风功率组合预测模型
    魏乐, 戴泽, 陈远野, 房方, 胡阳
    2024, 44(12): 1869-1877. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230681
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    为研究单台风机数据进行风功率预测时未考虑空间特征造成预测精度不理想的问题,提出了一种考虑多对一时空特征的基于改进序列到序列(Seq2Seq)模型的短期风功率预测组合模型。首先,采用k近邻算法对风电场的风机实现空间区域的划分,获取k台近邻风机的数据,基于孤立森林算法对异常数据进行识别、筛选和填充。其次,应用双向门控循环单元和自注意力机制对Seq2Seq模型进行改进,利用具有空间特征的邻接矩阵对模型进行权重优化。最后,进行多对一短期风功率预测,输出目标风机风功率预测结果。采用美国风场实际运行数据,将所提出的组合模型与长短期记忆(LSTM)等5种模型进行对比,以验证模型的可靠性。结果表明:该组合模型在时空风功率预测中表现出令人满意的稳定性和鲁棒性,可有效提高风功率预测精度及效率。
  • 新能源与储能
    半潜式平台结构尺寸对海上风电机组稳定性的影响研究
    黄心伟, 柳亦兵, 刘剑韬, 滕伟, 周超
    2024, 44(12): 1878-1886. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230674
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    以IEA 15 MW漂浮式海上风电机组和UMaine VolturnUS-S半潜式平台为研究对象,提出一种风电机组浮式平台结构的尺寸设计流程,基于Ansys Aqwa水动力分析软件和OpenFAST仿真分析软件对浮式平台的各部件尺寸参数进行稳定性分析,研究了不同立柱间距、侧柱高度、侧柱直径、浮箱高度、浮箱宽度和垂荡板直径对风电机组整体动态响应和系泊缆张力的影响,探究了各尺寸变化对风电机组稳定性的影响规律。结果表明:增大立柱间距和侧柱直径可以显著提升漂浮式风电机组在工作运行时的整体稳定性,侧柱高度在水面线以上时进行尺寸变化对风电机组稳定性几乎无影响,浮箱宽度和浮箱高度主要影响垂荡方向的运动响应,增大垂荡板直径明显提升了浮式平台纵摇和垂荡方向的稳定性。
  • 新能源与储能
    基于深度强化学习的多攻角翼型流动控制研究
    尤孙钰, 靳智昊, 董祥瑞, 宋杨, 蔡小舒
    2024, 44(12): 1887-1897. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230720
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    针对弱湍流条件下大攻角翼型产生的流动分离现象,采用柔性演员评论家(Soft Actor-Critic,SAC)深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)算法训练神经网络,并对其进行闭环主动流动控制策略研究。在复杂环境下,通过增添零质量射流约束,采用三射流进行优化策略研究,获得不同攻角条件下的平均阻力系数。结果表明:使用DRL训练得到的策略控制射流速度,可以高效抑制翼型流动分离;在单射流控制、翼型攻角分别为10°、13°、15°时,平均阻力系数分别减少25%、15.3%、11.7%;在大攻角条件下,基于DRL的主动流动控制方法具有良好的效果,验证了该方法在抑制翼型流动分离中的高效性;合成射流的引入也可以使智能体寻找到更好的控制策略,使阻力系数进一步减小。
  • 新能源与储能
    10 MW级压缩空气储能地下人造硐室充放气过程数值仿真研究
    郝宁, 刘传亮, 张天博, 李振亚, 蒋俊
    2024, 44(12): 1898-1906. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240122
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    通过仿真软件建立了10 MW级压缩空气储能地下人造硐室热力学模型,按照国内某压缩空气储能项目给出了地下人造硐室压缩空气储能循环充放气物理过程的边界条件,开展了网格无关性和时间步长独立性检验,对系统单次充放电循环运行过程的地下人造硐室内气体热力性能进行了动态分析。结果表明:人造硐室在充气-静置-放气-静置的过程中,硐室内部的压力和温度随时间的变化规律均为升-降-降-升;硐室内部压力均匀分布,硐室内部温度呈稳定的阶梯状分布,上侧空间的气体温度高于下侧空间的气体温度;受到重力的影响,井筒入口处的压力低于井筒底部的压力;在放气的末尾阶段至放气结束后的第二次静置过程中,硐室空间均存在一定的负温空间,这不利于硐室稳定运行。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    灵活性驱动下的热电联产机组多目标协同控制策略
    王玮, 王子欣, 孔德安, 杨健, 韩宏志, 钱白云
    2024, 44(12): 1907-1915. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230603
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    灵活性提升会显著影响热电联产机组的热舒适性及运行经济性等性能,为实现机组大范围快速变负荷过程中的综合性能优化,提出了一种基于预测控制的机组多目标协同控制策略。首先,建立了一套考虑灵活性、热舒适性、经济性及平稳性的机组多目标评价指标体系,为实现多目标协同,设计了一种基于预测控制的机组电热协调控制策略,在滚动优化中引入煤耗指标实现经济优化,并给出了多目标控制律的求解方法;然后,以多目标评价指标作为粒子群优化的目标函数,基于仿真模型离线寻优,获得了控制策略中的最佳参数设定,实现了机组综合性能的优化;最后,以某300 MW机组为例进行了仿真测试。结果表明:该策略可提升热电联产机组的运行灵活性,并在较大程度上保证机组的热舒适性和运行经济性,为热电联产机组的多目标优化控制提供了依据。
  • 数字化与智能化
    基于强化学习的SCR脱硝系统优化控制
    王焕敏, 王沈振, 唐亮, 李钟钦
    2024, 44(12): 1916-1922. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230665
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    为了解决选择性催化还原(SCR)脱硝系统中NO<i>x排放控制遇到的时效滞后和负荷波动引发的响应问题,采用强化学习来调控比例积分微分(PID)参数,基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法,重新设计了Critic网络的损失函数,并引入了一个延迟队列来模拟系统的延迟性,并将所提控制策略应用到国内某660 MW超超临界火电机组中。结果表明:强化学习控制方法在调节时间、超调量、稳定性方面均优于传统的PID控制方法;所提控制策略克服了传统PID控制方法无法解决的时效滞后和负荷波动问题,具有重要的理论与实际应用价值。
  • 数字化与智能化
    基于注意力机制与残差胶囊网络的滚动轴承故障诊断
    张宇剑, 邓艾东, 汤清清, 孔云飞, 卞文彬, 王敏
    2024, 44(12): 1923-1934. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230580
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    针对传统深度神经网络在风电机组滚动轴承变工况运行条件下特征学习能力不足、诊断效果不佳的问题,提出了一种通道注意力机制(Channel Attention, CA)与残差胶囊网络(Capsule Residual Network, CPRN)组合的故障诊断模型CA-CRPN,以实现变工况下滚动轴承故障的高性能诊断。首先,对振动信号进行连续小波变换生成对应的时频图,经矩阵化重构后作为训练样本,经过通道注意力模块为不同特征分配权重,削弱冗余特征对识别结果的影响,然后输入由卷积层、残差块和胶囊层堆叠搭建的CPRN中,并采取权值共享的仿射变换矩阵替换全连接胶囊层以减少参数量、提高训练速度,最终输出诊断结果。分别用CWRU轴承数据集与实验台模拟数据进行实验。结果表明:CA-CPRN模型在变工况下的平均诊断准确率分别达到97.63%和98.23%,相比其他模型具有更好的泛化能力;在噪声情况下,2个数据集上的诊断准确率均优于其他模型,平均准确率分别达到99.09%和96.32%,证明了模型在抗噪方面的优越性。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    脱硫废水蒸发系统对燃煤电厂水平衡及 氯平衡的影响
    于航, 梁达扬, 余子炎, 陈恒, 林理量, 赵宁, 孙宗康, 杨林军
    2024, 44(12): 1935-1940. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230513
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    以某电厂脱硫废水旁路蒸发系统作为研究对象,全面分析了该系统对全厂水平衡及氯平衡的影响。结果表明:废水蒸发造成脱硫塔入口烟气温度降低2~5 K,且可在一定程度上降低工艺水的用量;旁路蒸发系统投运后,约有3%氯离子再释放为气态HCl,造成干燥塔出口氯质量浓度提升至75.6 mg/m3;剩余的氯引入飞灰中,造成主烟道飞灰中氯质量分数上升至1 mg/g;虽然飞灰中氯含量有所增加,但对电厂粉煤灰综合利用的影响十分有限。
  • 绿色低碳
    脱硫废水液滴蒸发过程中氯迁移转化特性
    倪声悦, 孙宗康, 叶华锋, 李威, 赵宁, 杨林军
    2024, 44(12): 1941-1947. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230336
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    为探究脱硫废水旁路热烟气蒸发技术中氯的释放特性,基于单液滴蒸发实验研究了温度、pH、金属阳离子对脱硫废水液滴蒸发过程中氯迁移转化特性的影响,对比不同废水之间氯释放特性的差异。结果表明:氯离子释放存在3个阶段,即自由水蒸发阶段、壳层不稳定阶段和氯盐热分解阶段,气态HCl的释放主要发生在壳层不稳定阶段;温度升高会促进氯的挥发,尤其是在壳层不稳定阶段,温度升高会导致显著的氯损失;当pH从3增加至9,氯从溶液中挥发进入气相的比例由42.50%降低至25.60%;金属阳离子对氯释放的促进作用大小为Mg2+>Ca2+>Na+,含氯结晶盐尤其是MgCl2·6H2O热分解产生的HCl是气相氯元素的重要来源。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    燃气轮机耦合聚光光伏光热冷热电联供系统性能评价与优化研究
    楚尚玲, 张衡, 陈海平, 高丹
    2024, 44(12): 1948-1959. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230736
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    基于天然气的稳定、连续、热值高、运输便捷和太阳能的清洁、环保、可再生的优势互补,提出了一种微型燃气轮机耦合低倍聚光光伏/光热(LCPV/T)的冷热电联供系统。建立了以一次能源节约率、二氧化碳减排率、年度总成本节约率和效率为目标的优化模型,并采用强度帕累托进化(SPEA-II)优化算法与优劣解距离法(TOPSIS)和权熵法结合的决策方法综合求解模型,获得Pareto最优解。结果表明:当LCPV/T面积为48.09 m3,LCPV/T体积流量为50 L/h,低温水源热泵容量为80.41 kW,高温水源热泵容量为250.03 kW,燃气锅炉容量为400.11 kW,余热回收锅炉换热效率为96.07%时,冷热电联产(CCHP)系统综合性能最好。优化后,系统全年平均一次能源节约率、二氧化碳减排率、年度总成本节约率和效率相较于优化前分别提升7.11%、6.46%、4.35%和5.64%。
  • 综合能源系统
    基于SOFC的近零碳排放联合循环动力系统热力性能研究
    王卓, 田松峰, 翟启超, 张倩, 杨智好
    2024, 44(12): 1960-1971. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230650
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    基于传统富氧燃烧碳捕集的固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统,提出一种改进的新型近零碳排放的SOFC-燃气轮机(GT)-有机朗肯循环(ORC)系统。利用Aspen Plus软件和内嵌FORTRAN语言对系统进行建模,分析了阳极再循环、后燃烧室废气再循环、电流密度、燃料利用率和蒸汽碳比对系统性能的影响。结果显示,改进后的系统可以有效避免传统空气分离器功耗大、氧气分离率低等问题。在设计工况下,考虑碳捕集的SOFC-GT-ORC系统净发电功率为1 304.09 kW,碳捕集摩尔流量为7.9 kmol/h,捕集纯度高达99.8%。净发电效率为75.68%,相比于传统系统提升了6.68%。采用阳极和后燃烧室废气再循环显著提升了SOFC电池堆发电效率,并且存在最佳循环比(Ran=0.15和Rcc=0.27),使得联合循环系统效率最高。系统发电效率随着燃料利用率的增大显著提升,电流密度和蒸汽碳比增加对系统发电性能不利。SOFC电池堆和换热器在系统中的损失较大,但换热器的优化潜力更大。
  • 综合能源系统
    大惯性城市热网参与火电机组调峰创新应用研究
    钱军, 王刚, 张明, 李萌, 宋守勉, 刘向民, 李思琦, 范诚豪
    2024, 44(12): 1972-1981. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240468
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    研究了城市热网储能特性对火电机组调峰能力的影响,利用电网峰谷特性,开展了被动性的热网储热和放热特性研究。结果表明:利用热网在用电高峰期储存热量,并在用电低谷期释放热量,可以减少对供热抽汽量的需求,从而降低机组的主汽质量流量,使电负荷降低,通过移峰填谷的方式进一步实现热电解耦;所提出的利用城市热网大惯性特点进行大规模储热,进而调节火电机组灵活性的方法在国内是创新性的应用实践,为热电联产机组热电解耦提供了新的思路。