动力工程学报

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专栏主编寄语

2024, 44(2): 0-0.

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生物质能源资源化高效利用专栏

生物质锅炉富氧燃烧技术研究进展

丁先, 李汪繁, 马达夫, 吴何来, 刘平元

2024, 44(2): 157-167. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230672

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生物质锅炉富氧燃烧作为一种新型的燃烧技术,可在有效改善生物质燃料清洁高效利用的同时,为碳捕集及利用提供高浓度CO₂的烟气,目前该技术在国内外尚处于研究示范阶段。通过系统梳理生物质燃料的基本特性,重点介绍了生物质富氧燃烧特性及相关工程研究现状,并分析了该技术发展趋势。结果表明:富氧燃烧可在一定程度上减少热量损失,提高燃烧稳定性和锅炉运行效率;通过烟气再循环动态调整再循环比例可有效控制炉内的温度水平,缓解污染物排放问题;由于在富氧系统、配风系统、受热面结渣和全炉膛密封等方面存在技术问题,合适的注氧和混氧方式、氧量和配风方式的动态调整、防结渣处理和密封改造是防范风险的主要措施;基于富氧燃烧的生物质能高效利用耦合碳捕集与封存技术有望成为生物质电厂转型发展的方向。

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生物质能源资源化高效利用专栏

生物质气化制合成气净化技术研究进展

高亚丽, 田丽娜, 卫俊涛, 于广锁, 王辅臣, 黄安奎, 徐德良, 张书

2024, 44(2): 168-180. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230537

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主要综述了合成气中各种污染物的气体净化技术,根据处理方式和处理温度的不同,可分为冷/热气体净化。对于固体颗粒物污染物,冷/热气体净化都采用物理去除的方式;焦油冷气体净化一般采用物理分离方式,而热气体净化可以通过高温热裂解或气化过程加入催化剂实现;含氮污染物易溶于水,因此冷气体净化大多选择用水、酸性或有机溶剂直接吸收,热气体净化通常用催化氧化的方式;相比于含氮污染物,含硫污染物使用冷气体净化既可以选择液体溶剂吸收,又可以使用多孔碳材料等固体吸附剂进行吸附,金属氧化物被认为在高温下对含硫污染物有好的吸附性能。在冷气体净化中氯化物的去除一般通过氯化铵(NH₄Cl)沉积和氯化氢(HCl)蒸气吸收两种机制进行,在热气体净化中金属可以与卤化物以卤化物盐的形式一起被去除。

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生物质能源资源化高效利用专栏

污泥秸秆共混水热碳化固体炭产物的燃烧及NO_x生成特性

雷浩洋, 乔加飞, 王睿坤, 赵争辉, 尹倩倩, 葛立超

2024, 44(2): 181-187. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230550

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选取市政污泥和玉米秸秆为原料,在不同质量掺混比和反应温度条件下进行水热碳化,通过分析炭产物的燃料性质、燃烧失重和NO_x生成规律,探究了共混水热碳化条件对炭产物燃料性质及燃烧NO_x生成特性的影响。结果表明:共混水热碳化可得到干基高位发热量(HHV)为15.89 MJ/kg的炭产物,同时脱除原料中的部分氨基氮和无机氮,并将挥发分中的氮转化为热稳定性较强的焦炭氮;水热碳化过程中,蛋白质与木质纤维组分间的交互反应会表现出固氮作用,随着原料中秸秆掺混比的增加,水热炭中吡咯氮、吡啶氮和季氮的质量分数增加,但其NO兆焦生成量降低;当污泥秸秆掺混比为1∶1、水热反应温度为220 ℃时,水热炭的NO兆焦生成量达到最低,为209.8 mg/MJ。

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生物质能源资源化高效利用专栏

CuFe₂O₄氧载体与小麦秆-煤化学链共气化研究

林德顺, 丁宁, 李炜光, 王保文

2024, 44(2): 188-195. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230502

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以小麦秆与印尼褐煤为原料,制备具有尖晶石结构的 CuFe₂O₄ 复合氧载体,在自制多功能反应器上,系统研究了 CuFe₂O₄ 氧载体反应活性及小麦秆和印尼褐煤化学链共气化特性,重点关注小麦秆和煤不同掺混比、气化温度、氧载体过量系数和水蒸气输入量这4个关键运行参数的影响。结果表明:CuFe₂O₄ 复合氧载体中Cu-Fe 的协同作用有助于晶格氧的有效传递和反应活性的提升,而小麦秆和印尼褐煤化学链共气化时碳转化率及冷煤气效率比单一燃料的大,促进了高品质合成气的形成;小麦秆和褐煤在与 CuFe₂O₄化学链气化过程中的最优运行参数为共气化温度 950 ℃、氧载体过量系数0.2、水蒸气通入体积流量0.125 mL/min、小麦秆-印尼褐煤掺混质量比1∶1,在此最优条件下,合成气产量高达1.262 m³/kg,H₂与CO体积比为1.69,碳转化率为89.7%,合成气选择性为63.2%。

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生物质能源资源化高效利用专栏

不同结晶度纤维素与1-丁基-3-甲基咪唑氯混合热解特性研究

张涛, 泮浩翔, 吕为智, 龚勋

2024, 44(2): 196-202. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230738

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通过等体积浸湿的方法对不同结晶度的纤维素负载1-丁基-3-甲基咪唑氯(［Bmim］Cl)离子液体,获得了负载离子液体的纤维素和再生纤维素样品,在固定床反应器上探究了不同结晶度纤维素负载离子液体的热解行为,并分别对其三态产物生物焦、生物油、生物气进行了分析。结果表明:纤维素再生过程会破坏内部晶体结构,使其无定形区域变大,脱水反应更加容易发生;热解温度为275 ℃时,与纤维素相比,结晶度更低的再生纤维素能够促进挥发物的生成以及抑制固体碳的生成,液体产率及固体产率分别从48.23%、48.81%变化至55.7%、37.67%,而热解温度在300~350 ℃的高温下却相反;负载离子液体后可以促进LGO等物质的生成,最高产率可达到16.1%,高结晶度能够促进离子液体对LGO的催化作用。

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生物质能源资源化高效利用专栏

基于CPFD方法的生物质燃气旋风分离陶瓷膜一体化除尘器仿真

孙瑞豪, 王啸远, 朱跃钊, 汪若凡

2024, 44(2): 203-212. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230438

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为缩短高温燃气除尘工艺,提高除尘效率,提出了一种耦合复合陶瓷膜组的一体化旋风除尘器。在温度为573 K的条件下对陶瓷膜的流动阻力进行了实验研究,考察了流量和压力对单个陶瓷膜过膜压降的影响,得到过膜压降与流速之间的关系式,基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法模拟了除尘器内部的气固两相流动特性,探讨了生物质燃气除尘过程中内部颗粒的分布规律、速度和停留时间,探究了复合陶瓷膜组对除尘器压降和效率的影响。结果表明:在入口温度为573 K、压力为111 325 Pa、进口气体积流量为7 909 m³/h的条件下,较之无陶瓷膜组的除尘器,一体化除尘器内部粉尘颗粒的停留时间更长,其对粉尘颗粒捕集效率更高,颗粒聚集性能更好,除尘效率从91.2%提升至99.7%,然而总体压降增大了78 Pa。

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生物质能源资源化高效利用专栏

太阳能辅助沼气化学回热的新型冷热电联产系统模拟分析

王异林, 苏博生, 黄枝, 黄宇鹏, 黄祺腾, 袁妁

2024, 44(2): 213-220. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230449

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提出了一种太阳能辅助沼气化学回热的新型冷热电联产系统,在新系统中考虑了沼气池的热负荷,并通过中温槽式太阳能生产大量水蒸气来构建一种高水碳比的沼气蒸汽重整工艺。基于Aspen Plus仿真软件,分析了水碳比对新系统和参比系统性能的影响。结果表明:在设计点工况下,新系统的发电效率较参比系统提高13.4%;在2个系统供冷量相同的情况下,新系统供热量较参比系统高1 476.69 kW,增幅为110.62%;由于太阳能的引入带来了产电收益,集热温度为170 ℃时,新系统的太阳能净发电效率最低值(17%)仍高于集热温度为300~400 ℃时传统槽式太阳能热发电系统的最大发电效率(16%)。

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生物质能源资源化高效利用专栏

基于等离子气化的城市固废制备乙酰丙酸系统及性能评估

刘战, 魏来, 陈衡, 赵焕林, 潘佩媛, 张锴

2024, 44(2): 221-231. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230745

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提出了一种利用城市固体废弃物制备乙酰丙酸(Levulinic Acid,LA)的系统,并通过Aspen Plus进行建模。通过回收LA的催化剂与萃取剂并使用固体残留物(生物质碳)、沼气和固废中的衍生燃料作为热源,最大限度地减少废物产生。通过等离子气化技术耦合厌氧发酵技术为系统供热。对所提出系统的性能进行了评估。结果表明:该系统在技术上是可行的,有较高能源转化效率和较低的环境污染,等离子气化效率为69.94%,净现值达189 483万元,动态回收周期为5.04 a,拥有0.37的内部收益率。

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生物质能源资源化高效利用专栏

生物质电转气技术的生命周期评价

薛崟, 段钰锋, 丁卫科

2024, 44(2): 232-240. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230497

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为了研究生物质电转气技术的环境影响,选用玉米杆、稻秸这2种生物质,采用生命周期评价(LCA)模型全面评价了生物质电转气技术的全生命周期过程,利用SimaPro软件对生物质的获取、生物质直燃发电、CH₄和H₂的生产、CH₄的运输及利用等阶段进行生命周期评价,得到各阶段主要的环境影响类型,并对比分析了玉米秆和稻秸的环境影响潜值。结果表明:海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表现较为突出的环境影响类型;在海洋水生毒性这一环境指标上,稻秸电转气技术是玉米杆电转气技术的2.8倍;在全球暖化、人体毒性、酸化等环境影响类型上,玉米秆和稻秸的影响程度较为相似。

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动力设备与系统

超超临界双切圆燃烧锅炉多煤种掺烧下水冷壁结渣特性的数值模拟

董磊, 陈曦, 马启磊, 徐民

2024, 44(2): 241-250. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230188

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对某1 000 MW超超临界双切圆燃烧锅炉水冷壁结渣特性进行数值模拟,探究多煤种掺烧对水冷壁结渣特性的影响规律并提出减少结渣的配煤原则。数值模拟结果表明:双切圆燃烧锅炉在燃烧时形成反向相切的双椭圆,长轴所对燃烧器近壁面温度水平较高,结渣倾向较高;当与煤种Ⅲ(高热值低灰分)、煤种Ⅱ(中等热值中等灰分)掺烧时,煤种Ⅰ(低热值高灰分)的入炉比例大于40%,炉膛各部位结渣倾向显著提高;煤种Ⅰ入炉比例为20%的工况能满足安全运行需要;配煤位置显著影响颗粒沉积的部位及沉积速率:当多煤种掺烧时,将煤质特性较差的煤种置于较低层燃烧器更为合理,煤种入炉比例相同时,调整入炉位置可以降低10.17%的颗粒沉积量,从而降低水冷壁结渣倾向。

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动力设备与系统

大型燃煤锅炉中含Na/Cl/S组分的演变与受热面结渣倾向的数值模拟

王毅斌, 王肖肖, 李鹏, 谭厚章, 魏博

2024, 44(2): 251-259. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230084

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提出了一种考虑煤中含Na/S/Cl组分多步释放、气相组分相互作用、气-固反应以及盐蒸气冷凝耦合灰颗粒黏附的结焦模型,以预测炉内受热面气态碱金属组分冷凝行为、受热面结焦风险以及炉膛出口Na/S/Cl组分分布特性。结果表明:炉膛出口气态含Na组分主要以NaO₂、NaCl、Na₂SO₄和NaOH形式存在;最上层燃烧器至分离燃尽风(SOFA)喷口区域、最下层燃烧器至冷灰斗转角区域的水冷壁结焦风险高;炉膛出口区域后屏过热器底部颗粒黏附位置相对集中,炉内辐射式过热器结焦速率远高于气态钠盐冷凝速率,对流受热面颗粒沉积速率约是钠盐蒸气冷凝速率的3~4倍。

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动力设备与系统

有机工质向心透平数值模拟及变工况内流特性研究

韩旭, 李奇, 杨依栋, 李鹏, 刘树华, 韩中合

2024, 44(2): 260-269. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230107

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基于国内外研究现状,分别对设计工况下和非设计工况下有机朗肯循环向心透平的工作状态进行了三维数值模拟。以透平功率、效率、反动度、静叶损失系数、动叶损失系数作为评价指标,分析了透平在非设计工况下的性能;同时开展了透平在非设计工况下流动状况的描述。结果表明:设计工况下透平输出功率为122.3 kW,透平等熵效率为83.54%;在非设计工况下,透平功率和效率在转速比为0.8~1.0时的增幅较大,透平反动度和静叶损失系数均与转速呈线性关系,而动叶损失系数在转速比为0.8~1.2时存在最小值;当转速低于设计转速时,在动叶前缘吸力面存在涡流,当转速高于设计转速时,涡流存在于动叶压力面的前缘,造成此现象的主要原因是动叶转速与静叶出口流速的周向分量之间存在差值。

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新能源与储能

基于强迫振动和自由振动的风力机翼型涡激振动数值研究

李羽, 柳灿, 连波, 竺晓程

2024, 44(2): 270-276. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230074

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基于动网格技术,分别采用强迫振动和自由振动方法对90°攻角下风力机翼型的涡激振动现象进行了数值研究。通过强迫振动计算方法,确定了Du96-W-180风力机翼型在不同振幅下的涡振区间,并比较了改变来流速度和改变结构刚度对涡振区间的影响;通过自由振动计算方法,获得了不同来流速度下的翼型涡振区间,对比了频率比r=0.93和r=1.11时不同结构阻尼对翼型振动响应的影响,分析了翼型涡振的发展和演化过程。结果表明:改变来流速度和改变结构刚度时不同频率比下的涡振区间基本一致;自由振动数值计算验证了强迫振动的涡振区间;不同频率比下6%结构阻尼比时翼型振动出现涡激振动和强迫振动2种形式。

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数字化与智能化

基于MFCC和MDE-SVDD的滚动轴承音频信号异常检测方法

高原, 邓艾东, 范永胜, 梁志宏, 傅行军

2024, 44(2): 277-283. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230091

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针对传统振动传感器安装不易,而声信号分析易受环境噪声干扰的问题,提出一种基于梅尔倒谱系数(MFCC)和马氏距离加权改进支持向量数据描述(MDE-SVDD)的音频信号异常检测方法,用于滚动轴承运行状态监测。该方法从轴承运行声信号中提取MFCC作为特征向量,进而使用马氏距离加权改进SVDD,以增强对噪声样本的抗干扰性,从而提高算法的检测精度,然后在实验音频信号中添加多种强度的高斯白噪声以模拟现场噪声环境,并将所提方法的测试结果与传统SVDD等异常检测方法进行比较。结果表明:在低信噪比(-5 dB)场景下,MDE-SVDD的异常检测平均准确率达到91.99%,相较于传统SVDD提升了7.73百分比。

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数字化与智能化

机器人锅炉冷态空气动力场测量系统开发

寇梦楠, 刘海玉, 牛俊天, 金燕, 吴杨

2024, 44(2): 284-291. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230080

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针对锅炉冷态空气动力场试验自动化程度低、操作危险性大的问题,开发了机器人锅炉冷态空气动力场试验测量系统。系统下位机采用STM32芯片作为主控芯片,控制爬壁机器人的运动以及与上位机的信息交换,同时引入混沌线性惯性权重对粒子群优化模糊PID算法进行优化,并将改进后的算法作为机器人运动路径的控制策略,对于机械臂的控制引入D-H法。上位机为LabVIEW搭建的操作平台,通过嵌入双树复小波变换去噪算法,对采集到的风速信号进行降噪处理。结果表明:所提出的系统各个模块均可正常且稳定运行,与人工测试的误差保持在±10%,能够满足锅炉冷态试验的要求。

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数字化与智能化

生物质循环流化床机组协调系统模型研究

高明明, 刘博通, 张洪福, 王亚柯, 岳光溪

2024, 44(2): 292-300. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230054

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针对生物质循环流化床(CFB)机组,通过机理分析,研究了生物质燃烧的动态过程,建立了生物质CFB锅炉燃料侧燃烧模型。通过能量守恒,确定了生物质CFB机组汽水侧和汽机侧主要参数之间的函数关系,建立了负荷控制系统模型。基于某30 MW生物质CFB机组实际运行数据,通过稳态工况推导、回归分析和遗传算法辨识了模型的参数和函数关系,在Simulink软件平台验证了模型的结果并进行了模型阶跃试验。结果表明:模型的输出与实际数据能较好地吻合,主蒸汽压力、负荷的平均相对误差均在4%以内,阶跃响应符合实际经验,证明建立的模型能够反映机组的动态特性。

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绿色低碳

石灰石法与氨法脱硫产物中痕量元素对比

王铭玮, 肖海平, 吴海涛, 郭正旺

2024, 44(2): 301-306. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230116

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为实现脱硫产物资源化利用,评估硫酸铵和脱硫石膏的环境风险,分析了全厂重金属的含量,研究了石膏和硫酸铵中重金属的赋存和浸出特性。结果表明:Cu、Cr在硫酸铵中的含量均不足1%,远低于在石膏中的含量;Mn、Sn在石膏和硫酸铵中的含量相差6倍以上,可能是因为Mn、Sn离子的弱酸性;As、Pb含量在不同炉型的石膏中相差5倍以上,Se、Cd、Ba的分布规律不受炉型和脱硫工艺的影响;Cr的浸出质量浓度最高,约为标准限值的2.04%,Se与石膏中的Ca²⁺生成CaSeO₃沉淀,Cu以CuFe₂O₄形式赋存于石膏中;硫酸铵中重金属的整体浸出水平高于脱硫石膏,但实验过程中重金属的排放和浸出质量浓度均远低于我国现行标准限值,脱硫产物资源化利用安全可行。

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综合能源系统

300 MW超临界二氧化碳燃煤发电机组热经济性分析

白亚平, 杨伊琳, 李鹏, 韩中合, 陈东旭, 郭董阳

2024, 44(2): 307-316. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230064

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针对300 MW超临界二氧化碳(SCO₂)部分冷却循环和部分冷却再热循环燃煤发电系统,建立了热经济性数学模型,以循环热效率η_t、系统㶲效率η_ex及平准化度电成本C_LCOE为评价指标,对不同系统和不同关键参数进行热经济性对比分析。结果表明:在设计工况下,与部分冷却循环系统相比,在部分冷却再热循环下η_t高0.33%,η_ex高0.35%;在相同参数条件下,2个发电机组燃煤消耗成本占比均超过70%,锅炉成本远高于其他设备成本;存在最优的主压缩机入口压力,使得η_t、η_ex达到最大,同时C_LCOE达到最小;随着主压缩机入口温度的增大,η_t、η_ex逐渐减小,C_LCOE则逐渐增大;η_t、η_ex随着透平入口温度的增大线性提升,C_LCOE则先减小后增大。

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综合能源系统

基于多元储能的分布式能源系统优化调度方法研究

韩中合, 马立, 段宇轩, 刘奥, 吴迪, 李桂强

2024, 44(2): 317-327. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230002

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为进一步构建清洁低碳、经济节能的供能系统,研究建立了含风、光以及多元储能的分布式能源系统,针对北京某办公园区,采用DeST预测用户负荷以及当地风、光条件。以经济性、节能性和环保性三方面的综合效益最大为目标,提出一种自适应优化运行策略,分别采用穷举搜索法和遗传算法对系统优化调度方案进行优化。同时,采用以电定热运行策略作为对照,对比分析几种不同运行策略下系统的综合效益。结果表明:传统以电定热运行模式下的综合效益平均值为0.41;而在自适应优化运行策略下,使用遗传算法得到的调度方案,其综合效益平均值可达0.5,穷举搜索法得到的运行方案,其综合效益平均值可达0.51。

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综合能源系统

基于燃机余热和地热能的联合发电系统优化设计及热力性能分析

付文锋, 王金楹, 王蓝婧, 杨乐

2024, 44(2): 328-338. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230097

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设计了一种超临界二氧化碳(S-CO₂)再压缩系统与地热双闪蒸系统相结合的新型燃机余热利用联合发电系统。基于所建联合系统参数优化模型,应用遗传算法计算分析了联合系统内部参数和边界参数对最大输出功和燃机余热利用率的影响。结果表明:通过系统参数优化,联合系统实现了余热在2个子系统中的合理分配,加深了燃机余热的进一步利用;当一级闪蒸压力取99.89 kPa、二级闪蒸压力取29.4 kPa、S-CO₂质量流量取22.68 kg/s、分流比取0.308 5时,联合系统最大净输出功达到6.402 MW,对应余热效率为67.9%;当一级闪蒸压力在90~115 kPa、二级闪蒸压力在25~35 kPa时,联合系统均可实现较高的净输出功,与最佳值的相对偏差在0.8%以内;随着S-CO₂流量或分流比逐渐增大,联合系统的净输出功均呈现先增大后减小的规律;联合系统的最大净输出功随S-CO₂透平进口压力的增大而增加,随S-CO₂透平出口压力和预冷器出口温度的增大而减小。

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