动力工程学报

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    基础研究
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    汽轮机末级叶片用SP-700钛合金气体渗氮层结构和性能的研究
    李聪, 聂冰悦, 任延杰, 李微, 陈维, 周立波, 陈荐
    2024, 44(8): 1153-1162. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230404
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    采用真空气体渗氮工艺在不同温度下对SP-700钛合金表面进行了渗氮强化。利用扫描电子显微镜、光学显微镜、显微维氏硬度仪、往复摩擦磨损试验仪、白光干涉三维表面轮廓仪和电化学工作站,分别测试了强化层的表面和截面形貌、硬度、耐磨性能和电化学腐蚀性能;通过浸泡腐蚀方法测定了涂层在HF溶液中的腐蚀行为。结果表明:渗氮温度对SP-700钛合金的微观形貌影响较大,随着温度的升高,试样表面氮化物数量增加,氮化物层更加致密;高温渗氮试样的硬度较基体提高了约1.9倍,相对耐磨性可达51.34;所有试样在3.5%NaCl溶液中均能自发钝化,有较好的耐电化学腐蚀性能;渗氮试样在HF腐蚀液中表现更优,渗氮温度越高,试样的耐腐蚀性能越好。
    • 动力设备与系统
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    声波激励下W型火焰锅炉燃烧特性的试验研究
    杨延锋, 梁建国, 韩峰, 薛晓亮, 杨洋, 李新卓
    2024, 44(8): 1163-1172. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230407
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    为探究声波助燃技术在W型火焰锅炉中的应用潜力,试验研究了实时负荷为315 MW的W型火焰锅炉在声波激励作用下的燃烧特性。在锅炉主燃区、燃尽区分别交错布置12台和4台声波激励装置,每3台1组循环投运,驱动声波激励装置工作的电机频率为35 Hz,相应进气压力维持在0.35~0.47 MPa。试验中,通过电厂集控室集散控制系统(DCS)监测记录了脱硝塔A/B侧进口NOx质量浓度、脱硫装置进口SOx质量浓度和机组煤耗的变化。结果表明:投入声波激励装置后,脱硝塔A/B侧进口NOx质量浓度分别下降了6.08%、5.47%,SOx质量浓度下降了1.24%,机组平均煤耗下降了1.5 g/(kW·h);对省煤器和空气预热器出口的灰分采样分析发现,与无声波激励的情况相比,飞灰含碳质量分数分别下降了1.64%和1.70%,声波助燃技术能有效提高W型火焰锅炉的热效率和降低污染物排放。
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    基于Bezier曲线的气膜冷却孔出口孔形优化
    刘瑞, 文申成, 张传亮
    2024, 44(8): 1173-1180. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230388
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    提出一种基于Bezier曲线的气膜冷却孔出口参数化构型方法,通过调整Bezier曲线的控制点,改变气膜冷却孔的出口形状。采用拉丁超立方抽样(LHS)和数值模拟的方法,获得大量不同气膜冷却孔出口形状下的气膜冷却效果,结合径向基函数神经网络(RBF-NN)所构建的预测模型和遗传算法(GA)进行气膜冷却孔出口形状优化。结果表明:优化后的气膜冷却孔可以有效抑制肾形涡对(CVP)的强度与大小,减小冷却气流与热主流的掺混损失;优化后的气膜冷却孔具有扩张的冷却通道,降低了冷却气流出口法向上的动量,有效抑制了冷却气流对于热主流的穿透,提升了气膜冷却效率;在吹风比M=0.91的情况下,最优孔形的气膜冷却效率较圆孔和扇形孔分别提升了40.48%和17.82%。
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    有机工质向心透平气动设计与性能优化研究
    卢绪祥, 宋增, 刘瑞, 丁海霞, 李逸轩
    2024, 44(8): 1181-1188. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230443
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    为提升有机工质向心透平的效率与性能,对400 kW有机工质向心透平进行了一维气动设计。在一维气动设计结果的基础上进行建模,并结合三维数值模拟预测了有机工质向心透平在设计工况下的性能。以向心透平等熵效率为目标,采用均匀试验法对动叶轮的子午流道进行优化设计。结果表明:与原始向心透平相比,优化后的向心透平流场压力分布层次更加分明,整体熵增减小,产生的摩擦损失、尾迹损失明显减小,叶片做功能力增大,向心透平内部的流动情况得到了改善,等熵效率由原来的82.33%提高到85.92%,输出功率也增大了18.04 kW。
  • 动力设备与系统
    中速磨煤机特征分类及劣化分析算法研究
    张元东
    2024, 44(8): 1189-1195. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230384
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    针对Simhash算法特征分类过程存在局部敏感hash、目前中速磨煤机劣化分析算法精准度不高的问题,提出一种中速磨煤机特征分类及劣化分析算法。首先,该算法基于Simhash机制结合余弦定理和矩阵相似性设计特征分类方法;然后,基于八邻域机制结合自适应阈值设计中速磨煤机劣化分析判别规则。结果表明:本文算法使得中速磨煤机的特征参数辨识度、故障关联性以及健康状态预测精度得到了显著提升,且相较于目前主流机器学习算法,在均方根误差(RMSE)损失较小的情况下,计算效率显著提升,所提算法的准确性和健壮性更高。
    • 新能源与储能
  • 新能源与储能
    基于实际功率曲线阈值筛选的风电机组偏航误差算法研究
    吕松灏, 刘向民, 方超, 丁士发, 余从极, 马永鑫
    2024, 44(8): 1196-1204. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230428
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    现有风电机组偏航误差评估方法多借助激光雷达或依赖长期(大于3个月)运行数据。针对新机组首次维护前的短期运行数据偏航误差计算问题,提出一种基于实际功率曲线阈值筛选的偏航误差算法。首先,通过Bin法求解机组实际功率曲线,利用实际功率曲线阈值方法在无需机舱传递函数(NTF)的条件下剔除可能降低计算准确度的数据;其次,对筛选后的数据集做风速分仓,利用区间均值法求解各风仓代表偏航误差;最后,使用风速加权法求解偏航误差。在江苏某陆上风电场的实践应用表明,所提出的算法针对短期和长期运行数据均可获得有效的偏航误差计算结果。
  • 新能源与储能
    基于S-CO2布雷顿循环的太阳能发电储能一体化系统性能分析
    张学镭, 梁建雄, 王普, 赵哲, 贾程广
    2024, 44(8): 1205-1215. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230406
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    设计了一种以 S-CO2和石英石为储能介质、再压缩S-CO2布雷顿循环为动力循环的塔式太阳能热发电储能一体化系统。基于Gensystem计算平台,建立了动力循环、太阳能集热系统、S-CO2斜温层储热罐的数学模型,研究了集热系统性能和S-CO2斜温层储热罐的储、释热动态特性。在此基础上,分析了一体化系统的热力性能和经济性能。结果表明:经过13次循环储、释热过程,斜温层储热罐出口温度趋于稳定。释热结束时,斜温层储热罐热流体出口温度下降了63 K,储热结束时,冷流体出口温度升高了46 K。与配置双储热罐的塔式太阳能热发电系统相比,一体化系统夏至日和冬至日日均发电效率分别提高了1.8%和1.7%,系统总投资降低了9.46%,平准化度电成本下降了9.45%,投资回收期缩短了1.8 a。
  • 新能源与储能
    基于太阳能分频利用的光伏/光热综合发电系统热力学分析
    张曼铮, 郭伟, 方宇成, 张佳薇, 武翔峰, 岳权, 苗政
    2024, 44(8): 1216-1225. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230392
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    通过对太阳能聚光投入辐射进行分频,建立光伏与光热驱动有机朗肯循环综合供电系统。在冷却背板温度100 ℃的限制下,对该系统进行热力学分析,筛选了适宜的循环工质,获得了有机朗肯循环(ORC)系统优化的蒸发温度。结果表明:isobutene作为光伏系统的冷却工质和ORC系统的循环工质时系统效率最高,分频技术将冷却背板散热负荷转移至集热器,可降低光伏板的散热需求,从而降低循环工质质量流量,对提高系统发电能力有积极作用,该系统可将单纯光伏发电效率提高9百分点;同时,分频效率和太阳能电池吸收波段对综合供电系统的总效率影响较大。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    基于ACPI控制的光伏系统MPPT策略
    喻乐言, 曾喆昭, 张昌琪
    2024, 44(8): 1226-1233. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230363
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    针对现有光伏系统最大功率点跟踪(MPPT)方法中存在的响应速度慢、抖振明显和外界环境发生变化时稳态精度低等问题,提出了一种基于自耦比例积分微分(ACPID)控制的自耦PI控制策略。该策略首先基于Boost升压电路的光伏系统通过坐标变换简化被控系统,同时引入虚拟控制量将光伏发电系统分解为外环电压控制与内环电流控制,并将所有内部动态和外部扰动定义为总扰动,进而将其等价映射为一个线性扰动系统;然后在自耦PID控制系统的思想上,分别设计了外环与内环的自耦PI控制器。结果表明:所提控制方法可以实现光伏系统MPPT的有效控制,不仅具有较快的响应速度、良好的抗抖振能力,而且对于外界环境变化具有良好的鲁棒性。
  • 数字化与智能化
    基于尾流判定的风电场偏航角分群优化控制
    蔡玮, 胡阳, 刘吉臻
    2024, 44(8): 1234-1243. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230414
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    为了优化风电场整体的功率输出和疲劳载荷,提出分群优化方法。建立风机尾流干扰的神经网络判定模型,以风机的相对坐标和来流风速作为特征值来判断风机之间是否存在尾流干扰;引入连通分量分解算法,将风电场划分为多个互相无尾流干扰的气动解耦机群;采用改进的自适应评估粒子群算法,以提升功率和抑制载荷为目标对所有机群进行并行优化。结果表明:与贪婪算法和整体优化方法相比,所提分群优化方法在功率提升和载荷抑制方面的效果均较好,且其稳定性更好。
  • 数字化与智能化
    SCR脱硝系统的RBF条件积分滑模参数优化控制
    黄宇, 魏家璇, 张雄, 易衡, 王晓燕
    2024, 44(8): 1244-1252. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230166
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    针对选择性催化还原(SCR)脱硝系统在火电机组深度调峰下因系统特性随着机组负荷改变而难以控制的问题,提出基于径向基函数(RBF)的条件积分滑模优化控制方案,用条件积分滑模减少抖振与调节时间,用RBF实时逼近SCR脱硝系统特性改变下的未知扰动以提高系统鲁棒性。并提出一种纳什均衡量子粒子群寻优(NEQPSO)算法,以获得RBF条件积分滑模控制方案的最优参数,并在20%~100%的机组负荷下进行仿真实验。结果表明:优化后的RBF条件积分滑模控制与传统控制方案相比超调量降低50.26%、调节时间缩短13.55%,在干扰信号下超调量仅有1.50%,其响应速度更快、抗干扰能力更强、鲁棒性更好。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    基于分级气化的燃烧前CO2捕集发电系统及性能分析
    李济超, 韩巍, 马文静, 叶旖茵, 金红光
    2024, 44(8): 1253-1263. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230498
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    为实现煤炭高效低碳化发电,提出了一种基于分级气化和化学回热的燃烧前CO2捕集发电系统。该系统将煤气化过程解耦为600 ℃的热解过程和1 400 ℃的气化过程,利用燃气轮机的排烟余热来驱动热解过程,此外利用合成气的显热驱动热解气重整。将新系统与参比系统进行热力学性能比较,分析了不同关键参数对新系统性能的影响。结果表明:在90%碳捕集率下,新系统的净发电效率、效率和度电CO2排放量分别为39.97%、38.94%和85.27 g/(kW·h),相较于参考系统,分别提高了2.33个百分点、2.34个百分点和降低了5.27 g/(kW·h);新系统性能提升的主要原因在于其气化过程的不可逆损失大幅减少,为参比系统的62.13%;当气化温度为1 200 ℃、水碳比为1.4、碳捕集率为80%时,系统净发电效率最高,可达41.3%;随着碳捕集率的增加,净发电效率及度电CO2排放量均降低,其中度电CO2排放量最低可达51.1 g/(kW·h)。
  • 绿色低碳
    基于ISSA-ELM-NARMAX的垃圾焚烧炉燃烧过程动态建模及多目标优化
    赵征, 刘赛恒, 王金, 魏强, 许洪滨
    2024, 44(8): 1264-1271. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230437
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    为了实现垃圾焚烧发电机组稳定、高效、环保的有效协同,对垃圾焚烧炉燃烧过程进行了多目标优化。提出一种极限学习机(ELM)和带有外部输入的非线性自回归滑动平均模型(NARMAX)相结合的动态建模方法,并通过改进麻雀算法(ISSA)对模型参数进行优化,分别建立了垃圾焚烧炉蒸汽质量流量、锅炉效率和第一烟道温度的动态模型;并将 ISSA-ELM-NARMAX模型与传统BP神经网络模型、ELM-NARMAX模型和SSA-ELM-NARMAX模型进行对比,最后基于改进非支配遗传算法(NSGA-II)对燃烧过程进行多目标优化,寻找焚烧炉最佳运行参数。结果表明:基于 ISSA-ELM-NARMAX的垃圾焚烧炉燃烧过程动态模型更加精确有效,所提出的控制策略可以为焚烧炉司炉人员提供操作指导。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    乏汽供热用大型蒸汽射汽器性能试验与研究
    张攀, 吕俊复
    2024, 44(8): 1272-1277. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230427
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    对乏汽供热用大型射汽器的性能进行了全面分析和研究。结合射汽器的固有特性,在300 MW等级机组的乏汽供热系统中对射汽器变工况性能进行了试验研究,得到了不同机组背压、动力蒸汽压力和出口压力下射汽器的性能曲线。建立了一种射汽器全工况特性的性能参数求解方法。结果表明:性能参数求解结果与试验数据吻合度高。
  • 综合能源系统
    光电互补的氯碱化工与冷热电氢多联供系统热力学分析及优化
    李想, 辛宇, 邢学利, 王朝威, 洪慧, 高林, 吴聪, 元博
    2024, 44(8): 1278-1286. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230387
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    提出了一种光电互补的氯碱化工与冷热电氢多联供系统,通过建立热力学模型,探究了不同关键参数对系统各单元性能的影响规律,并对系统运行策略进行了分析。结果表明:与传统氯碱系统相比,多联产系统能量利用效率可提高14.65百分点,全年可减少31%的碳排放总量,可节约系统日购电成本25.4%~51.1%。
  • 综合能源系统
    阶梯碳下考虑耦合电转气-碳捕集和热电联产灵活输出的综合能源系统优化调度
    赵振宇, 邓涵予
    2024, 44(8): 1287-1297. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230380
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    “双碳”目标下,为进一步降低综合能源系统(integrated energy system,IES)碳排放,提升可再生能源消纳能力,提出一种IES低碳经济运行优化策略。首先引入阶梯型碳交易机制约束IES的碳排放;然后建立耦合电转气(power to gas,P2G)和碳捕集系统(carbon capture system,CCS)模型,并细化P2G两阶段运行;接着在传统热电联产机组(combined heat and power,CHP)中引入卡琳娜循环与电锅炉联合运行,构造热电灵活输出的CHP模型;最后以系统运维成本、碳交易成本、购能成本和弃风弃光成本之和最小为优化目标,构建IES低碳经济调度模型,并设置不同运行场景对比分析。结果表明:IES碳排放减少38.45%,运行总成本降低10.37%,验证了所建模型的低碳性和经济性。
  • 综合能源系统
    基于NSGA-Ⅱ算法的S-CO2再压缩再热燃煤系统多目标优化
    杨伊琳, 李鹏, 刘世通, 白亚平, 赵文升, 韩中合
    2024, 44(8): 1298-1306. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230435
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    以S-CO2再压缩再热循环燃煤发电热力系统为研究对象,以循环热效率ηt和平准化度电成本CLCOE为系统的热力性能和经济性能指标,分析了系统关键参数对系统热力和经济性能的影响规律。基于非支配排序遗传(NSGA-II)算法建立了S-CO2再压缩再热循环燃煤发电热力系统的多目标优化模型,以系统的热力学性能和经济性为目标,得到了系统关键参数的最优解。最后,以再热温度、透平入口温度、主压缩机出口压力、再热压力、主压缩机入口压力、主压缩机入口温度、分流系数为决策变量,对系统进行多目标优化。结果表明:透平入口温度、再热温度的升高会使系统的循环效率和平准化度电成本同时增大,系统的热力性和经济性不能同时达到最优;多目标优化后ηt和CLCOE分别为53.07%、453.43 元/(MW·h),相较于设计工况,ηt提高了5.42%,CLCOE降低了5.91%。
  • 综合能源系统
    集成LNG冷能空分的半闭式CO2循环发电系统热力学分析与优化
    许宏宇, 李瑞凡, 许诚, 郭豪, 辛团团, 杨勇平
    2024, 44(8): 1307-1316. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230382
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    半闭式CO2循环具有高效和零碳排放的特点,针对目前集成液化天然气(LNG)冷能的半闭式CO2循环发电系统,提出了一种高效的LNG冷能的梯级利用方式。结果表明:基准案例中空分和压缩过程的能耗分别降低了70.4和75 MW,系统净效率为63.76%,相比于常规循环提升9.48个百分点;在此基础上,采取改进循环参数、匹配回热器热容等优化措施后,优化案例的净效率进一步提高至72.22%,系统的效率为51.27%。相比于仅在循环过程集成LNG冷能的参考系统Ⅱ,冷能利用的效率提高了28个百分点。