动力工程学报

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    基础研究
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    超临界二氧化碳水平加热流动中浮升力效应的实验研究
    高明, 张帮辉, 崔文斌, 杨其国, 任燕
    2024, 44(11): 1663-1671. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230545
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    为研究超临界二氧化碳(S-CO2)在水平管道中加热流动时产生的浮升力效应对其流动传热特性的影响,进行了相同工况下光管与内插螺旋丝管的流动传热实验。研究了壁面热流密度与质量流速对浮升力效应的影响,并且讨论了管道中插入螺旋丝后对壁面温度分布、传热模式等的影响。结果表明:由于浮升力的作用,S-CO2在水平加热流动中,会沿重力方向产生温度分层,导致顶部、底部的壁面温度产生较大的温度差值,最大壁面温度差值达到48 K;管内插入螺旋丝后有效抑制了浮升力导致的温度分层现象,底部传热系数提高了60%以上,顶部传热系数提高了140%以上。根据实验结果对4种传热关联式进行验证,发现Bishop公式的综合表现最好。
  • 基础研究
    蒸汽-水膜直接接触冷凝数值模拟研究
    柴盈华, 林原胜, 黄崇海, 肖颀, 柯汉兵, 李邦明
    2024, 44(11): 1672-1679. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230562
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    蒸汽-水膜直接接触冷凝界面能质传递机理是混合式冷凝器优化设计的基础,以蒸汽-水膜直接接触冷凝为研究对象,基于流体体积(VOF)方法构建了界面相变冷凝能质传递模型,分析了蒸汽质量流量(0.002~0.010 kg/s)、冷却水质量流量(0.30~0.83 kg/s)及流动方向对蒸汽-水膜直接接触冷凝换热的影响。结果表明:冷凝传热系数随蒸汽和冷却水质量流量的增大而增大,相较而言蒸汽质量流量对冷凝换热影响较弱;相比于顺流流动,蒸汽-水膜错流流动时换热效果较好,逆流流动由于相间作用力增加,水膜形状不规则,增大了水膜破碎风险。
    • 动力设备与系统
  • 动力设备与系统
    超临界锅炉低负荷运行水动力及壁温特性分析
    曹霆, 郑沧海, 李永利, 王熠伟, 秦宁, 柏战国, 刘杰, 张磊, 邓磊
    2024, 44(11): 1680-1688. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230581
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    为探究燃煤锅炉的深度调峰能力,针对某超临界630 MW锅炉炉膛水冷壁开展了水动力和壁温特性研究,建立了水动力和壁温特性数学模型,计算并分析了(20%~30%)锅炉最大连续蒸发量(BMCR)负荷的水冷壁压降、流量分配、出口工质温度和壁温沿炉高方向的分布特性等。结果表明:在20%和30% BMCR负荷,水冷壁螺旋管段的热偏差较小,热负荷分布均匀,水冷壁垂直管段出口蒸汽温度偏差较大,该区域更易出现温度超限的情况;在30% BMCR负荷时,锅炉可以以干态工况安全运行;在28.8% BMCR负荷时,水冷壁入口工质温度为280.0 ℃,锅炉干态运行时水冷壁壁温最高值超过450.0 ℃;在27.3% BMCR负荷时,锅炉干态运行时水冷壁壁温最高值超过500.0 ℃,此时可以通过转湿态运行或调节入口温度的方式降低壁温。
  • 动力设备与系统
    基于炉膛温度场的超超临界锅炉燃烧调整试验研究及优化分析
    王欢
    2024, 44(11): 1689-1695. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230589
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    火力发电机组在运行过程中燃烧温度场分布不均,会导致炉膛受热面超温、爆管以及形成烟气走廊等问题。通过对运行过程中锅炉温度场分布的判断,及时关注其运行状况并进行燃烧调整,以提高锅炉运行的安全性、稳定性和经济性。以某发电厂660 MW超超临界锅炉为例进行燃烧优化调整试验及数值模拟。结果表明:通过对各受热面温度以及燃烧器处壁温变化进行分析,同时结合制粉系统各粉管风速及煤粉浓度的偏差、燃烧器内和外二次风风量及强度、直流风风量大小的调整以及炉膛贴壁风的测量,发现不同磨煤机运行组合方式以及二次风配风方式等因素对锅炉运行存在较大影响,具体表现为壁温超温、燃烧器温度以及受热面还原性气氛等方面,进而影响锅炉的经济运行;调整后屏式过热器、高温过热器和高温再热器壁温超温现象消失,燃烧器不存在烧损情况,NOx生成量也在合理的范围内。
  • 动力设备与系统
    流动不均匀性对核电机组再热器换热的影响
    鹿纯彬, 邢天阳, 朱小良, 胥建群
    2024, 44(11): 1696-1703. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230598
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    再热器是核电机组中用于提高汽轮机功率并减少零部件腐蚀的关键设备,其壳程蒸汽轴向流动不均匀性对机组效率与安全有重要影响。对此,首先建立再热器的一维分布数值与仿真模型,进行不同工况的稳态验证与流量阶跃动态准确性验证。考虑到再热器内循环蒸汽分布沿管长方向有较强的流动不均匀性,对不同流量偏差系数下再热器管内外蒸汽的流动与换热进行了仿真研究。结果表明:额定工况下,循环蒸汽出口温度的变化与流量分布成反比,随着流量偏差系数增大,温度分布越不均匀;各管段再热蒸汽出口焓值与干度受到的影响较小,同时流量偏差系数越大,再热管束出口出现过冷现象的概率下降;设备低功率运行导致再热管束出口更易出现过冷现象,流动不均匀性的影响增大。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    水轮机系统分数阶调节方法
    周宇阳, 郭俊鑫, 董利江
    2024, 44(11): 1704-1711. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230558
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    针对水轮机系统分数阶模型的PIλ控制器,基于实根与复根边界在不同阶次λ下计算调节参数kp与ki的稳定域,分析其规律并以此为边界,利用频域分析方法在调节预设的剪切频率ωc与相位裕度φm条件下求取具体的kp与ki参数,使得分数阶PIλ控制器能够达到期望的跟踪性与鲁棒性。仿真试算结果表明:该方法的控制效果较佳,相比基于时间与绝对误差乘积积分(ITAE)指标的群智能方法,该方法的解析特性使其易于通过组态实现,从而在可编程控制器(PLC)或分散控制系统(DCS)上实现工程应用。
  • 数字化与智能化
    泛采样频率下基于VMD-MTSO-XGBoost的滚动轴承故障诊断
    赵雅强, 刘帅, 刘少康, 刘卫亮, 张启亮, 刘长良, 武英杰, 王昕, 康佳垚
    2024, 44(11): 1712-1722. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230549
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    针对机械振动监测系统加速度传感器采样频率不一致而带来的滚动轴承故障诊断速度与准确率降低等问题,提出了泛采样频率下基于变分模态分解结合改进金枪鱼群优化算法优化极端梯度提升树(VMD-MTSO-XGBoost)的滚动轴承故障诊断方法。首先,对振动信号进行小波降噪和降采样处理,得到泛采样频率下的降噪信号;利用变分模态分解(VMD)处理泛采样频率下的降噪信号,提取本征模态函数(IMF)分量指标构成故障特征向量。然后,利用Circle混沌映射初始化金枪鱼群优化(TSO)算法种群,增加初始种群的丰富性和多样性;并采用逐维变异方法对最优个体位置进行扰动,提升算法跳出局部最优的能力,增强算法全局探索能力。最后,利用改进金枪鱼群优化(MTSO)算法对极端梯度提升树(XGBoost)参数进行优化,建立滚动轴承故障诊断模型。采用所提出的故障诊断方法对凯斯西储大学公开数据集、德国帕德博恩大学公开数据集和实测数据集进行了验证。结果表明:在泛采样频率下,相比于其他3种模型,所提出的故障诊断方法可以更加高效、准确地识别滚动轴承故障。
  • 数字化与智能化
    基于ATVCF与IAOA-SDAE的变转速齿轮故障识别
    陈向民, 李博, 韩梦茹, 张亢, 姚鹏, 舒文伊
    2024, 44(11): 1723-1732. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230541
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    为提高变转速工况下齿轮故障识别的准确率,提出了一种基于自适应时变梳状滤波(ATVCF)与改进算数优化算法(IAOA)优化堆叠降噪自编码器(SDAE)的变转速齿轮故障识别方法。针对变转速齿轮振动信号的降噪,利用ATVCF方法预处理数据,在过滤噪声成分的同时保留有效信号;针对算数优化算法(AOA)在全局搜索和局部开发时存在的不足,引入余弦调控因子来改进算法中的数学优化器加速函数(MOA),以提升其全局搜索能力和局部开发充分寻优能力,并引入随机反向学习策略(ROBL)以增加算法的种群多样性,提升其搜索能力;此外,通过对IAOA-SDAE模型的参数寻优来确保模型的故障识别精度和稳定性。对变速齿轮振动测试数据的分析验证了所提方法在变速齿轮故障智能识别方面的有效性和优越性。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    我国能源行业实现碳中和的产业链情景分析
    谢昂均, 杨正军, 徐钢, 刘文毅, 薛小军, 刘启凡
    2024, 44(11): 1733-1740. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230561
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    基于已有成熟的能源技术,提出了一种能源行业实现碳中和的产业链,即将新能源发电、电解水制氢、生物质富氧燃烧、甲醇合成和甲醇重整等技术互补融合。该产业链可以实现提高可再生能源的消纳、整个过程碳零排放、氢气远距离储运以及降低石油对外依赖等。同时,对该产业链进行了情景预测研究,通过设置产能规模、电解水制氢的能量利用率以及氢气合成甲醇的能量利用率3个影响因素,从零碳甲醇产量、石油替代量、碳减排量、零碳甲醇生产成本等角度对产业链进行了对比分析。
  • 绿色低碳
    烟气冷凝法处理湿法脱硫烟气数值模拟与应用研究
    李健, 张莉
    2024, 44(11): 1741-1749. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230645
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    采用数值计算方法,对烟气冷凝法的烟气流动、传热、水蒸汽冷凝及SO2、NO脱除等过程进行数值模拟。在额定工况下,对烟气冷凝法的效果进行测试,验证该技术对烟气温降、烟气阻力、水蒸气冷凝、粉尘脱除以及SO2和NO脱除的效果。结果表明:在烟气超净排放的基础上,烟气冷凝法不仅能够回收烟气中的水分,还对烟气中SO2、NO、粉尘等污染物具有一定的脱除效果,能够进一步提升火电机组的环保性能;对比数值模拟结果和测试结果,烟气冷凝器出口温度、水蒸气凝结率、NO的脱除率偏差的数值模拟结果与测试数据基本一致,烟气流动压损数据偏差约9.9%,SO2脱除率数据偏差约14.7%,偏差在工程可接受范围内。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    计及风光不确定性的互补发电系统容量优化配置研究
    王筱, 李高青, 姬生才, 姜梦妍, 王社亮
    2024, 44(11): 1750-1759. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230578
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    为了应对未来大规模不确定性新能源远距离送电和安全经济并网,在兼顾火电灵活改造的基础上,需推进与新能源、灵活性储能的高效联合运行,以满足通道容量需求。以我国北部某大型可再生能源基地为例,计及风光的随机性和波动性,基于Copula函数的风光联合概率分布,构建多能互补容量优化配置模型,利用改进的麻雀搜寻算法求解得到最优容量配置方案,并采用夏、冬季典型日进行算例仿真分析,对比了不同装机规模的抽水蓄能电站对火电机组波动性、系统成本、运行条件及环境效益的影响。结果表明:多能互补发电系统既能改善运行条件,又能提高运行的经济性,环境效益显著。
  • 综合能源系统
    计及负荷跟踪性能的燃煤-碳捕集耦合发电系统运行优化研究
    范永胜, 陈显浩, 吴啸
    2024, 44(11): 1760-1768. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230543
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    针对燃煤-碳捕集耦合发电机组,提出一种计及负荷跟踪性能的系统运行优化方法。该方法基于燃煤-化学吸收燃烧后碳捕集耦合发电系统的稳态模型和闭环动态模型,综合考虑燃料成本、维护成本、碳排放惩罚和电负荷跟踪偏差惩罚成本等指标,优化燃煤-碳捕集耦合发电系统电碳指令。结果表明:相较于常规方法,所提方法可以将短时间尺度电负荷跟踪偏差惩罚成本降低25.86%,将系统运行总成本降低0.57%,实现燃煤发电机组与化学吸收燃烧后碳捕集系统的协同灵活运行。
  • 综合能源系统
    耦合太阳能的SOFC-MGT冷热电联供系统动态响应特性研究
    段立强, 张茂通, 郑楠, 刘路尧, 张汉飞
    2024, 44(11): 1769-1779. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240097
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    为了研究输入侧能量波动对分布式系统的影响,建立了耦合太阳能的固体氧化物燃料电池(SOFC)-微型燃气轮机(MGT)的冷、热、电联产(CCHP)系统动态模型。分析了太阳能直射辐射波动对系统关键参数的影响规律,研究了外界电负荷波动对系统性能的影响。结果表明:与未耦合太阳能的CCHP系统相比,新系统利用太阳能预热空气,制冷量和供热量分别增加了17%和9%,同时燃料量减少了1%;槽式太阳能集热器(PTC)的加入使系统发电效率随电负荷变化更加平缓,同时使最大发电效率点右移,有利于增大系统功率。
    • 燃气轮机技术专题
  • 燃气轮机技术专题
    数据驱动在透平叶片冷却设计中的应用进展
    高尚鸿, 汪翔宇, 张韦馨, 杨克峰, 丰镇平
    2024, 44(11): 1780-1789. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230608
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    从燃气轮机透平叶片冷却设计角度,总结了近年来国内外研究者对数据驱动方法的研究及其应用进展。介绍了数理统计、机器学习以及深度学习等3类数据驱动方法,阐述了数据驱动方法相对于实验和数值仿真的优势,重点归纳了数据驱动方法在对透平叶片冷却特性的预测和不确定性量化、对数值仿真中的湍流模型改进,以及对现有数据和知识的融合能力等方面的应用。基于当前研究热点和发展趋势,提出了燃气轮机透平叶片冷却设计中数据驱动方法下一步应重点开展的方向,包括发掘数据融合的潜力,提高泛化能力,降低数据成本,并进一步研究数据处理方法,对比不同数据驱动方法的优劣,发展适用于复杂冷却设计的数据驱动方法等。
  • 燃气轮机技术专题
    E级燃气轮机掺混富氢合成气的改造研究
    王杰, 徐林, 林张新, 邱志华, 叶旭东, 倪阳, 臧鹏, 卢康
    2024, 44(11): 1790-1796. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240222
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    对SGT5-2000E型燃气轮机进行了天然气燃料掺混富氢合成气的改造研究,分析了该型燃气轮机的富氢合成气掺混能力,提出了针对富氢合成气中H2和CO引起的技术问题的改造措施,并对比了掺混前后燃气轮机机组的性能参数。结果表明:该型燃气轮机最高可掺混体积分数为50%的富氢合成气;在掺混50%富氢合成气时,燃气轮机的性能参数达到设计要求,相关改造和改进措施均达到预期效果,提高了该型燃气轮机机组的运行灵活性,同时为同类掺混研究提供了参考。
  • 燃气轮机技术专题
    气动状态对涡轮叶片激振力与振动的影响
    刘日晨, 陈云, 王鹏
    2024, 44(11): 1797-1803. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240178
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    以某型存在高周疲劳失效现象的涡轮为仿真模型,采用涡轮三维非定常流场与固体振动响应分析耦合的计算方法,开展故障状态点的仿真。针对不同的涡轮膨胀比和涡轮反力度工况,对比分析了气动状态发生变化后动叶负荷分布和气动激振力的变化规律,以及叶片振动应力的相对变化趋势。结果表明:在进气工况不变的情况下,随着涡轮工作膨胀比的增大,叶片平均激振力、激振力幅值和振动应力呈明显增大趋势;随着涡轮反力度的增大,叶片平均气动激振力明显增大,但对应的激振力幅值和振动应力呈下降趋势。
  • 燃气轮机技术专题
    突扩整流孔板设计与多孔孔板尾迹发展的数值模拟
    但汉攀, 薛临风, 丁骏, 汪旦军, 蓝吉兵, 郑健生
    2024, 44(11): 1804-1810. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240190
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    为了研究压气机试验台进气系统突扩流动孔板的整流效果,设计了4套不同布局的孔板。采用数值模拟方法研究了突扩流动核心区域(简称"中心区域")开孔率和整个孔板孔分布对多孔孔板尾迹流和主流掺混过程的影响。结果表明:中心区域开孔率增大会使孔板四周区域分流不足,当中心区域开孔率增大到突扩上下游截面面积比的1.46倍时,中心区域分流流量占比达到其面积占比的1.88倍,稳压箱近壁面区域和角区尾迹涡合并增大,长度达到孔间距的17~24倍;为抑制近壁面区域和角区尾迹涡增大和变长,选取中心区域开孔率与突扩上下游截面面积比相当为宜;缩短中心区域孔后尾迹涡长度的最有效方法是缩小孔间距。
  • 燃气轮机技术专题
    旋流冲击下不同孔型发散冷却壁面耦合传热特性对比
    芦翔, 贾玉良, 葛冰, 臧述升, 韩君
    2024, 44(11): 1811-1818. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240196
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    采用红外热成像技术考察了不同冷气压降下圆孔、扇形孔和扩张孔的发散冷却特性。结果表明:由于旋流冲击效应,壁面出现局部低冷效区域,且与孔型无关;孔型变化仅影响壁面的冷却效果,增大冷却空气压降可改善冷效效果,低冷效区域的面积也随之减小;冷却孔型和冷却空气压降的差异会导致最低冷效点位置发生迁移;随着冷气速度的增大,该点位置向上游方向迁移;就均匀性而言,冲击点圆孔的最低效率比面积平均值降低14.3~27.5百分点,扇形孔和扩张孔的最低冷效与平均水平差别更大,冷效均匀性更差;扩张孔的综合冷却效率最高,但均匀性最差。