碳烟是燃烧中关键的辐射产物,对能效和污染物排放具有显著影响。然而,碳烟生成过程的复杂性使得现有模型大多依赖复杂化学反应机理,导致计算成本较高,限制了其在工程应用中的推广。为此,利用ANSYS-Fluent软件中的用户自定义函数,嵌入了层流烟点模型和全光谱k分布辐射模型,以高效模拟乙烯层流扩散火焰中的碳烟生成和辐射特性。使用互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)相机和傅里叶红外光谱仪对不同掺混比条件下的碳烟浓度场和光谱辐射强度进行了测量,用于验证模型的有效性。结果表明,提出的模型通过一步化学反应和一个额外的物质输运方程,就能够准确捕捉火焰中碳烟分布的形态特征,在不同高度下的碳烟径向平均体积分数分布与实验数据具有良好的一致性。同时,不同高度下的光谱辐射强度模拟结果与测量值匹配良好,验证了该模型的高效性和准确性,为火焰碳烟生成与辐射特性工程计算提供了一种可靠的工具。

与单独的燃烧过程相比,甲烷与氢气混合燃烧具有减少碳排放和提高能源灵活性的优点。采用分子模拟的方法研究了甲烷和氢气在空气和富氧气氛反应体系中的共燃特性。结果表明:由于CO₂在低温下呈化学惰性,高CO₂体积分数下CH₄的消耗速率小于空气气氛下,而在高温条件下,CO₂的快速氧化性加速了甲烷和氢气的消耗。在空气气氛和富氧气氛中,当掺混氢气比例为0.5时,氢气促进了甲烷的燃烧。环境压力的升高可加速甲烷和氢气的燃烧,但在富氧条件下,CH₄的消耗率比空气气氛中低,主要原因是压力的升高强化了CO₂的分子间作用力,使其呈现化学惰性。随着O₂体积分数的增加,2种气氛下CH₄和H₂的燃烧速率均有所增加,但空气气氛下CH₄的消耗速率大于富氧气氛下。温度、掺氢比例、压力和当量比对甲烷掺氢燃烧的整体反应路径影响较小,但反应气氛会通过影响某些关键反应的初始反应时间进而影响气体燃烧速率。

P92钢由于具备优异的高温综合性能而大量应用于超超临界机组的高温部件(蒸汽管道、联箱等)中,但目前迫切需要开展材质退化机理及有效监督手段研究,以保障机组长时安全运行。对电站高温部件用P92钢的原始材质开展微观组织、力学性能检验评价;持续10 a跟踪了高温高压服役环境下材质特性、微观亚结构的变化特性,总结了组织、性能的变化规律并开展了服役退化机理研究;在此基础上,建立了92级钢在全寿期中材质的硬度、组织与老化级别的对应关系,提出了便捷无损的服役监督方法。结果表明:所提出的方法为核电站9Cr钢部件的监造、材质评价、运行监督等方面提供了参考依据。

针对新型低NO_x轴向旋流燃烧器(优化前燃烧器简称原型燃烧器)存在的中心风管磨损和低负荷稳燃性能较差的问题,取消了燃烧器的中心风结构(优化后燃烧器简称优化燃烧器)。对上述2种燃烧器进行了实验室1∶4冷态单相模化试验,研究有无中心风结构对燃烧器出口流场的影响。同时,在采用上述2种燃烧器的燃用烟煤350 MW对冲燃烧锅炉上开展了工业试验。结果表明:原型燃烧器和优化燃烧器均在燃烧器出口形成了环形回流区,而优化燃烧器的回流区面积更大,回流区高度由0.07 m(0.2d,d为外二次风扩口直径)增大至0.1 m(0.28d),回流区高度增大了43%。优化燃烧器的着火距离约为1 m,原型燃烧器的着火距离约为1.15 m,优化燃烧器着火提前,O₂含量下降和CO生成得更早更快。

低雷诺数涡轮叶栅流动的数值模拟结果与计算边界条件和湍流预测能力有关。应用集合卡尔曼滤波法,建立了基于少量实验测量数据与雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程计算流体力学(CFD)解的数据同化方法,并且在2种典型涡轮叶栅上验证了该方法。通过导向叶栅尾迹形态的测量值修正叶栅计算域入口的速度分布。同化后尾迹损失的平均相对误差减小了30%。在PakB叶型上,以叶片表面静压测量值同化剪切应力输运(SST)模型的8个预设常数。同化后叶片表面静压系数的平均相对误差减小了21%。基于实验测量的数据同化降低了CFD模拟中的不确定度,提升了RANS方程分析涡轮低雷诺数流动的可信度。

针对重型燃气轮机动叶片的可靠性运维需求,通过降阶处理数值仿真结果,结合本征正交分解降阶技术和数据驱动的机器学习回归拟合方法,发展了一种轻量化建模方法,从而实现利用拉森-米勒法对蠕变寿命的快速预测。结果表明:所提出的降阶模型在5个危险节点下对叶片蠕变寿命的预测精度误差最大不超过5%,同时降阶方法对温度场和应力场的计算效率分别是传统仿真方法的9.00×10⁵倍和1.50×10⁵倍。相关研究结果可以为重型燃气轮机动叶片的在线运维监测提供重要的理论和方法支持。

为提高重型燃气轮机的燃烧性能及降低污染物排放,探究了燃料孔布置方式对天然气旋流喷嘴燃烧及排放特性的影响。依据叶片形状,共设计4种开孔方案,2种为布置于叶片中心,2种布置相对分散。对比4种方案在100%负荷工况下冷态燃料掺混性能及燃烧热态性能。冷态计算结果表明:当燃料孔集中布置于叶片中间位置时,其与空气混合效果较差,燃料主要集中于旋流器叶片根部区域而无法向周向分散;喷嘴出口当量比平均不均匀度可达15.19%;而分散布置方案中,其燃料掺混性能良好,喷嘴出口当量比平均不均匀度仅为1.49%。热态计算结果表明:当燃料孔集中布置时,其燃烧会产生局部高温区域,导致局部NO_x排放量增加;而分散布置方案中,燃烧温度未超过1 800 K,其NO_x排放量处于较低水平。综合分析得出,燃料孔应尽量分散布置,外侧孔可贴近旋流叶片外缘,而内侧孔应适当远离叶片根部。

针对高温固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合发电系统(SOFC-GT)技术,讨论了SOFC-GT系统的示范性工程、半物理实验平台和计算机仿真等研究的研究进展以及面临的挑战,展望了其未来"高效清洁、联合循环、微型分布式发电"的发展特点,以及相应的燃烧室、透平设计等延伸技术。

短期风电功率预测对电力系统的实时调度至关重要,可靠的风电预测不仅能够保障电力系统的安全运行,还能提升电网的运行效率。为了获得更加准确、可靠的风电功率预测结果,针对风电功率数据的非线性和时序性特征,提出了一种将特征相似日和CNN-BiLSTM-Attention相结合的短期风电功率预测方法。首先,充分考虑气象因素对风电输出功率数据的影响,利用 Spearman相关系数筛选出与风电输出功率最相关的气象因子作为模型的输入参数。其次,采用高斯混合模型(GMM)对风电数据进行聚类分析,通过手肘法确定最佳的聚类簇数,并结合特征相似度和余弦相似熵方法,确定待测日与历史数据中最相关的聚类类型。最后,使用 CNN-BiLSTM-Attention模型进行训练,深度挖掘风电功率的时序特征,获得更加精准的风电功率预测结果。以新疆地区的实际风电功率数据为例进行了仿真分析,验证结果表明该方法的预测精度较高,能够为电力系统的规划与稳定运行提供有力支持。

为研究大型垂直轴风力机(VAWT)在不同并联布置间距时的功率提升情况,以及明确其在不同维度下尾迹流场的特性及差异,以大型三叶片H型VAWT为研究对象,通过计算流体动力学方法分析了不同维度下VAWT机组并联间距对其气动性能及流场特性的影响。结果表明:在相同布置间距下,二维与三维并联布置VAWT输出功率均有所提升,其中在间距1.50倍风轮直径时提升程度最大,但二维模拟所得功率提升程度显著大于三维;三维模拟时VAWT风轮内部流场特性较二维更复杂,单周期内叶片峰值产生小幅波动;此外,当并联布置间距过小时,VAWT机组之间的流体加速通道现象会被削弱,功率提升程度下降,三维涡管可视化图显示尾迹中的涡更难以消散,尾迹恢复需要更长的距离。

风电有显著的间歇性与随机性特征,其输出功率随风速变化剧烈波动,特别是在电网疏散、渗透和并网方面,给电力系统的管理带来许多挑战。风功率预测技术作为缓解风电不确定性的核心手段,对提升电网稳定性、降低弃风率、优化电力市场交易及推动风电可持续发展具有重要意义。系统地解析了风功率预测的类型划分、基本原理架构及主流方法,深入对比物理建模法、统计分析法、机器学习法、组合法等风功率预测方法的适用场景、优势、局限及评价指标体系。在此基础上,全面综述预测精度提升的关键技术路径,涵盖多源数据融合、深度学习算法优化、误差校正机制等前沿研究方向,并总结最新研究成果。最后展望了风功率预测技术的未来发展趋势,提出基于数字孪生、强化学习与气象耦合建模的创新解决方案。

为了推动高效率、大规模储能技术发展,保障电网供需平衡,提出了一种低压亚临界压缩二氧化碳储能系统,建立了静态和动态模型,对系统不同运行模式下的充、放电过程进行热力学性能和经济性分析。结果表明:典型工况下系统储能效率约为63.37%;稳态过程中充电所消耗的电量、放电所产生的电量均高于动态模拟结果,不同模式下系统储能效率为24.86%~58.65%;结合上海市分段电价,系统投资回收周期为5.98~7.45 a,提升压缩机和膨胀机的等熵效率均有利于提升系统储能效率,缩短投资回收周期。

为研究相同级数下跨临界压缩二氧化碳储能(TC-CCES)系统和超临界压缩二氧化碳储能(SC-CCES)系统的性能特点,通过Matlab软件建立基于布雷顿循环的压缩二氧化碳储能系统模型,分析系统的热力学性能和损分布并进行敏感性分析。结果表明:在设计工况下,SC-CCES系统的循环效率、效率和储能密度分别为66.78%、58.43%和255.63 kW·h/m³,TC-CCES系统的循环效率、效率和储能密度分别为61.21%、54.30%和545.69 kW·h/m³;损分析表明改善换热器的性能可有效提高2种系统的效率;提高储能压力和释能压力以及环境温度接近CO₂临界温度时,2种系统的循环效率和效率均会升高,而降低级间冷却器水温可提高TC-CCES系统的性能,但对SC-CCES系统性能的影响不大;在二级压缩、二级膨胀条件下,SC-CCES系统具有较高的循环效率和效率,而TC-CCES系统的储能密度是SC-CCES系统的2倍左右。

基于声-固耦合方法模拟分析了某商用50 MW塔式光热电站熔盐储罐的模态特性,研究了锚固方式对满液位熔盐储罐液晃特性的影响,并探讨了不同液位高度和运行温度等参数对非锚固熔盐储罐模态频率的影响。结果表明:满液位下非锚固熔盐储罐前3阶易出现刚体位移振型,且3~20阶的液晃频率与锚固罐相比差异显著,因此宜选用非锚固方式对熔盐储罐进行模态分析;不同液位下储罐的液晃频率随液位高度的升高而增大,且各阶液晃频率均低于空罐的固有频率,空罐自振周期在0.06~0.1 s,而液晃周期长达2~15 s,表明充盐状态下的储罐液晃频率在长周期地震波激励作用下极易发生共振现象;运行温度对熔盐的液晃频率影响不大,但预热温度对空罐的固有频率影响显著,运行温度升高100 K时空罐的最高阶固有频率仅降低2.5%,为避免预热状态下大容量熔盐罐体在高频地震波作用下产生失稳现象,实际工程中对熔盐储罐结构进行抗震设计时应考虑预热温度对空罐体频率的影响。

为了掌握在加压条件下碱/碱土金属对生物质炭气化反应性的影响,以在800 ℃下热解制备的生物质炭为研究对象,分别用去离子水和稀盐酸溶液对该热解生物质进行预处理,在不同气化剂、温度及压力条件下,在金属丝网加压反应器中针对原始生物质炭及2种预处理样品进行了气化研究。结果表明:水洗后的样品中大部分钾和部分钙镁可以被脱除,在酸洗后的生物质炭样品中没有检测到碱/碱土金属;在850 ℃时,气化反应性不受压力影响,而在1 000 ℃时压力对气化反应性具有促进作用;水溶性的钾和钙显著增强了CO₂和水蒸气的气化反应性,且其催化作用在高温下得到增强,水不溶性的钙仅略微提高了气化反应性;在850 ℃下,所有样品的CO₂分压反应级数接近0,在1 000 ℃时反应级数大于0。

为解决现有齿轮箱故障预警方法中特征冗余、预测精度低、泛化能力弱及误报率高的问题,提出了一种基于神经基拓展分析的预警方法。该方法将Sigmoid函数曲线与基于密度的空间聚类算法相结合,从原始数据中提取正常监测数据;通过改进的灰色关联度算法为不同数据点赋予权重,深度挖掘变量信息,从高维监控与数据采集系统采集的数据中提取与齿轮箱油温相关的特征变量;利用局部非线性投影将目标信号分解为基函数,实现对齿轮箱状态变量的高精度预测;通过滑动窗口和置信区间设置故障阈值,减少误报率。最后,基于实际风场数据进行验证。结果表明:在齿轮箱状态预测中基于NBEATSx模型的故障预警方法显著提升了预测精度,较传统模型降低了误报率,具备提前数小时预知故障的能力,从而有效保障了风电机组的稳定运行。

提出了一种考虑风机运行特性的劣化态势感知算法。首先,提出了一种基于损伤累积理论的动力学劣化态势指标,通过Hertz理论计算轴承劣化度(DL);其次,提出了一种结合混合长短期记忆(LSTM)-CatBoost预测器(HLCP)的劣化预测方法,通过引入轴承转速作为时间序列输入的方法,考虑风机运行特性的影响,预测劣化度增长值;基于仿真模型计算轴承损伤临界值,从而预测轴承剩余寿命;最后,使用我国北方某风电场的振动和数据采集与监视控制系统(SCADA)数据进行验证。结果表明:所提出的劣化态势指标在预测趋势与历史趋势上的相似度约为74.42%,具有明显的趋势性和单调性;基于HLCP模型得到的剩余寿命预测结果与实际失效时间的误差仅为640 h,相较于未考虑风机运行特性的预测方法,误差减少了16 461 h。

传统Riccati传递矩阵法难以准确反映发生故障时汽轮机转子的动态特性,同时危险截面的判定主要基于交变应力幅,而忽略非零平均应力的影响可能导致疲劳损伤估算产生偏差,本文提出一种改进的评价方法,以故障前稳态运动参数为初始值,通过三点插值法实时计算各轴段非稳态下的运动状态,获得故障被检测时的真实响应,同时基于Goodman理论,在考虑平均应力的影响下,对疲劳损伤进行修正,以某600 MW汽轮发电机组的轴系为例,分析次同步频段内2种共振引起的疲劳损伤。结果表明:改进的响应计算方法显著降低了非稳态因素导致的误差;针对危险截面的判定需综合考虑次同步振荡激励的成分和强度。

为提高污泥焚烧过程中SO₂排放的预测精度以优化焚烧与烟气处理工况,提出了一种高效稳定的SO₂排放混合预测模型。首先,以鼓泡流化床污泥焚烧系统为研究对象,从火焰图像中提取静态与动态火焰特征,并结合分布式控制系统(DCS)参数构建输入特征,SO₂排放浓度设为模型输出。然后,利用互信息(MI)确定SO₂与各输入特征的最优滞后时间并据此进行数据重组。最终构建基于树结构的贝叶斯优化(BO-TPE)的极端随机树(ERT)预测模型,并与多种主流预测模型进行性能对比。结果表明:基于BO-TPE优化的ERT模型相关系数R²为0.93,平均绝对百分比误差(MAPE)小于3%,适用于污泥焚烧系统SO₂排放的在线预测与过程优化控制。

针对生物质厌氧发酵过程中沼液与沼气处理工艺中设备复杂、能耗高、耐久性差等问题,设计了一种基于超双疏膜接触器的新型一体化集氨固碳装置,集成了直接接触式膜蒸馏、膜吸收法等多种技术优势,在降低设备复杂性的同时,有效提升了系统工艺流程的能源利用效率。并通过实验系统地研究了一体化装置的氨氮回收和碳捕集性能。结果表明:以低表面张力氨液作为进料液时,膜接触器的液滴接触角大于150°,并在48 h内保持稳定运行;以气体循环式工艺流程运行时,当进料液侧温度达到70 ℃时一体化装置的氨回收率由45%提升至97%,CO₂脱除率超过95%,渗透液侧的CO₂脱除速率可超过4.3 mol/(m²·h),实现了沼液和沼气处理过程中的废弃物资源化高效利用。

随着可再生能源的广泛应用,综合能源系统的运行复杂性和不确定性增大,传统的调度方法难以高效应对多能流、强耦合等问题。因此,构建了一个涵盖光伏、风力、氢气、蓄电池、热泵和燃料电池等设备的综合能源系统模型,结合深度强化学习深度策略梯度(DDPG)算法,以实现在不确定性工况下的能源调度优化。结果表明:DDPG算法能够有效解决多能流协同调度问题,在不同负荷需求和能源供应条件下,实现了电、热、冷、氢的供需平衡和能源高效利用;通过训练,系统在面对不同的不确定性工况下展现出良好的调度能力和适应性,能够灵活应对能源的波动。

由于构建新型电力系统迫切需要能够客观反映系统能效评价的方法,基于系统工程的观点和现代电力系统热经济性状态方程,构建了与电厂热力系统结构一一对应的系统汽水分布状态方程、输出功和循环吸热量的传递与分析通用方程。基于此,将碳捕集、储能、风电、光电、光热作为辅助系统,探究了其与火电机组热力系统的集成机制,提出了一种考虑碳捕集系统的新型风光火储互补复合发电系统,建立了多能互补复合发电系统能效评价计算通用方程。最后,通过实例对所提方法进行了验证。结果表明:本文方法具有通用、精确和计算机程序化的特点,使得复杂系统能效整体计算和局部分析更加清晰,为清洁低碳的新型电力系统能效评价提供了理论支撑。