由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗特数神经网络模型,在RANS求解器中嵌入该模型,可以动态调整湍流的热扩散强度,获得了与LES高度一致的温度场。结果表明:PINN是构建数据驱动湍流模型的良好方法,对于湍流普朗特数的建模可以有效提升RANS方法对温度预测的准确性。

在碳减排背景下,燃气轮机燃烧室需要在出口温度不断提高的同时控制NO_x排放、提高功率调节范围和燃料适应性。为了应对以上挑战,燃气轮机厂商正在发展轴向分级燃烧技术。本文介绍了轴向分级燃烧原理,分析了轴向分级参数、交叉射流火焰形态、喷嘴结构和燃料种类对污染物排放和燃烧不稳定性的影响。现有研究表明,降低一级燃烧室当量比、增强二级燃烧室的掺混均匀性能够降低污染物排放;轴向分级燃烧室的热声振荡特性复杂,合理选取分级参数能够抑制振荡。轴向分级燃烧室的减排效益和工况调节能力已经在商业运行中得到验证。基于目前研究现状,展望了轴向分级燃烧技术的关键问题和未来研究方向。

重型燃气轮机联合循环效率可超过60%,是一种高效率的热功转换设备。燃气轮机具有的优异调峰能力使其在以新能源为主体的新型电力系统中发挥越来越重要的作用。概述了重型燃气轮机压气机的工作特点、结构特征和主要技术指标,重点介绍了国际主流燃机厂商典型型号压气机研制及技术进展。总结了重型燃气轮机压气机设计体系的研究进展,并基于我国重型燃气轮机研制现状,对标先进重型燃气轮机技术发展趋势,提出了通流气动布局优化技术、高性能叶型技术、跨音级叶片全三维设计技术、高度集成设计系统等重点技术发展方向。

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,NO_x生成量也在合理的范围内。

提出了一种以固体氧化物燃料电池(SOFC)/燃气轮机(GT)为原动机,以掺氢天然气为燃料的综合能源系统。建立了风光发电和制氢设备、SOFC/GT系统、冷热电能源转换和存储设备、碳捕集设备等多种类型能源利用设备的数学模型,在考虑多种负荷平衡约束、设备运行约束和"双碳"目标约束的情况下研究了综合能源系统的性能与经济性。结果表明:随着燃料掺氢比的增加,SOFC/GT系统发电效率从60.36％增加到64.79％,综合能源利用率从87.80％增加到90.80％;系统使用可再生能源制氢时,碳排放量最低,尽管考虑了碳交易收益,但高昂的制氢成本导致系统运行成本最高。

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。

中心拉杆转子是燃气轮机的核心部件,但转子运行工况恶劣、事故频发,需要开展复杂接触状态下多尺度、多载荷作用的强度研究,以保障叶盘结构运行安全。基于粗糙表面接触模型和三维有限元方法,建立了考虑微观界面尺寸和粗糙度的燃气轮机轮盘Hirth齿接触界面热固耦合特性分析模型,探究了接触面微观尺度参数以及端面齿宏观尺度几何参数的影响。结果表明:端面齿的最大等效应力随齿根圆角半径的增大、压力角的减小而减小;端面齿的最大等效应力和平均接触压力均随着表面粗糙度的增大而减小。

为实现降低碳排放的绿色环保目标,天然气掺氢燃烧成为燃气轮机的重要发展趋势。针对天然气掺氢燃烧特性,对自主研发的F级重型燃气轮机新型DeNO_x燃烧器展开全温、全压、全尺寸高掺氢比例的燃烧试验,从温度、排放、嗡鸣和加速度等性能参数分析燃烧器掺氢燃烧适应性。结果表明:该燃烧器在30%~40%掺氢比例,55%~100%基本负荷段的NO_x排放质量浓度均可控制在30 mg/m³以内;随着掺氢比例的增加,火焰转换发生在更低的负荷,有利于稳定升负荷,同时燃烧器出口温度升高,但未发生回火。

为分析来流畸变对燃气轮机压气机颤振特性的影响,建立了径向畸变的入口来流总压模型,基于影响系数法研究了不同相位角和不同畸变强度的径向来流总压畸变对压气机流场特征及气弹稳定性的影响。结果表明:相位角为90°和180°的径向来流总压畸变会使危险工况下的气动阻尼最小值有所增大,气弹稳定性提升;相位角为180°的径向来流总压畸变可以在所有叶间相位角下提高压气机的气弹稳定性;相位角为0°和270°的径向来流总压畸变均会提高压气机发生颤振的风险,需要尽量避免。

为改善空气冷却重型燃气轮机热力性能,提出了一种能够高效利用抽气能量的新型空气冷却燃气轮机系统并研究了其热力性能的变化。以传统典型F级燃气轮机不同环境温度下的性能数据作为对比基础,通过数值仿真分析了新型高效空气冷却燃气轮机中冷却系统设计参数变更条件下的系统性能指标变化,计算对比了3种运行模式下的热力性能。结果表明:新型高效空气冷却燃气轮机能够有效降低压气机抽气温度,进而改善燃气轮机热力性能。在夏季工况下,进口温度分别被冷却到30、20、15 ℃时,燃气轮机功率分别升高了25.92、40.49、48.22 MW,燃气轮机效率分别提升了0.78、1.19、1.40个百分点。

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。

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。

以某F级燃机压气机为研究对象,考虑燃机实际运行过程中腐蚀和磨损作用导致的压气机叶顶间隙变化,通过三维数值模拟方法开展了不同腐蚀/磨损状态下多级轴流压气机的性能退化机理研究,分析了叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙增大会导致压气机特性曲线整体向质量流量减小的方向偏移,使得压气机的质量流量、效率及压比均产生一定程度的衰退;随着叶顶间隙的增大,压气机峰值效率逐渐降低,喘振裕度明显降低;叶顶间隙增大会导致压气机通道内的流动分离加剧,动叶叶顶间隙变化对压气机流动分离的影响更严重;静叶吸力面尾缘附近的流动分离导致形成低马赫数区,同时逆流的低速涡团导致叶根附近的损失显著增大,造成压气机性能衰退。

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。

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。

为了深入研究关键参数对氢混重型燃气轮机总体和关键部件热力性能的影响,构建了氢混重型燃气轮机的热力性能计算模型,阐述了模型中关键参数的定义与设定。研究了不同氢气掺混比例、透平初温、压气机压比和冷却空气量等关键参数对燃气轮机功率和热效率等性能指标的影响,分析了不同氢气掺混比例下的透平气动参数变化,进一步揭示了掺氢对燃气轮机性能的影响机制。结果表明:氢气的掺混比例、透平初温、压比和冷却空气量是影响氢混重型燃气轮机性能的关键参数;掺氢比变化时,透平气流角、出口马赫数等透平气动参数的变化则影响透平气动性能和燃气轮机的热力性能。

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。

分析了燃氢燃机透平在导热/对流/辐射耦合作用下的流动传热和冷却特性,发展了能够计算高H₂O与CO₂分压比的灰气体加权和(WSGG)模型。结果表明:燃氢燃机工质中水蒸气含量增大导致金属壁面温度升高;加入辐射的影响后,H₂O和CO₂含量对传热的影响呈相反的结果,这主要是由于CO₂的对流传热能力强于H₂O,而H₂O的辐射能力强于CO₂;在对流、导热、辐射3种传热方式都存在的燃氢透平冷却耦合系统中,气膜冷却的速度场几乎不受影响,而温度场则深受耦合及辐射的影响,所定义的耦合条件下气膜冷却效率能够表征燃氢条件下气膜的冷却性能,因此在燃氢燃机透平冷却的设计中,燃氢导致的热负荷恶化需纳入设计变量中。

燃料轴向分级(AFS)燃烧技术是目前重型燃气轮机的先进低污染燃烧技术。为了揭示H₂/CH₄燃料种类和射流角对轴向分级燃烧的再燃区流场、火焰结构的影响规律,使用高频粒子图像测速(PIV)技术和OH^*基自发光技术,探究射流当量比为0.6、动量通量比为6时90°和45°射流角对不同种类的燃料轴向分级流场、再燃火焰结构的影响。研究表明:当射流角为90°时,射流根部会产生明显的回流区;射流火焰存在周期性脉动;当射流角为45°时,剪切层在射流根部不会产生明显的回流区,射流火焰燃烧更加稳定,燃料在低速区的化学停留时间更短,对于火焰传播速度快、容易回火的氢气燃料有较好的适应性;甲烷燃料掺氢增加了射流火焰的传播速度,随着掺氢比的增加,射流火焰从脱体火焰逐渐变为连续火焰,迎风侧射流火焰分支出现,反应区长度缩短并且变小,火焰强度增强,火焰根部向喷嘴出口移动并最终附着在射流喷嘴出口。

针对涡轮动叶凹槽状叶顶近压力侧气膜冷却设计的结构,设计了2条全肋条、1条全肋条和1条压力侧尾缘半肋条与1条吸力侧尾缘半肋条的3种凹槽状叶顶肋条布局设计。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和标准k-ω湍流模型研究了肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能,研究了4种吹风比下2条全肋条布局的凹槽状叶顶的传热冷却性能。在吹风比为1.0时,对比分析了典型凹槽状叶顶和3种肋条布局凹槽状叶顶的气动传热特性和气膜冷却效率。结果表明:数值预测的叶顶传热系数分布与实验测量结果吻合良好,验证了数值方法的可靠性;吹风比1.0时,全肋条凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;全肋条布局凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;相比于典型凹槽状叶顶,全肋条布局凹槽状叶顶能够使气膜冷却效率提高2.2%;压力侧半肋条布局的凹槽状叶顶具有最低的平均传热系数和总压损失系数;肋条布局通过调控叶顶涡系与冷气的迁移路径而显著改变了凹槽状叶顶的流场结构,进而影响气热性能和气膜冷却效率;全肋条布局的动叶凹槽状叶顶具有最佳的综合气热性能和气膜冷却效率。

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。

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。

在当量比0.3~0.5的条件下,针对旋流数为0.62与无旋流2种微混扩散燃烧器开展了试验研究,考察了旋流作用对微混扩散燃烧流场、火焰结构、NO_x排放以及燃烧不稳定性的影响。实验运用OH^*化学发光法与粒子图像测速(PIV)技术捕获了火焰与流动结构。结果表明:加入旋流能够通过改变流场结构,使火焰高度降低44%,进而缩短停留时间,最终实现NO_x排放体积分数减少63.4%;无旋流微混扩散火焰脉动的主要驱动因素是高当量比下火焰径向膨胀区的生成,而旋流的加入可以抑制径向膨胀区的生成,从而在宽负荷范围内实现抑制燃烧振荡的效果。

在全温全压条件下对自主研发的F级燃气轮机轴向分级燃烧室进行了燃烧试验研究,以探究设计点工况下燃烧室的压力损失、出口温度分布、火焰筒壁面温度、污染物排放、燃烧效率和热声稳定性等燃烧性能。结果表明:在设计点工况下,燃烧室总压损失系数为5.4%;燃烧室出口温度分布系数为0.06,燃烧室出口径向温度分布系数为0.03;燃烧室火焰筒壁面温度低于850 ℃;NO_x摩尔分数维持在1.9×10^-5 ,CO和未燃碳氢(UHC)排放基本为0,燃烧效率维持在99.99%以上;压力脉动各特征频率对应幅值均低于3 kPa,表明燃烧室热声状态稳定。

燃气透平叶栅端壁区域的流动呈现高度复杂的强三维特性,端壁冷却设计不仅需要考虑端壁强烈的二次流对冷却特性的影响,也需要考虑冷却布局对近端壁流动与换热特性的影响。针对燃气透平叶栅端壁冷却需求,结合数值模拟和试验测试方法,系统研究了不同冷气质量流量比条件下,离散气膜孔、泄漏流、端壁改型等措施对端壁表面气膜冷却、换热、流动及叶栅气动特性的影响。结果表明:采用合适的气膜孔射流角和布局、泄漏流冷却单元几何结构和端壁表面微尺度肋等方式可以有效提高端壁表面的气膜冷却有效度;上游槽缝及轮缘密封泄漏流可以对端壁上游及前半部分近吸力面区域提供较好的冷却保护,而叶片装配间隙泄漏流对于端壁下半部分靠近叶片吸力面区域的冷却更加有利;扇形气膜孔布置及曲线型装配间隙不仅能提高气膜冷却有效度,还可以有效控制气动损失。

以某F级燃气轮机燃烧室火焰筒为研究对象,考虑热障涂层及冷却结构对火焰筒气动传热影响,基于流热固耦合方法对额定工况下的火焰筒进行了内部流场、温度场和应力场分析,并将数值分析结果与火焰筒实际损伤情况进行对比。结果表明:数值分析结果的火焰筒高应力区域与火焰筒实际损伤区域基本吻合,采用流热固耦合方法可以预测火焰筒实际损伤情况;不同位置的热障涂层陶瓷层隔热效果相近;基体和热障涂层陶瓷层在冷却结构附近的区域均为高应力区域。

考虑电力市场多因素耦合对电力价格预测的影响,建立了基于长短期记忆(LSTM)神经网络的电力市场价格预测模型。设置历史新能源出力、外送电量、电力负荷等影响电力供需关系的边界因素作为LSTM学习参数,并进行数据预处理;优化LSTM神经网络的层数、迭代次数、学习率等模型参数,生成电价预测模型,得到交易日的电价预测曲线。通过算例仿真验证方法的正确性,构建某现货省份电力交易的预测场景,引入电价预测准确率评估指标。结果表明:该方法为日前出清电价预测研究提供参考,可为电力市场交易主体提供有效的竞价策略,并获取可观的电力营销收入。

为了提高利用过热蒸汽加热熔盐进行储热的系统能效,建立了集成三罐熔盐储热系统的燃煤机组系统构型,并在典型储热-放热工况下对燃煤机组的灵活性提升潜力和集成系统的热力学性能进行分析。结果表明:在30% THA工况下进行储热时,受汽轮机低压缸的最低蒸汽通流量限制,燃煤机组的输出功率最高可降低81.60 MW,占机组额定负荷的12.36%;而在50% THA工况下放热时,燃煤机组的输出功率最高可达52.45 MW,占机组额定负荷的7.95%;集成系统的等效循环效率受放热基准工况的影响,在50% THA工况下放热时的等效循环效率最大,可达75.35%,而在100% THA工况放热时的等效循环效率最小,为59.43%。

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。

为解决火电设备多参数耦合、渐变性故障诊断困难的问题,提出了一种基于套索(LASSO) 回归特征选择与双向长短期记忆(BiLSTM)网络多变量回归预测的故障预警方法。以某1 000 MW机组磨煤机为研究对象,选取磨煤机电流、出口压力、出入口差压作为表征堵磨故障的特征参数,采用LASSO回归选择特征变量,基于BiLSTM算法建立多变量回归预测模型;根据堵磨时特征参数的变化机理与模型预测值构建堵磨故障指数,最后利用核密度估计方法计算预警阈值,实现了堵磨故障预警。通过实际数据分析表明:磨煤机正常状态时,BiLSTM多变量回归预测模型的平均相对误差为1.13%,相比传统的误差反向传播(BP)神经网络和支持向量机回归(SVR)模型具有更高的精度和预测参数变化趋势的能力;磨煤机异常状态时,相比成熟的多元状态估计技术(MSET)算法模型能更早地发现磨煤机运行的异常状态,实现磨煤机变工况下故障早期预警。

相变材料(PCM)是一种有效的热能存储材料,具有广泛的应用前景,然而其固有的低导热性和低导电性极大地阻碍了其在热能存储领域的实际应用。通过将PCM与不同的能量转换材料复合,实现了多种能源与热能之间的高效相互转换,复合PCM在太阳能光热转换和电热转换与存储中发挥了关键作用。在光热转换领域,将高导热性的光热转换材料与PCM复合,优化了导热性能并且有效提升了储热容量、光热转换效率和太阳能利用效率。在电热转换领域,通过引入高导电性支撑材料制备电热复合相变材料,不仅提高了电热转换效率,还丰富了电能的利用方式。详细综述了光热和电热转换材料的最新研究进展,对其进行分类并分析了各类材料的优缺点,同时揭示了热能转换效率的提升机制,展望了未来发展方向和挑战,旨在为储能技术的进步提供新思路。

为验证燃煤机组掺烧大比例氨气的可行性,以某660 MW墙式切圆锅炉为例,建立数值模拟模型,分析氨气掺烧比例、氨气掺烧位置、一二次风配风方式对炉膛内燃烧的影响。结果表明:燃煤锅炉掺烧氨气会造成炉膛内烟气温度降低和NO_x的质量浓度增加;氨气掺烧比例越大,烟气温度下降与NO_x质量浓度增加的幅度越大;当氨气掺烧比例增加至40%时,炉膛内烟气的平均温度下降约50 K,出口NO_x质量浓度升高29.4%;采取更高层燃烧器掺烧氨气和提高一次风比例等举措,可在保证氨煤充分燃烧的基础上,降低炉膛出口NO_x质量浓度。

为满足传统火电机组灵活调节性能的需求,提出了一种数据驱动的超临界热电联产(S-CHP)非线性环境建模方法和基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的强化学习控制方法。首先,基于多层感知机(MLP)的深度学习算法与S-CHP机组动态特性,建立了数据驱动的非线性模型环境;进而基于深度强化学习算法,设计了契合S-CHP机组动态特性的演员-评委策略价值网络和S-CHP特定状态值与奖励函数,提出了一种TD3灵活控制策略以实现快速响应、保证供热及稳定运行的控制目标。结果表明:MLP模型环境与单层网络相比,在额定功率52%~93%负荷宽度下,均方根误差降低了51.7%;与传统协调控制方法相比,TD3控制策略具有更好的跟踪效果和更高的响应速率。

以某燃气加热炉作为研究对象,研究不同生物质气掺烧比下NO_x与CO₂生成协同规律。结果表明:与纯燃气燃烧相比,掺烧生物质气可降低炉膛火焰中心,炉膛烟温峰值和对流室出口烟温降低;当掺烧比为10%时,碳排放量减少25.3%,出口NO_x体积分数降低67.1%;掺烧比超过10%后,出口NO_x生成量缓慢下降;掺烧比为5%~10%时,CO₂和NO_x生成量呈正向协同趋势;掺烧比为15%~30%时,CO₂和NO_x生成量呈负向协同趋势;为协同降低CO₂和NO_x的生成量,最佳掺烧比为10%,此时炉膛出口CO₂体积分数最低为2.30%,NO_x体积分数为49.8×10^-6。

波浪是造成漂浮式风机功率波动的重要影响因素,并阻碍其规模化并网。为减小波浪对风机出力的影响,提出了一种基于波浪区间估计与预测的漂浮式风机功率控制方法。考虑漂浮式风机工作在额定风速以上区间的额定功率跟踪控制问题,建立了大惯性特性下带有输入时滞的漂浮式风机模型和波浪干扰模型,设计了一种基于波浪区间估计的波浪预测器,进而提出了一种基于波浪补偿与积分滑模控制的复合时滞控制策略。基于FAST-Matlab/Simulink联合仿真环境模拟半潜式漂浮式风机在所提控制策略下的运行状态,并与传统比例积分(PI)控制下的系统响应进行对比。结果表明:所提出的功率控制策略可有效补偿波浪干扰对漂浮式风机带来的影响,降低风机出力波动,可以为漂浮式风机控制系统的设计提供参考。

针对滚动轴承的早期故障诊断问题,深入研究了一种红尾鹰(RTH)算法参数优化特征模态分解(FMD)和1.5维谱相结合的滚动轴承故障诊断方法。首先,通过理论分析,设计出脉冲能量因子指标(PEFI),并将其作为适应度函数;其次,利用RTH算法并行搜寻FMD的关键影响参数组合,自适应地达到信号最佳分解效果;再次,通过PEFI选取分解后的最优信号分量,并进行包络解调运算;最后,计算包络信号的1.5维谱,在谱图中分析、提取轴承故障特征频率信息,实现轴承早期微弱故障的准确性诊断。模拟故障实验和工程案例分析结果表明:所研究方法解决了参数自适应的问题,大幅降低了噪声及其他干扰成分对诊断的影响,拥有良好的鲁棒性,能够有效提取轴承早期故障信号中的微弱特征信息,具有重要的实际工程参考价值。

针对某超临界CO₂(sCO₂)燃煤循环机组提出了一种压缩机性能预测模型,并将压缩机、透平和锅炉模型与循环系统进行耦合。结果表明:压缩机的特征尺寸与容量遵循0.5次幂定律;容量和额定转速提升时,等熵效率同步提高;入口参数趋近临界点可同时降低功耗并提升效率。当进口条件固定时,等熵效率随出口压力升高呈现先升后降的抛物线趋势,峰值对应最优压比;当循环机组的转速恒定时,热效率随容量增加呈抛物线分布,峰值出现在300 MW容量点;若转速随着容量协同优化,热效率曲线仍为抛物线,但峰值位移至600 MW容量点,这是透平效率提升与锅炉压降增大2种效应权衡的结果。

针对现有光伏功率预测模型精度和稳定性不足等问题,提出了一种以天空图像数据为基础,基于阳光大气辐射传输的简单模型(SMARTS)和LK光流法的光伏功率预测模型。利用SMARTS计算指定时间的晴空辐照度和太阳位置信息,同时通过LK光流法获取云层运动向量,使用云层运动向量推测未来时刻云层对太阳直射光的遮挡情况,再利用晴空辐照度和预测得到的太阳遮挡情况计算最终功率预测结果。采用天空图像数据集SKIPP'D对模型进行验证:在晴天环境下,将所提方法与Bird模型、Ineichen模型进行对比;在阴天环境下,将所提方法与长短期记忆(LSTM)神经网络模型、卷积神经网络(CNN)模型进行了对比。验证了该方法在短期光伏功率预测方面的有效性。结果表明:阴天环境下,所提方法能够准确地捕捉云层变化对光伏发电功率的影响,模型决定系数R²大于90%,预测精度和稳定性都明显优于对照模型。

基于Aspen Plus软件建立了高温钙基吸附剂碳捕集的系统模型,开展了1 000 MW燃煤机组烟气CO₂捕集工艺流程模拟研究。针对煅烧炉煤富氧燃烧供能存在的高能耗与污染物排放问题,提出采用外部电加热供能方式为煅烧炉提供热量。详细考察了烟气进入碳捕集系统后,系统关键性能参数的变化;在此基础上分析了系统的能量和物质守恒情况,以及不同操作参数对系统性能的影响。结果表明:当1 000 MW燃煤发电机组增加碳捕集系统后,发电热效率将下降26.11%;碳化炉温度稳定在645 ℃时,CO₂捕集效率可达92.13%;煅烧炉温度设定在900 ℃时,CaCO₃会分解得更彻底;碳酸化炉温度的提升会减少煅烧能耗并提高发电热效率,而煅烧温度的升高会增加能耗并降低发电热效率;钙碳摩尔比的增加导致钙基碳捕集系统的固体循环量增加,而钙基吸附剂的平均碳转化率则呈现出负相关性。