动力工程学报

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综述

“双碳”目标下我国能源低碳转型路径及建议

李政, 张东杰, 潘玲颖, 李天枭, 高俊伟

2021, 41(11): 905-909. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.001

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携手应对全球气候变化已经成为国际社会的广泛共识，中国作为全球应对气候变化的重要参与者和积极实践者，已将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。推进碳达峰、碳中和战略是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，其中能源系统低碳转型将是实现"双碳"目标的关键。在当前经济社会发展水平下，应采用"两步加速"的总体发展方案，近期可通过加快发展非化石能源，确保2030年前碳达峰，并实施以2℃温升目标和1.5℃温升目标为导向的长期转型路径，力争在2060年前实现碳中和。为保证"双碳"目标的实现，应大力加强高比例可再生能源及配套技术、煤电行业低碳转型路径以及碳捕集、利用和封存等关键技术或规划问题的研究。

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综述

超临界CO₂动力循环高温材料腐蚀研究进展

梁志远, 桂雍, 赵钦新

2021, 41(11): 910-917. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.002

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超临界CO₂动力循环具有效率高、结构紧凑、噪声小等优点，可应用于舰船动力、核电、光热发电等领域。该循环的长时运行依赖于工质与材料的相容性与化学稳定性。超临界CO₂中典型耐热钢及合金的腐蚀特性方面已形成部分理论共识：铁素体耐热钢的抗腐蚀性能劣于奥氏体耐热钢及合金；超临界CO₂中C的扩散反应形成复杂碳化物，在一定程度上降低了耐热钢及合金的高温强度；超临界CO₂中的微量杂质H₂O会加速耐热钢及合金的腐蚀；表面预氧化、渗铝和涂层等处理可提高耐热钢及合金的抗腐蚀性能。应力作用机制、蠕变疲劳交互作用、渗碳无损检测、定量诊断和腐蚀寿命预测将成为未来超临界CO₂动力循环高温材料腐蚀深入研究的重点方向。

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锅炉技术

基于渣层增长模型的水冷壁背火侧温度表征特性

杨建国, 臧慧敏, 邓芙蓉, 谢晓强, 赵虹

2021, 41(11): 918-925. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.003

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以某台600 MW超临界锅炉为研究对象，提出了渣层增长模型，考虑焊脚结构对导热的影响建立了结渣水冷壁物理模型，并采用Fluent模拟了不同工况下结渣水冷壁的温度分布，根据240组工况模拟结果，分析了背火侧温差与锅炉关键运行参数的关系。结果表明：渣层表面温度主要取决于炉膛烟温的变化，背火侧温差（背火侧管壁中点与背火侧鳍片中点之间的温差）受结渣影响明显，可作为诊断结渣厚度的特征参数；背火侧温差与炉膛烟温呈接近线性的正相关关系，其随管内工质对流传热系数的增大而减小，并趋近于一个恒定的温度；在锅炉正常负荷范围内，管内工质对流传热系数对背火侧温差的影响要小于炉膛烟温，但工质温度对其影响基本可以忽略。

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锅炉技术

粒径对贫煤空气分级NO_x排放特性影响的试验研究

王勇强, 陆方, 周月桂

2021, 41(11): 926-932. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.004

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采用煤粉燃烧自维持一维试验炉进行了不同煤粉粒径贫煤的单级和多级空气分级燃烧试验，研究了煤粉粒径对煤粉空气分级燃烧NO_x排放的影响，探索适用于贫煤空气分级燃烧的煤粉粒径参数和分级级数，以实现较低的NO_x排放。结果表明：粒径影响炉内煤粉颗粒燃烧过程和NO_x生成特性，细煤粉颗粒的燃烧速率更快，在炉内易形成还原性气氛，有利于抑制NO_x生成和促进已生成的NO_x的均相异相还原反应；在深度空气分级燃烧条件下，粒径减小对于降低NO_x排放的作用更加显著；采用多级空气分级燃烧能够进一步降低NO_x排放量。建议在实际燃用贫煤的锅炉中，采用两级空气分级燃烧和平均粒径为22.78 μm的细煤粉相结合的燃烧技术方案，此时NO_x质量浓度可减少27.9%。

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锅炉技术

N₂和CO₂稀释对氢气-空气湍流扩散燃烧及NO生成特性的影响

黄章俊, 唐志峰, 田红, 李鹏飞, 李录平, 宋权斌

2021, 41(11): 933-941. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.005

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采用18组分47步H₂-N₂-CO₂反应机理模型、可实现k-ε模型及涡流耗散概念（EDC）模型研究了N₂和CO₂稀释作用对氢气-空气同轴射流湍流扩散燃烧过程的影响。结果表明：2种稀释剂均能有效降低氢气燃烧温度，降低NO质量分数，且NO峰值质量分数随着火焰峰值温度的升高而上升；与稀释剂N₂相比，CO₂对降低氢气燃烧温度和NO质量分数的效果较好；2种稀释剂对火焰峰值温度及NO峰值质量分数的影响是非线性的，随着稀释率的增大，稀释剂降低火焰峰值温度的效果明显增强，而抑制NO生成的效果逐渐减弱；当稀释剂为N₂、稀释率为0.5或稀释剂为CO₂、稀释率为0.3时，能使火焰峰值温度处于中等水平情况下NO峰值质量分数依然较低，有利于实现氢气的高效低污染燃烧。

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汽轮机与燃气轮机

1 000 MW核电汽轮机低压缸台板圆垫铁载荷分布优化

梅子岳, 姜伟, 纪道辉, 谢诞梅

2021, 41(11): 942-949. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.006

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针对汽轮机汽缸载荷分配不均的问题，以某1 000 MW核电汽轮机低压缸为研究对象，基于有限元分析方法研究了冷态及带负荷工况下低压缸变形量、刚度、支撑受力和台板圆垫铁载荷分布。根据圆垫铁载荷随标高的变化规律，提出使得圆垫铁载荷均匀分布的优化方案。结果表明：同一标高下，圆垫铁载荷分布不均匀；冷态工况下台板外侧圆垫铁所受的载荷最大，占汽缸总载荷的14.87%，是圆垫铁最小载荷的6.4倍；100%额定负荷工况下，圆垫铁的最大载荷与最小载荷的比值下降到3.7；在各圆垫铁与台板均不分离的情况下，圆垫铁载荷与单一标高均为线性关系；相邻圆垫铁标高差小于0.015 7 mm时，其载荷占比变化量小于1%。

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汽轮机与燃气轮机

流向涡对扇形孔气膜冷却效果影响的实验研究

崔晓峰, 刘鹏敏, 林翅翔, 戴韧

2021, 41(11): 950-958. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.007

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在平板气膜实验台上安装涡流发生器（VG）来模拟叶栅中的流向涡，利用红外相机测量吹风比M=0.5~2.5时的气膜冷却效率和传热系数，分析二次流对扇形孔气膜冷却效果的影响。结果表明：流向涡增强了主流与气膜射流的掺混，导致气膜绝热冷却效率明显下降以及覆盖面积减小，气膜面平均冷却效率最高降低了63%；当吹风比达到2.5时，流向涡能抑制扇形孔射流在高吹风比时的吹离趋势，抵消了部分主流与冷气掺混导致的气膜横向平均冷却效率降低的影响；流向涡使气膜与壁面的横向传热系数比增大了3.5%，壁面的热通量比最高上升了20%，在低吹风比时气膜失去了对壁面的保护作用。

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监测与测量

降膜过程中液膜厚度和温度同步测量系统研制

王子杰, 孔帅帅, 许晓妍, 陈军, 苏明旭, 杨荟楠

2021, 41(11): 959-965. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.008

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针对金属圆管外降膜过程中关键参数的高精度测量，研制了基于双波长激光吸收光谱技术的液膜厚度和温度同步测量系统，利用该系统对不同工况下竖直和水平金属圆管外降膜过程液膜厚度和温度进行同步测量，同时结合图像法和热电偶对该系统的测量精度进行验证。结果表明：不同方法测得的金属圆管外液膜厚度和温度的变化趋势吻合良好，二者最大平均偏差分别为4.3%和3.8%；该系统有望为深入研究液膜形成、流动及蒸发过程提供高精度、高灵敏度和无干扰的测试手段。

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监测与测量

锅炉密闭空间无人机定位导航系统设计

汪勇, 华志刚, 陈建国, 朱继涛, 吴宏亮, 范佳卿, 林润达

2021, 41(11): 966-971. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.009

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设计了一种具有普遍适应性的无人机定位导航系统，在LOAM算法的基础上提出了基于三维激光雷达、惯导、气压计的多传感器融合算法，并在机器人操作系统（ROS）环境下的Gazebo软件中对该算法进行了仿真。结果表明：在锅炉炉膛内，以理想GPS环境作为参考，无人机位置在x轴和y轴方向的位置误差均在0.5 m以内，可以精准控制飞行。

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环保技术与设备

新型喷淋鼓泡塔钙基吸收烟气中气相As₂O₃实验研究

司桐, 郭雨生, 张月, 王春波

2021, 41(11): 972-978. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.010

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在喷淋鼓泡塔实验台上研究了新型喷淋鼓泡技术对气相As₂O₃的吸收特性，探讨了液气比、浸液深度、CaCO₃质量分数和进口SO₂体积分数等因素对脱砷效率的影响。结果表明：脱砷效率随着CaCO₃质量分数的增大先提高后降低，随液气比的增大而不断降低；增大浸液深度会使脱砷效率不断降低，这主要与鼓泡阶段散射孔与液面之间的压降变大、气液反应不充分密切相关；脱砷效率随进口SO₂体积分数的增大先提高后降低，当进口SO₂体积分数达到15×10^-4时，脱砷效率达到最高；主要工艺参数对脱砷效率的影响大小依次为CaCO₃质量分数、液气比、进口SO₂体积分数和浸液深度。

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环保技术与设备

TiO₂相结纳米棒制备及其光催化深度脱除烟气汞的实验研究

赵晏锋, 任思源, 吴江, 季仲昊, 马前, 杨茉

2021, 41(11): 979-983. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.011

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采用溶剂热法制备了不同形貌和不同晶相掺杂的TiO₂相结纳米棒，研究不同物质的量比下TiO₂的形貌及相结对光催化氧化脱汞性能的影响。结果表明：TB、ET、HAc与LiAc物质的量比为1∶20∶20∶5时，TiO₂纳米棒的性能最佳，光响应范围可扩展到可见光；在可见光下光催化脱汞效率达到44.7%，且光催化剂的稳定性良好。

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新能源

基于升力面自由尾迹的深海浮式风力机全耦合模型仿真研究

高伟, 尹凡夫, 沈昕, 黄亚振

2021, 41(11): 984-990. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.012

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采用基于升力面自由尾迹的气动预测方法构建浮式风力机全耦合模型，采用多体系统动力学模型描述浮式风力机系统的运动响应，基于准静态假设计算系泊系统的系泊力，基于改进Morison公式计算水动力。结果表明：采用全耦合模型计算得到的叶尖涡轨迹预测值与实验值吻合良好；基于全耦合模型预测得到的浮式风力机运动轨迹与FAST计算结果吻合良好；在风波联合作用下可观察到较为明显的气动-水动耦合现象。

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新能源

不同海况下漂浮式风电场大型化响应分析

李蜀军, 岳敏楠, 王博, 李春, 丁勤卫

2021, 41(11): 991-1000. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.013

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为探究3种海况下不同漂浮式风电场平台稳定性，建立Barge单平台，2×2、3×3、4×4和5×5阵列风电场平台，基于叶素动量理论、辐射/绕射理论并结合有限元方法，研究了风波载荷作用下其动态响应。结果表明：漂浮式风电场中迎风侧平台响应最剧烈，越远离迎风侧，平台稳定性越好；3种海况下，风电场平台较单平台在纵荡、垂荡及纵摇自由度上动态响应均较小，且随风电场阶数升高，稳定性增加；风电场中迎风侧系泊受力最大且随风电场阶数增加而增大。

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系统工程

煤基直接加热式超临界二氧化碳动力循环系统建模及性能分析

段元强, 方冬东, 吴柯, 段伦博

2021, 41(11): 1001-1009. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.014

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利用Aspen Plus软件分别构建了煤气化直接加热式和煤直接燃烧式sCO₂动力循环系统模型，对空气分离装置（ASU）子系统、热力发电子系统和烟气净化压缩子系统进行耦合计算，并分析各主要参数对整体循环性能的影响规律。结果表明：对于煤气化sCO₂循环，在透平入口1 150℃/30 MPa的参数条件下，系统净效率可达40.67%，同时可实现接近100%的碳捕集；在考虑系统整体能耗后，ASU出口O₂存在最佳纯度，当O₂纯度由95%增加至99.5%时，系统净效率由40.16%升高到40.67%；在相同关键循环参数条件下，由于取消了煤气化及合成气压缩装置，煤直接燃烧式sCO₂循环的系统净效率相比煤气化直接加热式循环提高了7.54%。

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系统工程

吸收式热泵辅助的太阳能-地热多联产系统4E研究

付文锋, 陆家纬, 王蓝婧, 叶学民

2021, 41(11): 1010-1018. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.11.015

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可视化

为实现在有限地热资源条件下，通过改变运行策略调整冷热电比例以满足用户需求，提出了一种多热泵辅助低温地热能的冷、热、电三联供系统（CCHP）。从热效率、㶲效率、㶲经济性成本和二氧化碳减排量4个角度对系统进行了性能分析。结果表明：该系统在有限地热供给条件下，通过调整热泵组的运行方式，可以灵活调配用户的冷、热、电需求；在设计制冷工况下，系统热效率和㶲效率分别为37.7%和12.15%；在设计供热工况下，系统热效率和㶲效率分别为53.44%和40.68%，㶲经济性分析表明制冷水成本为1.98元/（kW·h），供热水成本为0.81元/（kW·h）；与传统燃气锅炉相比，在环境友好程度上，设计制冷与供热工况每吨地热水可减排二氧化碳量分别为7.5 kg/h和11.6 kg/h。

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