动力工程学报

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锅炉技术

300 MW超临界CO₂二次再热燃煤锅炉系统设计

汪洋, 郑志敏, 李鹏鹏, 顾明言

2022, 42(3): 197-206. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.001

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采用一次间冷二次再热和回热的超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环系统,并基于炉膛分区段传热计算方法,对300 MW燃煤锅炉系统进行设计,重点分析了炉膛分区布置对气冷壁和炉膛沿程温度分布以及工质压降的影响。结果表明:在设计负荷下,过热气冷壁高度为炉膛高度的0.71时,沿程烟气温度处于合理范围内,炉膛气冷壁壁面温度具有较宽的安全裕度,并且设计成本相对较低;所提出的S-CO₂二次再热燃煤锅炉系统的循环热效率达到51.82%,比同级别的S-CO₂一次再热燃煤锅炉提高了1.79%,比同级别常规蒸汽机组高出约11%。

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锅炉技术

燃煤耦合城市污泥燃烧特性与NO_x生成行为模拟

丁先, 吴何来, 臧剑南, 康志忠

2022, 42(3): 207-214. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.002

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利用自定义燃烧模型对煤粉与城市污泥共燃过程进行数值模拟,研究不同掺烧比例下共燃过程的燃烧特性、NO_x体积分数空间分布和生成行为等。结果表明:污泥对煤粉第一阶段燃烧有明显的促进作用,在掺烧比例≤3%时,对煤粉第二阶段燃烧也有促进作用,而在掺烧比例≥6%时有抑制作用;在燃烧器出口附近氮存在形式丰富,大部分NH₃在该区域转换为HCN,少量转换为HNO和NH₂等,而在回流区后半段,HCN体积分数明显降低,NO体积分数上升,随着燃烧反应的进行,部分NO被还原成HCN和HNO;NO_x生成行为主要集中发生在燃料燃烧的2个阶段,在第一阶段,NO的生成过程主要为NH被O和O₂氧化以及N被O₂氧化,第二阶段主要为NH被O氧化以及N被CO₂氧化;NO被CH₃还原成HCN是2个阶段中NO被还原的主要过程。

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锅炉技术

基于PL-Raman光谱分析的煤质快速检测方法

于鹏峰, 苏攀, 刘佳薇, 钟毓秀, 徐俊, 苏胜, 胡松, 向军

2022, 42(3): 215-220. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.003

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研究了我国15种典型原煤的PL-Raman光谱,提出了3个能代表光谱特性的特征参数,建立了特征参数与水分、挥发分的质量分数以及燃烧着火温度和燃尽温度的定量关联,并提出了基于PL-Raman光谱分析的煤质快速检测方法。结果表明:煤的荧光特性由水分和挥发分的质量分数共同决定,随着水分和挥发分质量分数的增加,荧光特性显著增强;特征参数与煤中的挥发分质量分数、碳氢质量比和燃烧特征温度间存在良好的数学关联,相关系数较高,可用于煤质特性和燃烧特性的快速检测。

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汽轮机与燃气轮机

进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响

陈尧兴, 李志刚, 李军, 叶绿

2022, 42(3): 221-228. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.004

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为研究进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响,采用基于转子多频椭圆涡动模型的URANS方程求解方法,计算分析了2种进口预旋比下未磨损结构、未弯曲磨损结构和部分弯曲磨损结构下密封泄漏质量流量、气流平均周向速度和转子动力特性系数的变化。结果表明:在2种进口预旋比下,增加磨损间隙和迷宫齿弯曲均会使密封泄漏质量流量增大;当进口预旋比为0时,密封泄漏质量流量增大使得转子周向拖动作用降低,腔室内气流平均周向速度减小,进而导致与转子涡动方向相反的负切向气流激振力减小,密封转子稳定性降低;当进口预旋比为0.45时,气流平均周向速度不受迷宫齿磨损结构的影响,因此迷宫齿磨损后腔室内周向动量增大,进而与转子涡动方向相同的正切向气流激振力增大,密封转子稳定性降低。

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汽轮机与燃气轮机

燃气轮机压气机叶片涂层的高温适应性研究

周瑕, 汪超, 梁云飞, 何磊

2022, 42(3): 229-234. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.005

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为探究压气机叶片涂层在更多级叶片上的应用情况,研究了富铝无机盐涂层和铝基硬质涂层的高温适应性,利用光学显微镜、粗糙度测试仪、扫描电子显微镜、能谱仪和拉伸试验机分别测试了涂层厚度、表面粗糙度、微观组织、元素分布和拉伸结合强度。结果表明:富铝无机盐涂层的厚度为40~60 μm,喷涂态和热处理后涂层的表面粗糙度分别为0.570~0.685 μm和0.734~0.842 μm,微观组织在460 ℃、2 000 h内保持稳定,热失效过程涂层中的铝元素向基体快速扩散,金属基体氧化,拉伸结合强度降低;铝基硬质涂层厚度为8~12 μm,喷涂态和热处理后涂层的表面粗糙度分别为0.324~0.486 μm和1.054~1.275 μm,微观组织在460 ℃、1 001 h内保持稳定,热失效过程观察到(Fe,Cr)Al金属间化合物生成,拉伸结合强度约为40 MPa;热处理温度越高、时间越长,铝基涂层越不稳定,当温度不高于460 ℃时才可满足服役要求。

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汽轮发电机

不平衡导致的发电机组转子反向涡动分析

赵博, 何国安, 阚选恩, 姜广政, 常东锋

2022, 42(3): 235-241. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.006

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针对多台大型汽轮发电机组在振动测试过程中的不平衡导致转子反向涡动的问题,建立非对称支撑转子系统动力学模型,通过模态叠加法推导出系统对不平衡激振力的响应,分析不平衡振动矢量对转子涡动方向的影响规律,并结合3台600 MW等级汽轮发电机组轴系现场动平衡前后振动测试实例,分析了工作转速下转子发生反向涡动的原因。结果表明:即使在避开临界转速区域的工况下,各向异性支撑轴系发生多面不平衡时,只要各处不平衡的轴向位置、大小和角度满足一定关系,部分轴颈截面就会表现为反向涡动。

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自动控制

加速器驱动次临界系统堆芯功率的自抗扰控制

郭伟, 石波, 张益林

2022, 42(3): 242-248. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.007

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提出了一种基于非线性自抗扰控制(ADRC)技术的加速度驱动次临界系统控制(ADS)堆芯功率控制方法。首先,采用带外源的中子动力学方程和能量守恒方程搭建ADS堆芯系统非线性模型,利用微小摄动理论对模型进行线性化处理,得到双输入双输出传递函数模型;其次,基于该模型设计堆芯功率自抗扰控制系统,利用"分离性原理"对控制参数进行整定;最后,利用Matlab平台搭建ADS堆芯系统非线性模型和ADRC控制器模型,对ADRC控制与PID控制进行对比分析。结果表明:所设计的控制系统具有更好的控制性能,证明了将ADRC技术应用在ADS堆芯系统控制方面是可行的。

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环保技术与设备

Ca(OH)₂化学解吸固定TEA富液中的CO₂

张卫风, 王璐璐, 王秋华

2022, 42(3): 249-254. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.008

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为探究TEA富液在投加Ca(OH)₂的化学解吸方式下的解吸性能,通过单因素法探究不同因素对TEA、TEA+MDEA和MDEA富液的解吸效果,再通过多次吸收-解吸实验对TEA富液的再生性能进行研究。结果表明:n(Ca)/n(C)、pH值等因素对TEA、TEA+MDEA和MDEA富液解吸效果均具有一定的影响,TEA富液的解吸效果最好,TEA+MDEA次之,MDEA最差;在n(Ca)/n(C)=1∶1、pH值为10、温度为20 ℃、CO₂负荷为0.4 mol/L、搅拌速率为800 r/min以及搅拌时间为10 min的条件下,TEA的解吸率可达82.85%;在5次吸收-解吸实验中TEA的解吸率均保持在80%左右,说明其在投加Ca(OH)₂的化学解吸方式下具有良好的解吸性能。

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环保技术与设备

中高温对流环境下脱硫废水单液滴蒸发特性的实验研究

赵宁, 冯永新, 林廷坤, 谢志文

2022, 42(3): 255-262. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.009

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为了探究脱硫废水液滴的蒸发机理,采用单液滴蒸发实验台研究了中高温环境下脱硫废水液滴的蒸发特性,分析了废水液滴在对流干燥过程中的蒸发特性及干燥温度、水质和初始粒径对其的影响规律;采用集中参数反应工程(L-REA)模型整理数据,建立了基于活化能的废水液滴蒸发动力学模型。结果表明:脱硫废水液滴蒸发期间由于表面溶质富集存在明显成壳与降速蒸发现象,成壳后剩余水分因升温而快速汽化,导致壳层膨胀与部分破碎;升高干燥温度和减小初始粒径有利于废水液滴蒸干,废水液滴中不溶性固体(SS)含量增加会使干燥产物粒径减小;由实验参数得到的L-REA模型能较好地描述废水液滴的蒸发历程,模型预测300 ℃干燥温度下,单液滴初始粒径50 μm的液滴总蒸发时长在0.05 s以内。

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环保技术与设备

烟气湿法脱硫中阻垢剂对石膏结晶特性的影响

李刚, 肖海平, 梁伦涛, 孙保民, 李晓峰

2022, 42(3): 263-268. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.010

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在结晶实验台架上进行阻垢剂作用下的石膏结晶反应实验,对石膏成核、生长和形貌变化进行研究。结果表明:阻垢剂能够推迟石膏结晶诱导时间,抑制石膏成核;阻垢剂吸附在晶胚表面上,导致晶体畸变和粒径增大,促进了石膏生长;阻垢剂质量浓度由1 mg/L增加到20 mg/L时,无磷阻垢剂和磷系阻垢剂的成核抑制指数分别增加15~16倍和13~14倍,石膏生长速率分别升高8~9倍和6~7倍;阻垢剂的畸变作用导致石膏晶体由针状转化为片状和团簇状晶体,随阻垢剂质量浓度增加,石膏晶体团簇半径增大。

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新能源

土-构耦合效应对15 MW风力机地震动态响应的影响

梅轩, 杨阳

2022, 42(3): 269-275. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.011

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为研究土-构耦合效应对下一代大型海上风力机地震动态响应的影响,通过对开源软件FAST进行二次开发,采用模态加速度法计算地震载荷,建立了海上风力机地震动力学仿真模型,并据此研究了考虑及忽略土-构耦合效应时15 MW风力机在正常运行工况和停机状态下的塔顶振动和支撑结构载荷变化特性。结果表明:土-构耦合效应虽然对地震诱导塔顶振动剧烈程度的影响较小,但在一定程度上抑制了停机时侧向振动的恢复;忽略土-构耦合效应将导致泥面处结构弯矩的预估值偏低约29.6%;考虑土-构耦合效应时,面内弯矩在地震结束后依然保持较大的变化幅度;针对海上风电结构抗震设计,应当考虑增加系统阻尼以及时降低由地震激励引起的面内载荷。

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系统工程

冷热电联供系统多时间尺度滚动优化运行方法研究

王智, 陶鸿俊, 张玲

2022, 42(3): 276-285. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.012

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为解决源-荷供需能量不匹配的问题,提出了针对冷热电联供(CCHP)系统的多时间尺度滚动优化运行方法。该策略按照"日前-日内"2个阶段逐级制定机组出力计划,分别构建了以日前运行成本最低为目标的日前优化模型以及以滚动时域内购电成本和储能出力变化惩罚成本最低为目标的日内滚动优化模型,由此得到冷热电联供系统平滑出力计划。在日前优化中考虑多种储能模式对CCHP系统运行经济性的影响;日内滚动优化阶段确定了最佳滚动时长为4 h。结果表明:多元储能模式能够提高CCHP系统的运行经济性;多时间尺度滚动优化不仅可以提高和保证CCHP系统运行的经济性,而且能够有效降低源-荷的波动性对实际系统运行的影响。

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系统工程

变热源有机朗肯循环系统的综合性能分析

李慧君, 蒋长辉, 范伟, 王庆五

2022, 42(3): 286-292. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2022.03.013

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针对120~150 ℃的变温热源,以?效率和净现值为目标函数建立了有机朗肯循环(ORC)系统的多目标优化模型。通过帕累托解集确定权重系数,同时建立综合目标函数F_x;在给定条件下,分析了蒸发温度和热源参数对系统综合性能的影响。结果表明:R1234ze的综合性能优于R245fa和R134a;α法和帕累托解集确定的权重系数有差异,但各工质的优化指标对应的系统运行参数相似,误差不大;蒸发温度在361 K左右时,R1234ze和R134a对应的系统F_x值大小关系发生转变。

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