动力工程学报

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    基础研究
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    耐热材料在超临界二氧化碳含氧气杂质环境下的腐蚀特性研究
    王明选, 牟文彪, 刘亚飞, 肖刚
    2023, 43(4): 391-396. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.001
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    为研究氧气杂质对腐蚀行为的影响,搭建了超临界二氧化碳腐蚀实验平台,在氧气浓度为10-4的混合工质环境下,研究了氧气杂质对耐热钢T91、310S和Inconel 625腐蚀特性的影响。采用称重、X射线衍射、扫描电镜和能谱分析等方式,对实验前后的腐蚀增重、腐蚀产物的物相组成、表面形貌和元素分布进行分析。结果表明:在混合工质环境下T91、310S和Inconel 625的腐蚀增重分别为高纯二氧化碳环境下的1.36、1.55和3.19倍;在混合工质环境下T91腐蚀产物中Fe2O3含量增加,310S表面出现大量叶片状Cr2O3,Inconel 625表面结核消失;与高纯二氧化碳环境相比,在混合工质环境下3种材料表面C元素质量分数大幅降低,均达到5%左右;3种耐热钢的腐蚀增重曲线均符合抛物线腐蚀规律,310S和Inconel 625的耐腐蚀性能明显优于T91。
  • 基础研究
    三套管相变蓄热器导热肋片的拓扑优化
    姚莉, 张峰鸣, 赵明
    2023, 43(4): 397-405. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.002
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    采用基于变密度方法的拓扑优化方法对三套管相变蓄热器的肋片结构进行优化,然后进行几何重构,并与其他3种传统直肋模型进行比较。结果表明:几何重构后的模型的蓄放热过程与拓扑优化结果具有一致性,温度均匀性显著提升,且完全熔化时间相对减少了68.6%,完全凝固时间相对减少了80.4%;导热材料在相变蓄热器中的分布均匀性对蓄放热性能有重要影响,根据均匀分布设计原则的模型拥有较好的蓄放热性能,但总体上基于拓扑优化方法的重构模型具有最少肋片数量及最高蓄热量等优点。
  • 基础研究
    镍基合金Inconel 617在高温超临界CO2下的腐蚀特性研究
    肖博, 王碧辉, 岑栋梁, 朱忠亮, 张乃强
    2023, 43(4): 406-413. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.003
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    对镍基合金Inconel 617在550~700 ℃、15~25 MPa超临界二氧化碳(S-CO2)环境下进行了1 000 h的氧化腐蚀实验,得到了其氧化动力学曲线,并借助扫描电镜(SEM)、电镜自带能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)等表征手段对氧化膜的形貌、物相及成分进行了分析。结果表明:温度显著影响合金的氧化速率,700 ℃时氧化动力学呈立方规律;在所有温度下合金都形成了致密的单层氧化膜结构,随着温度升高,下方晶界处出现少量孔洞;在合金表面氧化膜主要出现富Ti疖状氧化物,下方晶界孔洞处出现了Al氧化物的富集。
  • 基础研究
    先进超超临界机组候选镍基617合金在超临界水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验研究
    陈震宇, 张乃强, 周密, 刘宇桐
    2023, 43(4): 414-420. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.004
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    研究了先进超超临界机组候选镍基合金Inconel 617在650 ℃/25 MPa超临界水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率(CFCGR)。采用恒应力强度因子(K)法进行动态加载,采用直流电位降(DCPD)法对裂纹长度进行实时测量,并通过线性回归方法计算出每个条件下的CFCGR,探究了加载频率(1.00 Hz、0.10 Hz和0.01 Hz)和波形(正弦波、三角波和梯形波)对CFCGR的影响。结果表明:随着加载频率的升高,CFCGR降低,且CFCGR与加载频率之间满足对数线性关系;在3种频率下,正弦波和三角波加载对CFCGR没有明显影响,这种波形无关性在较广的频率范围内成立;梯形波与无保持时间的连续循环相比,具有更大的CFCGR。
    • 动力设备与系统
  • 动力设备与系统
    汽轮机末级叶片用SP-700钛合金激光熔覆Zr涂层工艺参数优化
    李聪, 聂冰悦, 李虎, 李微, 陈维, 周立波, 陈荐
    2023, 43(4): 421-429. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.005
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    采用激光熔覆技术在SP-700钛合金表面制备Zr涂层,研究了扫描速度和送粉器转速对激光熔覆层的形貌影响,以获得最佳工艺。通过光学显微镜表征其搭接宽度、熔厚和裂纹率等特征参数;通过扫描电镜(SEM)分析了不同激光熔覆工艺下渗层组织结构、熔厚及其与基体的结合界面等;利用显微维氏硬度仪、往复式摩擦磨损实验机和激光共聚焦显微镜测试了熔覆层的显微硬度、磨擦因数、磨损形貌和耐磨性等。结果表明:扫描速度为6 mm/s、送粉器转速为4 r/min时,表面成型质量较优,熔厚和搭接宽度处于中等,熔覆层的裂纹率较低;熔层内组织分布均匀,晶体清晰,弥散度低;显微硬度较高,整体相对基体提升了1.8倍;摩擦磨损形貌较好,无明显缺陷,耐磨性较佳。
  • 动力设备与系统
    双顶轴油囊滑动轴承顶轴油计算方法与试验研究
    严卫春
    2023, 43(4): 430-435. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.006
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    为获取可用于工程应用的双顶轴油囊滑动轴承顶轴油计算方法,开展了理论和试验研究。提出了2种理论计算方法:一是基于单油囊计算公式,推导了双油囊计算公式;二是采用数值计算的方法建立了双油囊计算数学模型。设计了试验轴承顶轴油压、顶轴油体积流量与轴承荷载、转子顶起高度关系的相关试验,并与理论计算值进行对比分析。结果表明:理论与试验所得的顶轴油压较为接近,试验值稍小;理论与试验所得的顶轴油体积流量相差较大,试验值为理论计算值的1.5~2.5倍;试验中顶轴油体积流量与转子顶起高度呈现指数关系;工程应用时,可采用推导公式进行顶轴油压和体积流量计算,但在计算顶轴油体积流量时应留有一定余量;考虑到经济性,转子顶起高度不宜设定过高。
  • 动力设备与系统
    基于GWO-RF的凝汽器真空预测方法
    李汪繁, 丁先, 方晶剑
    2023, 43(4): 436-442. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.007
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    为提高不同运行工况下凝汽器真空预测模型的性能,通过斯皮尔曼(Spearman)相关系数判断凝汽器真空与特征值的相关性,选择不同特征值的组合方式,利用随机森林(RF)建立预测模型,引入灰狼算法(GWO)的寻优功能对模型参数进行优化,并以某1 000 MW级机组凝汽器运行数据为例建立真空预测模型。结果表明:基于GWO-RF建立的凝汽器真空预测模型的最大绝对误差为0.152 0 kPa,具有一定的有效性和泛化性;通过各特征值与目标值间Spearman相关系数的差异筛减部分相关性较弱的输入特征值,可以在模型精度变化较小的情况下有效减少训练耗时;基于GWO-RF建立的凝汽器真空预测模型在不同负荷段均表现良好,相对误差均处于［-0.16%,0.14%］,且在中负荷段表现最佳,平均相对误差仅为0.012%。
    • 新能源与储能
  • 新能源与储能
    不同时变入流下自主控制风力机运行特性研究
    刘凇仰, 信志强, 廖生海, 黄国庆, 蔡智名
    2023, 43(4): 443-451. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.008
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    为了研究风力机的自主控制系统在不同入流条件下的作用效果,基于NREL-5 MW风力机模型,运用致动线方法和大涡模拟对风力机的气动性能进行了分析。针对时变正弦入流与平均风速不变的真实大气边界层入流,在高、中、低3种平均风速下,分别开展了不同入流参数下有无控制条件时风力机的运行特性模拟。结果表明:在时变正弦入流下,控制系统使风力机在不同的入流风速下适应性调整良好;在真实大气边界层入流下,控制系统对湍流脉动引起的风速波动响应具有延迟性,在高低风速入流下的控制效果呈现不同特性。
  • 新能源与储能
    生物质直燃式循环流化床锅炉燃烧系统建模及预测研究
    张开萍, 高明明, 龙江, 张洪福, 王亚柯, 岳光溪
    2023, 43(4): 452-460. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.009
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    为了分析生物质循环流化床锅炉的燃烧机理,实现燃烧控制优化,通过生物质燃料特性分析以及即燃碳燃烧理论的应用,对炉内燃烧过程以及燃烧机理进行分析,同时建立燃烧过程机理模型,研究了炉内即燃碳动态变化过程,实现对负荷、炉膛温度、一氧化碳排放以及烟气含氧量的预测。结果表明:入炉燃料脱挥发分后形成的即燃碳的燃烧速度比挥发分慢,给料的波动会直接影响炉内即燃碳存量;作为给料波动时主要热量来源,即燃碳燃烧所需氧量更少,燃烧更充分,此时烟气中的CO体积分数较低、含氧量较高;炉膛温度、负荷、CO体积分数和烟气含氧量的预测值与实际值的变化趋势基本相同。
  • 新能源与储能
    采用渐变结构提升鼓形容积式多孔介质吸热器传热性能
    刘赟, 赵伯阳, 申文然, 谢凌天, 赵旭
    2023, 43(4): 461-467. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.010
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    以鼓形多孔介质容积式吸热器作为研究对象,将空气和碳化硅分别作为传热流体和多孔介质材料,建立三维数值模型,采用高斯热流分布模型(GDM)模拟实际聚焦太阳能的热流分布,基于数值计算方法分析了渐变孔隙率和渐变孔径结构与恒值孔隙率和恒值孔径结构对吸热器传热性能的影响。结果表明:相较于恒值孔隙率和恒值孔径,采用渐变孔隙率、渐变孔径结构的吸热器传热流体出口温度提升了11.47%。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    电站锅炉-汽轮机系统的LPV鲁棒H∞/H2变增益控制
    王东风, 朱为琦
    2023, 43(4): 468-474. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.011
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    采用量子粒子群算法辨识得到机炉协调控制系统的全局线性参数变化(LPV)模型,然后通过极值分解组合得到多胞LPV模型。针对多胞LPV模型,在鲁棒H∞/H2变增益控制中引入松弛变量,设计了保守性更低的机炉协调控制系统鲁棒控制器。结果表明:所设计的控制器具有良好的控制效果。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    采用余热余压利用的燃煤电站脱碳系统热力学分析
    张婷, 许诚
    2023, 43(4): 475-482. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.012
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    为降低燃煤电站的捕碳能耗,提出了新型脱碳燃煤系统集成方法以及负荷分配调整策略。以基于单乙醇胺(MEA)吸收法捕碳的600 MW燃煤电站为例,分析了余热余压利用以及负荷分配对脱碳能耗的影响,得到了新型余热余压利用脱碳燃煤电站的能效惩罚以及进行负荷分配后燃煤电站的节煤量。结果表明:满负荷运行时,新型余热余压利用系统的能效惩罚较常规系统可降低4.58%,在低负荷下运行时可降低2.55%;采用负荷分配的新系统较未进行负荷分配时可节煤1 347.48 t/a。
  • 绿色低碳
    基于CFD数值模拟的炉排型垃圾焚烧炉防结渣结构优化
    朱燕群, 王俊杰, 许岩韦, 徐超群, 何勇, 王智化
    2023, 43(4): 483-490. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.013
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    为解决垃圾焚烧炉后拱区域积灰结渣的问题,以某300 t/d炉排式垃圾焚烧炉为研究对象,制定了3种方案对炉型结构进行优化。采用数值模拟的方法对炉内燃烧过程进行热态模拟,采用高温转子黏度计测量渣样的黏温特性,进而分析垃圾焚烧炉的积灰结渣特性。基于灰颗粒沉积模型对比不同方案下飞灰颗粒与壁面的撞击、黏附行为。结果表明:方案C是最优的炉型结构;相比方案A,方案C炉内流场均匀性大幅提升,后拱区域温度过高的现象消失;飞灰颗粒与后拱壁面的碰撞频率最低,较方案A下降了6.88%;方案C下飞灰颗粒的黏附概率最低,在1 425~1 433 K温度范围内粒子黏附在壁面上的概率约为13.5%,这部分飞灰颗粒占比仅0.08%。
  • 绿色低碳
    垃圾焚烧电厂烟气半干法脱酸模拟研究
    李恒凡, 李玉龙, 郑子潘, 焦世权, 韩中合
    2023, 43(4): 491-498. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.014
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    以某垃圾焚烧电厂尾部烟道为研究对象,基于计算颗粒流体力学建立了Ca(OH)2雾化浆液脱酸过程中传热传质模型及化学反应模型,分析了化学计量比(SR)、烟气温度、烟气速度、浆液粒径、浆液质量分数和HCl质量浓度等对脱酸效率的影响。结果表明:采用垃圾发电厂烟气半干法脱酸能够大幅降低烟气中酸性气体的浓度,随着SR的增大,脱酸效率逐渐提高,且脱氯效率远大于脱硫效率;化学计量比相同时,随着烟气速度的增加,脱氯效率几乎不变,而脱硫效率有所下降;烟气温度和浆液质量分数增加以及HCl质量浓度减小均会使脱酸效率降低;脱酸效率随浆液粒径的增加先增大后减少,当浆液粒径为50 μm时脱硫效率达到最大,当浆液粒径为80 μm时脱氯效率达到最大。
  • 绿色低碳
    基于密度泛函理论的氧空位碘酸氧铋增强光催化性能研究
    凌晓定, 刘育林, 凌杨, 吴江
    2023, 43(4): 499-504. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.015
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    针对具有强氧化性的碘酸氧铋(BiOIO3)存在带隙较大、光响应范围小等缺陷,限制了其在燃煤电厂烟气重金属污染物排放控制方面发展的问题,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了不同位置的氧空位对BiOIO3光催化活性的影响,对其结构特征、能带结构、电子态密度和光吸收光谱进行了分析。结果表明:构建氧空位后,晶体的带隙宽度变窄;引入杂质能级作为电子跃迁的桥梁后,价带中的电子吸收较小能量便可跃迁到导带。相比纯BiOIO3,存在氧空位的晶体材料在可见光区域和紫外光区域的吸收系数都有明显提高,光催化活性明显增强。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    基于?的新型冷端余热利用供热系统分析
    肖卓楠, 霍立伟, 张荣, 李科, 何丽娟
    2023, 43(4): 505-510. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.04.016
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    以某315 MW亚临界机组为研究对象,构建了一种新型冷端余热利用系统,基于热力学定律和?分析理论,对该系统的热力性能进行分析,并将其与抽汽供热、高背压供热和热泵供热方式进行比较。结果表明:新系统运行时,在一定的供回水温度及流量下,随着背压的升高,机组整体的热力性能先升高后降低,背压为23 kPa时热力性能达到最佳;在其他条件一定的情况下,相比于其他供热方式,供水温度越高,新系统优势越明显;新系统并不适用于供水温度过低的情况,回水温度为50 ℃时,其供水温度最低只能达到78 ℃。