动力工程学报

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    基础研究
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    不同径高比柱状载氧体固定床CLC非均相反应及共轭传递过程的数值分析
    霍官平, 郭雪岩
    2023, 43(6): 663-669. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.001
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    为了解柱状载氧体的外形如何影响组分扩散与复杂间隙流动,并最终影响整体气固非均相反应性能,采用计算流体力学(CFD)方法对不同径高比的柱状载氧体的固定床化学链燃烧(CLC)过程进行了数值分析。结果表明:柱状载氧体颗粒的径高比越大,填充床反应器中气流平均速度和床层压降越大;相比于常规的圆柱载氧体颗粒,薄片状或棒状颗粒具有更大的比表面积和更短的组分扩散距离,能够缓解多孔颗粒载氧体中的内扩散限制,从而提高整体气固非均相反应速率和载氧体转化率;在相同径高比下,薄片状颗粒填充床具有更大的内扩散传质速率和对流传质速率,综合共轭传质能力更强。
    • 动力设备与系统
  • 动力设备与系统
    基于Jeffcott理论等效叶片组的叶盘模型建模方法及分析
    郑庆帅, 顾煜炯, 刘宇航, 马吉伟
    2023, 43(6): 670-676. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.002
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    转子系统建模时叶片与轮盘的耦合关系导致矩阵方程阶数过高,难以解析,通常情况下采用直接将叶片等效为附加转动惯量,再将叶片-轮盘作为刚性圆盘整体的方法,但是这种建模方法在高转速、长叶片的情况下会割裂叶片与转子之间的能量耦合关系,导致模型误差急剧增大。在考虑叶片与轮盘耦合的情况下,以一阶临界转速及模态近似为等效准则,将有限元模型中的周向环绕叶片组等效为正交各向同性的刚性圆环,并通过理论推导和计算得到等效后轮盘半径与原始叶片-轮盘模型之间的关系,并进行了ANSYS仿真对比。结果表明:等效方法可在显著降低原始叶片-轮盘模型自由度的同时保证等效模型的可靠性。
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    回转式空气预热器积灰分层监测方法研究
    高荣泽, 王利民, 孙浩家, 王超, 王研凯, 李迎春, 车得福
    2023, 43(6): 677-685. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.003
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    为了便于研究多层回转式空气预热器运行时不同结构参数和工况参数对内部积灰特性的影响,并解决内部积灰难以分层监测的问题,基于有限差分法建立了用于分层监测积灰程度的数学模型,同时以某电厂的三分仓回转式空气预热器为研究对象分析了其合理性。结果表明:随各层实测温度由341 ℃、241 ℃、104 ℃逐步提高至367 ℃、303 ℃、130 ℃时,清洁系数均由1减小至0.1,表明传热削弱逐渐加剧;相应地,与清洁状态下的出口温度偏差由0.8%、2.6%、2.8%提升至7.8%、26.1%、25.2%,表明当某层积灰加重时,其进出口温差减小,也说明传热能力被削弱;该模型适用于任意数目分仓与分层的回转式空气预热器,并可在2 s内完成一次计算,如果忽略电厂数据传输延迟,则该模型实现了空气预热器积灰情况的实时监测。
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    降低褐煤锅炉排烟温度的方案研究
    赵兴春, 王进军
    2023, 43(6): 686-691. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.004
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    为解决褐煤锅炉的高排烟温度问题,通过机炉一体化系统设计,调整锅炉受热面设计方案,在省煤器上游设置预省煤器,并增设工质为某级高加上游低温高压给水的分流省煤器,根据相应的热平衡变化调整空气预热器设计即可获得较低的排烟温度。最后,以某印尼褐煤机组数据为边界条件进行了计算。结果表明:排烟温度从171 ℃降低至107.8 ℃时,锅炉效率升高3.96个百分点,但热耗率上升99.12 kJ/(kW·h),综合节煤是目前所有褐煤机组的共性问题,本文的解决方案对于类似项目都有很好的指导和借鉴意义。
  • 动力设备与系统
    燃气轮机长期备用下烟道阻力上升原因分析
    陶振涛, 许茂贤, 张卫, 梁海宁, 周永刚, 赵虹
    2023, 43(6): 692-699. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.005
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    根据电厂机组3年间的整体停机情况和运行负荷数据,分析烟道阻力与机组负荷之间的关系;根据停机时长、停机前烟道阻力、平均相对湿度和平均温度,利用多元线性回归分析影响机组停机期间烟道阻力上升的主要因素。结果表明:停机天数会对烟道阻力产生显著的正向影响,停机前烟道阻力与烟道阻力增幅有显著的负向关系,平均相对湿度和平均温度对烟道阻力升高产生的正相关影响较小;当停机时间达到30天、停机期间相对湿度达到49%时,该机组停机期间烟道阻力有较大可能会升高。
    • 新能源与储能
  • 新能源与储能
    基于中国实测地震有效持续时间的风力机地震动力学研究
    唐宏铭, 闫阳天, 马璐, 李春, 牛凯伦, 李志昊, 薛世成
    2023, 43(6): 700-709. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.006
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    基于我国实测地震,对10 MW单桩陆上风力机在地震及湍流风载荷作用下的结构响应和局部损伤特性进行研究。采用阿里亚斯强度计算有效地震持续时间,从而对风力机进行时域分析。采用壳单元精细有限元模型,构建考虑湍流风、地震及土-构耦合效应的多物理场模型,开展10 MW单桩式陆上风力机的结构动力学研究。结果表明:湍流风载荷和地震载荷分别为影响风力机塔顶前后向位移和塔顶侧向位移的决定因素;地震载荷不同会导致地震诱导结构屈曲模态发生变化。
  • 新能源与储能
    塔式太阳能光热发电系统蒸发器动态特性研究
    徐二树, 黄钰琛, 孔艳强, 杜小泽, 张强
    2023, 43(6): 710-716. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.007
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    以Solar Two塔式熔盐光热电站中蒸汽发生器为研究对象,基于质量守恒和能量守恒搭建了蒸发器动态数学模型。以动态数学模型为基础,通过水侧和熔盐侧扰动实验对蒸发器的动态特性进行分析,得到了蒸发器的出口参数响应曲线和时间常数。结果表明:发生扰动后蒸汽发生器需要205 s达到新的平衡,而由于蒸汽侧热容量较大的影响,参数对扰动响应较慢,蒸汽的品质会影响机组的安全性及经济性;与熔盐相比,水和蒸汽具有更高的比容和储液量,水侧参数响应较慢,而熔盐侧响应速度较快。
  • 新能源与储能
    太阳能布雷顿循环耦合蓄电池平抑光伏输出波动策略研究
    代佳豪, 肖刚, 祝培旺, 杨嘉敏
    2023, 43(6): 717-723. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.008
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    为研究太阳能布雷顿循环耦合蓄电池平抑光伏输出功率波动性策略问题,建立了光伏-光热-蓄电池联合发电系统,以光伏为主要出力,太阳能空气布雷顿循环和蓄电池为辅稳定光伏输出功率波动,并根据微燃机高效运行方式及联合发电系统变负荷方式提出了4种运行策略。结果表明:4种策略均能在一定程度上降低光伏输出功率波动性,且在相同蓄电池容量下,策略二光伏输出功率波动性最小,策略三蓄电池最大充电功率最小;随着蓄电池容量的增加,4种策略光伏输出功率波动性均在减少,并且策略二和策略一在平抑输出功率波动性能力上不断接近;在储热与储电容量比例为3∶4时,策略一~策略四相对仅光伏运行时的输出功率波动性分别减少了80.7%、88.3%、50.5%和55.1%。
  • 新能源与储能
    耦合氨水吸收式制冷液化回收CO2的SOFC/GT/ST/ORC系统研究
    田松峰, 刘诗尧, 刘亚轩, 包忠祥, 张倩, 李正宽, 张都
    2023, 43(6): 724-734. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.009
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    为提高固体氧化物燃料电池(SOFC)的联供系统效率、降低碳捕集能耗,提出了一种基于SOFC/透平(GT)/蒸汽轮机(ST)、有机朗肯循环(ORC)和氨水吸收式制冷循环液化回收CO2的联供系统。利用Aspen Plus软件搭建了SOFC本体模型,并对其进行验证。通过输入设计工况下的热力学参数,探究了电流密度、燃料利用率、汽碳比对SOFC本体及联供系统性能的影响。结果表明:在设计工况下,SOFC发电效率为55.5%、联供系统发电效率为76.5%、功冷联供效率为92.6%,与现有系统相比,各效率均有提升;当电流密度增加至极限电流密度时,浓差极化损失迅速增大,对系统性能产生负面影响;随着燃料利用率的提高,功冷比不断下降,各效率呈先增后减的趋势;当汽碳比为2时,联供系统的发电效率及功冷联供效率最大,分别为78.04%和93.2%。
    • 数字化与智能化
  • 数字化与智能化
    基于多模型γ增量型阶梯式GPC的SCR脱硝系统优化控制研究
    赵征, 马毅杰
    2023, 43(6): 735-741. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.010
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    提出了一种以入口NOx质量浓度预测值作为前馈的多模型γ增量型阶梯式广义预测串级控制策略。首先,设计3个典型工况下的γ-SGPC-PID串级控制器,然后通过模糊增益调度构建全局控制器,最后将基于VMD-ARIMA的入口NOx质量浓度预测值作为前馈,构建了前馈-反馈SCR脱硝控制系统。结果表明:该前馈-反馈控制系统可以对氨气质量流量进行准确调节,降低出口NOx质量浓度的波动变化,提高了变工况下SCR脱硝系统的控制品质。
  • 数字化与智能化
    基于数据驱动的汽轮机主蒸汽流量软测量
    徐红伟, 李美双, 李崇晟, 何岩, 吴智群, 何新
    2023, 43(6): 742-748. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.011
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    为提高主蒸汽流量的计算准确性,以汽水系统稳态工况下基于热量平衡和流量平衡计算的主蒸汽流量作为目标值,将模型输入参数限制在高压缸范围内,以此建立主蒸汽流量预测模型,借助高压缸内蒸汽的高流速带来的参数之间近乎零迟滞的特性,使得以稳态工况数据训练的模型可直接应用于非稳态工况,最后通过实例对所提方法进行验证。结果表明:所提软测量模型适用工况范围大,受其他因素干扰较少,实际案例验证了模型的准确性,具备工程实际应用价值。
  • 数字化与智能化
    优化变分模态分解与深度学习融合的滚动轴承故障诊断策略
    孙康, 金江涛, 李春, 许子非
    2023, 43(6): 749-758. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.012
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    针对滚动轴承早期振动信号具有强非线性特征,导致难以判断其故障类型,提出了以相关峭度和Lyapunov指数为综合目标函数的优化变分模态分解(OVMD)参数优化方法,对综合目标函数最小值进行搜索,以确定模态分解数及惩罚因子的最佳组合,实现降噪与特征提取,重构故障信号,并采用相空间重构法还原系统动力学非线性结构,通过卷积神经网络(CNN)提取纯净信号。结果表明:OVMD可有效降噪并剔除无关分量,重构信号经CNN学习后,吸引子轨迹收缩,信号非线性降低,故障呈可分状;该OVMD-CNN诊断模型具有良好的鲁棒性与泛化性,可实现轴承故障的智能诊断。
  • 数字化与智能化
    基于改进集成KNN回归算法的风电机组齿轮箱状态监测
    张书瑶, 王梓齐, 刘长良
    2023, 43(6): 759-767. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.013
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    风电机组齿轮箱是容易发生故障的重要部件,维修费用高昂,因此有必要对其进行实时状态监测。针对集成K近邻(KNN)算法对随机采样不敏感的问题,提出了一种基于规则采样的改进集成KNN模型。首先利用距离相关系数进行变量选择,然后基于正则化互信息对变量进行排序,将其用于规则采样,构造子训练集,最后基于统计过程控制方法设置预警阈值对实时残差进行分析,根据健康度曲线对风电机组齿轮箱健康度进行监测,并利用某风电机组实际数据对所提方法进行验证。结果表明:所提方法显著提升了模型估计精度,该模型优于常规集成KNN模型,可以实现齿轮箱的早期故障预警。
    • 绿色低碳
  • 绿色低碳
    厌氧发酵与焚烧耦合的新型垃圾发电系统
    李娟, 李镓睿, 孙文, 陈衡, 徐钢, 张国强, 刘彤
    2023, 43(6): 768-779. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.014
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    为实现垃圾资源的综合利用以提高垃圾发电系统的经济性,提出了2种厌氧发酵与焚烧耦合的新型垃圾发电系统方案,以某垃圾焚烧发电机组为研究案例,采用热力学仿真软件EBSILON模拟该机组耦合利用厌氧发酵沼气系统的工质热力学参数变化和发电效率的提升。通过热力学方法分析了新系统能量利用率提高的原因并评估了新系统的经济性。结果表明:得到的2种新型发电系统方案分别比案例垃圾焚烧发电机组的发电效率高6.59%和14.89%,沼气发电效率分别达31.82%和45.66%,动态回收周期分别为4.01 a和2.77 a。
  • 绿色低碳
    循环冷却水阻垢剂对脱硫石膏成核过程的影响
    梁伦涛, 肖海平, 雷兢, 赫祥宇
    2023, 43(6): 780-786. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.015
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    全厂废水零排放背景下,阻垢剂随循环排污水进入脱硫系统会阻碍石膏正常结晶。对不同阻垢剂工况进行石膏结晶实验,探究阻垢剂性能对石膏结晶成核特性的影响规律。结果表明:阻垢剂能够延长石膏结晶诱导时间,抑制石膏成核,阻垢剂质量浓度越高,石膏成核越困难;阻垢剂质量浓度为10 mg/L时,石膏结晶诱导时间增加17%~48%,成核抑制指数在7%~17%;阻垢剂F的成核抑制指数最小,其抑制成核作用最弱;添加阻垢剂D后的石膏晶体呈现片状,说明阻垢剂D的络合及分散性能强,严重抑制了石膏成核,添加阻垢剂F后的石膏晶体呈现粘连片状及针状,说明阻垢剂F的畸变性能强,成核受影响程度较低;石膏在结晶后加入阻垢剂的样品形貌表明,阻垢剂F的畸变性能最强;畸变性能强的阻垢剂对石膏成核过程抑制作用弱,成核抑制指数小,更适合全厂废水零排放背景下脱硫安全运行要求。
  • 绿色低碳
    计及碳交易和碳税的碳捕集技术经济性研究
    张彩庆, 史惠卿, 郑楠
    2023, 43(6): 787-795. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.016
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    采用经济学成本分析法对集成碳捕集封存技术(CCS)的1 000 MW超超临界燃煤机组进行技术经济性分析,以供电成本、净现值、动态回收期及内部收益率为评价指标,探究了煤炭价格、碳配额交易价格、碳税、通货膨胀率及CO2售卖价格的影响。结果表明:CCS碳捕集装置建设成本较高,较常规机组总投资增加约24.54%,CCS系统能效惩罚较大,厂用电率增加19.31百分点;常规机组供电成本为0.307 5元/(kW·h),CCS机组的供电成本增加35.87%;CO2减排成本为171.47元/t;CCS机组净现值为138.06亿元,为常规机组的2.23倍;CCS机组的动态回收期为4.15 a,较常规机组提前1.94 a;综合考虑碳税、碳配额交易及CO2售卖时,CCS机组的供电成本为0.196 4元/(kW·h),较常规机组低43.17%;在碳交易、碳税政策和CO2循环再利用市场完善建立后,CCS机组具有更强的盈利能力。
    • 综合能源系统
  • 综合能源系统
    考虑风光消纳的综合能源系统多元储能优化配置方法
    高明非, 张策, 解彤, 李鹏, 韩中合
    2023, 43(6): 796-804. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.017
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    针对区域综合能源系统中可再生能源的波动性对系统供能稳定性的影响,提出了多元储能系统配置和优化运行方法。首先,在考虑风光出力波动性的基础上,建立了区域综合能源系统的日前和日内双重时间尺度的优化模型,其中日内优化模型以日前运行方案作为参考,并对日前优化结果进行修正。结果表明:对于配置多元储能的区域综合能源系统,采用主动式储能运行策略的配置时经济性指标优于被动式储能,多元储能的经济性优于单一储能配置方案。
  • 综合能源系统
    基于可逆功比的热电联产系统㶲成本分析方法
    刘浩, 王震, 陈炼, 王楠, 王晨晨
    2023, 43(6): 805-814. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.06.018
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    为了分析多联产系统的各种输出能量的单位㶲成本,提出一种基于可逆功比的㶲成本分析方法。此方法假设完成可逆过程的热力系统输出的各种形式能量的单位㶲成本相等,且与输入能量的平均单位㶲成本相等。通过此假设和可逆功比(即可逆过程的做功量与总能量的比值),构建成本平衡方程,分析了燃气轮机热电联产系统输出能量的㶲成本,最后进行了天然气分布式能源系统算例的㶲成本分析。结果表明:利用此方法可以得出与"质优价高"一致的结论。