动力工程学报

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基础研究

蒸汽加热竖直窄矩形通道内流动沸腾换热实验与预测模型

赵谢飞, 陶乐仁, 金程, 居一伟, 黄理浩

2023, 43(8): 959-966. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.001

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为了研究窄通道的流动沸腾换热特性,利用单面蒸汽加热的方式在竖直窄矩形通道中进行实验,分析了质量流量、入口过冷度等因素对换热特性的影响,并建立了适用于竖直窄矩形通道的流动沸腾换热预测关系式。基于目前大部分经验公式均忽略了入口过冷度对气泡生长过程的影响,导致流动沸腾换热预测精确度偏低,故考虑窄矩形通道的尺寸限制和流体表面张力影响,引入相关系数后建立了新的预测模型。结果表明:当质量流量增加或入口过冷度减小时,壁面温度先上升后下降,然后逐渐趋于稳定;同时入口过冷度的减小将大幅增大传热系数,而质量流量的变化对传热系数影响较小,并且在入口过冷度较高时,质量流量的影响进一步减弱;新的预测模型可在本实验工况范围内较好地预测窄矩形通道流动沸腾传热系数。

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基础研究

入口雷诺数对压力旋流喷嘴雾化特性的影响

罗俊伟, 陈宇霄, 张泽武, 罗聪, 张立麒

2023, 43(8): 967-973. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.002

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为了揭示介质流量和介质黏度在压力喷嘴雾化过程中的作用机制,采用大涡模拟(LES)与体积函数模型(VOF)相结合的模拟方法,探究了喷嘴内部流动情况,分析了入口雷诺数对喷嘴流量系数、雾化角和雾化粒径等雾化特性的影响。结果表明:随着雷诺数的增加,喷嘴出口液膜厚度变薄,喷嘴流量系数降低;在高雷诺数下,流量系数受其影响较小;随着雷诺数增加,喷嘴雾化角增大,当雷诺数低于1 000时,雾化角增大现象更为明显,相同雷诺数下雾化角几乎相等;当雷诺数较高时,雾化液滴索特平均粒径更均匀,液滴粒径分布更接近R-R分布特征。

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基础研究

扰流参数和非均匀颗粒结构参数对填充床相变蓄热器蓄热特性的影响

刘赟, 赵旭, 申文然, 谢凌天

2023, 43(8): 974-982. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.003

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以填充床式相变蓄热器作为研究对象,将60%NaNO₃和40%KNO₃混合而成的二元硝酸盐作为传热流体,将59.98%MgCl₂、20.42%KCl、19.6%NaCl混合熔盐作为相变材料,建立无需对每个封装颗粒网格离散化的多孔介质局部非热平衡模型。通过数值计算对填充床式相变蓄热器的蓄热性能进行研究,分析了扰流参数以及颗粒结构参数等对蓄热器蓄热性能的影响。为提升蓄热器的蓄热性能,采用非均匀颗粒直径分布,并与等颗粒直径进行比较。结果表明:与填充0.025 m和0.015 m的等颗粒直径相比,蓄热器上端填充0.025 m和下端填充0.015 m的非均匀颗粒直径分布的相变材料完全融化时间分别缩短了3.81%和1.90%。

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动力设备与系统

基于集成耦合传热模型的燃煤锅炉高温腐蚀综合模型

李俊杰, 闫靖文, 金东昊, 刘欣, 张超群, 李驰, 王赫阳

2023, 43(8): 983-991. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.004

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为准确预测锅炉水冷壁高温腐蚀分布,开发了一个考虑管壁温度和H₂S体积分数等关键因素的高温腐蚀综合模型。由于管壁温度受锅炉烟气侧和蒸汽侧传热的共同影响,且炉膛与管道尺寸差异较大,难以在单一模型框架内进行模拟,因此开发了一个耦合传热模型。该模型分别采用三维计算流体力学(CFD)模型和一维流动模型模拟锅炉烟气侧和蒸汽侧的流动和传热过程,以准确计算管壁温度,最后将高温腐蚀模型应用于某350 MW超临界锅炉中。结果表明:水冷壁上可能形成局部高温区,尽管该区域内H₂S体积分数降低,但管壁温度显著升高,导致水冷壁腐蚀速率大幅加快。

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动力设备与系统

斜切式叶顶形状下非均等流量射流对叶顶间隙泄漏流动的影响

练智博, 杜雪霏, 许斌, 黄典贵

2023, 43(8): 992-999. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.005

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采用非均等流量射流的控制方式,即叶顶射流孔流量沿轴向弦长方向呈二次曲线分布,通过数值模拟方法探究LISA涡轮在斜切式叶顶形状下非均等射流对叶顶间隙泄漏流动的影响。结果表明:与前缘至尾缘间隙由小到大相比,前缘至尾缘间隙由大到小的叶顶形状下,非均等射流更有利于控制间隙流动,其相较于无射流下的涡轮等熵总总效率最大增幅可达2.20%,动叶出口质量平均总压损失系数最大降幅可达37.56%,间隙相对泄漏流量最大降幅可达48.57%;当射流比(总射流量占主流流量的比例)小于1.0%时,采用叶顶前缘单孔射流量大的分布方式,当射流比大于1.0%时,增加叶顶中部的单孔射流流量,这种非均等射流分布规律比均等射流控制效果更佳。

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动力设备与系统

滑动轴承内轴颈截面温度影响因素分析与试验研究

付豪, 沈德明, 杨建刚, 周浩

2023, 43(8): 1000-1005. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.006

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针对转子同步涡动带来的不稳定振动现象,搭建试验台,通过试验研究了转速、涡动幅度和静偏心率对滑动轴承内轴颈截面温差的影响,并利用热平衡模型进行了计算分析。结果表明:轴颈同步涡动时,油膜最薄处和最厚处黏性剪切应力差导致轴颈截面出现温差并引发热变形;轴径截面最大温差随着转速增大近似线性增加,随着涡动幅度增大非线性增加;轴颈静偏心率增大后,轴颈截面温差和油膜刚度提高,油膜刚度增加带来的振动抑制效果大于轴颈截面温差带来的热变形影响,总体振动幅值变小。

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动力设备与系统

集成煤泥干燥的掺烧发电系统热力学-技术经济性分析

刘荣堂, 王宇, 范佩佩, 刘明

2023, 43(8): 1006-1014. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.007

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为了提高煤泥的综合利用效率,在煤泥掺烧发电系统的基础上耦合煤泥干燥技术,分别构建了集成煤泥蒸汽/空气干燥的掺烧发电系统,基于热力学基本定律和技术经济基本理论,建立了系统热经济性和技术经济性分析模型,以某660 MW燃煤机组为例开展了系统能量分析、㶲分析及技术经济性分析。结果表明:集成煤泥蒸汽/空气干燥的掺烧发电系统在煤泥掺混比为25%~90%时的节煤量分别为2.07~9.44 g/(kW·h)和1.19~5.43 g/(kW·h),其节能本质为煤泥炉前脱水过程中低品位能量代替高品位能量作为热源,降低了燃烧过程㶲耗散和排烟㶲损失;系统投资回收期分别为5.0 a和3.1 a,20 a内净现值最大分别为694.1万元和540.5万元;从热力学/技术经济性角度(电站剩余寿命小于8.9 a)来看,集成煤泥蒸汽/空气干燥的掺烧发电系统性能更优。

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动力设备与系统

运行参数对曲臂式汽水分离器性能的影响机理

杨雪龙, 朱陈兵, 邹道杭, 牟介刚

2023, 43(8): 1015-1021. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.008

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采用计算流体动力学技术计算分析了蒸汽负荷、循环倍率和水位等运行参数对CANDU6堆蒸汽发生器用曲臂式汽水分离器性能的影响。选取水滴粒径x为100 μm、200 μm和300 μm,采用欧拉双流体模型模拟分离器内汽水两相流动。结果表明:运行参数对分离器性能的影响趋势在不同粒径下基本一致,满足粒径无关性;当x=300 μm时能够获得较为准确的分离效率和压损值;随着蒸汽负荷增加,分离效率升高,出口湿度降低,而循环倍率和水位对分离效率和出口湿度的影响则与之相反;随着蒸汽负荷或循环倍率的增加,压损升高,压损系数却降低,而水位对压损和压损系数的影响可以忽略。

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新能源与储能

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

刘青松, 缪维跑, 罗帅, 李春

2023, 43(8): 1022-1029. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.009

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针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明:在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。

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新能源与储能

超临界二氧化碳太阳能腔式吸热器数值模拟研究

熊烈, 杨凯, 黄晓宏, 张燕平, 李黎

2023, 43(8): 1030-1038. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.010

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针对太阳能碟式聚光器,设计了一种工质为超临界二氧化碳的圆台形腔式吸热器,建立了腔式吸热器的光热模型。采用蒙特卡洛光线追踪法分析了腔式吸热器的光学特性,并基于相关理论,将热边界条件导入Ansys Fluent软件中,对腔式吸热器的光学特性及流动传热特性进行了计算流体力学(CFD)仿真模拟,得到腔式吸热器内工质出口温度、工质流动压降、光学效率、热效率以及散热损失随着工质进口温度(100~200℃)和太阳光辐射强度(400~1 200 W/m²)的变化规律。结果表明:不同太阳光辐射强度下,吸热器的光学效率基本不变;太阳光辐射强度对腔式吸热器热效率的影响不明显;工质进口温度越高,吸热器的热效率越低;腔式吸热器散热损失中,自然对流散热损失最大,其次是辐射散热损失及导热散热损失。

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数字化与智能化

OVME结合SMHD的风电机组变桨轴承损伤识别

唐贵基, 薛贵, 王晓龙

2023, 43(8): 1039-1046. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.011

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针对风电机组变桨轴承的损伤识别问题,提出一种优化变分模态提取结合稀疏最大谐波噪声比解卷积的新颖损伤识别方法,旨在从复合信号中提取特定信号分量。首先,以能量特征指标为适应度函数,利用白鲨优化算法对变分模态提取算法的最优影响参数组合进行搜索,确定变分模态提取的平衡因子和中心频率的最优值;其次,利用变分模态提取从振动信号中提取特定信号分量,并对提取的信号分量进行稀疏最大谐波噪声比解卷积处理,提高信号的信噪比,得到解卷积信号;最后,对解卷积信号进行包络谱分析,从中提取轴承损伤特征频率。结果表明:该方法能准确识别风电机组变桨轴承的损伤特征,具有一定的实际工程参考价值。

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绿色低碳

回转窑进风方式对危险废物燃烧场的影响研究

刘文荟, 邓丹丹, 张蕊, 邹良栋, 王飞

2023, 43(8): 1047-1053. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.012

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为探究回转窑焚烧炉进风方式对危废燃烧场的影响,采用Fluent模拟回转窑内燃烧过程,研究了双通道旋流进风、单通道旋流进风和环形进风方式对回转窑焚烧炉温度场、组分场、速度场以及危废燃尽率的影响。结果表明:在双通道旋流进风方式下回转窑横截面平均温度最高,窑尾O₂质量分数最低,CO₂质量分数最高,CO质量分数降为0,窑内气体湍流度和危废速度均最大,物料完全燃尽,焦炭转化速率最高;在环形进风方式下,回转窑横截面平均温度最低,窑尾O₂质量分数最高,CO₂质量分数最低,CO未完全转化,窑内气体湍流度和危废速度均最小,物料燃尽率以及物料中焦炭转化速率均最低;单通道旋流进风方式下各参数介于双通道旋流进风与环形进风方式之间。

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绿色低碳

CuO载氧体对煤化学链燃烧中汞迁移的影响

刘秋祺, 刘敦禹, 王静杰, 范昀培, 许开龙

2023, 43(8): 1054-1059. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.013

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研究了在"CuO+煤"、"SiO₂+煤"、"煤"实验中燃烧和汞迁移规律。结果表明:在化学链燃烧还原反应器中载氧体与煤反应后,主要气体组分为CO₂,并含有少量CO、CH₄、H₂等挥发物;汞在还原反应器中主要以单质汞(Hg⁰)的形式进行释放,"CuO+煤"实验中Hg⁰释放量占总汞量的22.6%,远低于对照组;CuO促进了燃烧过程中汞迁移至载氧体形成颗粒态汞(Hg^P),CuO载氧体表面的O_α有利于汞转化吸附于载氧体表面,形成吸附态的HgO,一部分CuO被还原时,暴露的吸附位点较多,有利于Hg⁰的氧化。

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绿色低碳

硬木类生物质直燃发电厂环境足迹研究

朱广岩, 田亚峻, 李俊杰, 谢克昌

2023, 43(8): 1060-1067. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.014

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基于生命周期评价方法,建立了硬木直燃发电的清单数据,运用ILCD Midpoint+方法针对6 种环境影响类型进行评价,并分析了造成各类环境影响的主要污染物,同时,在6种环境影响类型方面对多种发电方式进行了对比。结果表明:硬木直燃发电过程的环境影响主要来源于种植过程和发电过程,其中全球变暖主要来自发电过程,其余5种环境影响类型主要来自种植过程;氮氧化物、硫氧化物、氨、温室气体是造成各单元过程环境影响的主要因素;在环境影响方面,与水力、风力、光伏发电方式相比,硬木直燃发电具有一定劣势,但其产生的环境影响远低于传统化石能源发电方式。

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综合能源系统

基于甲醇重整的燃料电池与有机朗肯循环耦合热电联产系统性能分析

张钟, 安吉振, 潘佩媛, 陈衡, 徐钢

2023, 43(8): 1068-1076. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.015

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为了解决氢能储运困难问题,实现甲醇燃料的高效和清洁利用,提出一种基于甲醇重整的燃料电池与有机朗肯循环耦合热电联产系统。在所提出系统中,甲醇与水在中低温条件下发生重整反应生成富氢合成气。在燃料电池中,合成气的化学能转化为电能,燃料电池的高温废气不仅用于加热空气也可作为有机朗肯循环的热源,实现了能量的梯级利用。在系统稳定运行的条件下,对新系统进行能量分析、㶲分析和经济性分析。结果表明:系统输出电力为147.372 kW,系统总效率为51.29%,系统㶲效率为40.56%;新系统的动态回收周期为4.97 a;在15年的运营周期内,净现值为127.94万元。

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综合能源系统

耦合碳捕集的水泥窑闪蒸式余热发电系统热力学分析

焦文婷, 程伟良

2023, 43(8): 1077-1084. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.016

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为实现水泥窑低温废气余热的梯级利用以及烟气的碳捕集,提出了一种新型耦合碳捕集单元的闪蒸式余热发电系统。利用余热发电系统中一级闪蒸饱和蒸汽作为碳捕集单元的供热热源,饱和蒸汽放热后的饱和水可再经二级闪蒸产生补汽进入汽轮机做功。分别利用Aspen Plus软件模拟碳捕集单元,Ebsilon软件模拟余热发电系统,以实现系统的热集成优化,进一步对碳捕集单元进行工艺改进以降低捕碳能耗。同时,从能量和㶲角度深入分析系统耦合碳捕集单元后的热力性能变化,在此基础上进一步分析捕碳能耗对新系统性能的影响。结果表明:新系统的发电功率为7.452 MW,年捕碳量可达11万t左右;与耦合常规碳捕集的系统相比,新系统的捕碳能耗由3.58 GJ/t降至3.08 GJ/t,循环效率和净发电效率分别提高了0.51百分点和0.9百分点。

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综合能源系统

基于能量梯级利用的高效灵活供热系统性能研究

张艺晨, 杨勇平, 戈志华, 杨志平, 郑立军

2023, 43(8): 1085-1094. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.017

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为兼顾供热节能和负荷调节灵活性,构建低品位余热与抽汽耦合的高效灵活供热系统,确定评价供热和调峰的性能指标,并利用Ebsilon软件进行热力建模;针对案例地区研究系统设计工况和变工况热力性能,得到不同供热负荷下的电负荷可调范围,研究同时满足热、电需求下的系统灵活运行调控策略及能耗特性。结果表明:系统通过能质匹配,降低比当量电耗,实现了低能耗供热,设计工况供热煤耗率为13.3 kg/GJ;调峰容量比最大为48.1%,比抽背模式提高24.3%;电热负荷变化时,背-抽-切方式间切换,供热煤耗率区间为 8~14.7 kg/GJ;供热煤耗率随电负荷率降低而增加;系统充分发挥低品位余热供热的节能优势,且在一定范围内热电解耦,兼顾了"节能"与"灵活"运行。

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综合能源系统

考虑碳交易的工业园区多源冷热电联供系统优化运行策略

贾晓强, 李德智, 陈洪银

2023, 43(8): 1095-1102. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2023.08.018

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为研究参与碳交易对多源冷热电联供系统运行策略的影响,以某工业园区为研究对象,构建了包含储能的园区多源冷热电联供系统。以热电联供(CHP)机组电热特性、爬坡功率限制和供需平衡等作为约束条件,以包含运行成本和碳交易成本的年综合成本作为优化目标,研究了光伏利用面积占比(x)和余热锅炉输入吸收式制冷机的热量分配系数(μ)等参数对多源冷热电联供系统综合成本和碳排放的影响。结果表明:光伏设备对多源冷热电联供系统经济性的影响高于光热设备,x为90%时经济性最佳,四季典型日μ的取值范围分别为[0,1]、[0.74,1]、[0,1]和[0,0.21],应根据季节和需求合理取值。

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