动力工程学报

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基础研究

基于临界面法的微动疲劳寿命预测工程应用研究

邓国坚, 石伟朝, 刘阳

2024, 44(1): 1-6. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.220756

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为研究可应用于工程实际的微动疲劳寿命预测方法,通过对压气机材料TC11微动疲劳试样进行微动疲劳寿命预测分析,梳理了基于临界面法的微动疲劳寿命预测方法的基本流程,并将SWT微动损伤参数的预测结果与试验数据进行对比。结果表明:弧度较小的榫头工作面会使得榫连接模拟件接触区域的SWT临界面参数值降低,有利于提高微动疲劳寿命;基于SWT临界面参数的寿命模型的预测结果与试验值的误差分散带在2倍因子以内,对航空发动机和燃气轮机实际构件的微动疲劳寿命预测具有参考意义。

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基础研究

TP347H和Sanicro25在700℃高温水蒸气中的氧化行为研究

王苗苗, 倪一帆, 张作贵, 王延峰

2024, 44(1): 7-14. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230018

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研究了奥氏体不锈钢TP347H和Sanicro25在700 ℃、5 MPa高温水蒸气环境中的氧化行为,氧化1 000 h后采用增重法和厚度法获得2种合金的氧化动力学规律,利用扫描电镜和能谱仪分析了氧化物的形貌和元素分布,利用X射线衍射仪对样品表面氧化物进行物相分析。结果表明:2种合金的氧化动力学行为基本符合抛物线规律,氧化物的形成和剥落均分为6个阶段,Sanicro25样品的抗蒸汽氧化性能优于TP347H样品;TP347H氧化膜外层主要是Fe₂O₃和Fe₃O₄,内层主要是(Fe,Cr)₃O₄;Sanicro25氧化膜外层主要是Fe₂O₃和Fe₃O₄,内层主要是(Fe,Cr)₃O₄和Cr₂O₃。

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基础研究

低参数条件下并联多通道间汽-水两相流密度波不稳定性分析

刘佳伦, 张永海, 陈勇强

2024, 44(1): 15-24. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230020

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建立了适用于并联任意多通道间汽液两相流密度波不稳定性分析的时域法计算模型,将并联通道内流动区域划分为一系列网格,建立质量、动量、能量守恒离散方程,考虑沿程两相工质物性变化。参考深度调峰低负荷条件下锅炉水冷壁相关参数,对低压力(p=8~10 MPa)、低质量流速(G=300~500 kg/(m²·s))下并联多通道间密度波脉动特性开展计算分析。采用先增大后减小的线性分布规律近似模拟水冷壁管道壁面的轴向热流密度分布。结果表明:随着系统压力、入口工质质量流量的降低,系统稳定性逐渐降低;随着轴向热流密度分布不均匀度的增大,系统密度波脉动趋于发散,系统临界热负荷逐渐降低,系统趋于不稳定;系统临界热负荷随轴向热流密度分布不均匀度的变化趋势是非线性的。

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动力设备与系统

汽轮机蒸汽管道与阀门及汽缸外缸外表面传热系数的计算模型和计算方法

史进渊, 谢岳生, 徐佳敏

2024, 44(1): 25-37. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230048

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构建了汽轮机蒸汽管道、主汽调节阀与汽缸外缸的外表面传热系数计算模型与计算方法。给出了汽轮机蒸汽管道、主汽调节阀、高压外缸、中压外缸与低压外缸的内表面传热系数以及保温结构外表面与低压外缸外表面的复合传热系数计算公式。建立了汽轮机蒸汽管道、高压外缸与中压外缸的金属内层壁与保温结构外层壁的双层圆筒壁、主汽调节阀金属内层壁与保温结构外层壁的双层球壁以及低压外缸单层圆筒壁的传热过程计算模型。考虑到金属内层壁内表面温度与外表面温度和保温结构外层壁外表面温度均为待定温度,采用迭代法确定这些汽轮机部件的表面温度、传热过程的传热系数与热流密度。完成了汽轮机蒸汽管道、主汽调节阀、高压外缸、中压外缸与低压外缸的外表面传热系数计算分析的应用实例,得出了这些汽轮机部件传热过程金属内层壁外表面的传热系数、热流密度与等效表面传热系数的计算结果,为这些汽轮机部件温度场与应力场的有限元数值计算提供了传热边界条件。

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动力设备与系统

微小间隙内润滑油剪切流动引发的不稳定振动现象分析

夏添, 杨建刚

2024, 44(1): 38-44. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230024

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针对微小间隙内润滑油剪切流动引发的不稳定振动现象,建立轴颈截面温差、转子热弯曲和转子振动求解模型。以2台发电机组的周期性振动波动为对象,分析润滑油温和不平衡力对汽轮发电机振动的影响。结果表明:轴承微小间隙内润滑油剪切流动带来的热弯曲效应在一定条件下有可能引发机组不稳定振动;适当增大进油温度、增加密封瓦间隙可以减小转子热弯曲变形,降低振动波动;不平衡力会激发起较大的涡动轨迹,通过动平衡方法可以减小轴承最大与最小油膜厚度差值,降低轴颈截面温差,稳定振动状态。

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新能源与储能

生物质CFB氮氧化物排放建模与优化控制

郭炯楠, 高明明, 吕俊复, 岳光溪

2024, 44(1): 45-55. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230200

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由于生物质循环流化床(CFB)燃烧不稳定,为实现负荷波动过程中机组NO_x的动态预测,从锅炉燃烧机理切入,建立了氧量模型与即燃碳模型;对炉内NO_x自生成与自还原机理进行分析,并结合数学建模的方法,建立了NO_x动态排放模型。进行给料量、二次风量开环阶跃试验;分析NO_x排放与氧量耦合情况,采用简化对角解耦与前馈补偿解耦法解除耦合。结合某130 t/h生物质CFB实际运行数据进行仿真试验。结果表明:模型拥有较好的预测效果,能反映氧量及NO_x排放过程的动态特性,可实现给料量控制NO_x排放质量浓度、二次风控制氧体积分数的单回路控制,所设计的NO_x排放质量浓度模型及解耦控制方法可以为今后生物质CFB机组适应动态运行以及智能控制策略设计提供参考。

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新能源与储能

基于铜基的生物质化学链重整制备合成气实验研究

郭磊, 董韦汝, 刘艇安, 吴小琴, 王靓, 吴玮

2024, 44(1): 56-61. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230322

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使用热重分析仪和小型流化床反应器分析了基于铜基氧载体的生物质化学链重整,研究了氧载体和反应器温度的影响。结果表明:与铁基氧载体、石英砂相比,使用铜基氧载体时失重和失重速率均更大,这是因为铜基氧载体在较高的温度下能够释放出氧气,加速生物质的热解与气化;在较高的温度下,气化效率、气产率、转化率和气化速率均较高;铜基氧载体表现出较好的氧化还原能力、抗烧结能力和反应性。

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新能源与储能

基于深度条件子域自适应网络的轴承跨域故障诊断研究

范永胜, 丁雪, 邓艾东

2024, 44(1): 62-67. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.220789

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针对无监督跨域故障诊断领域存在标注数据不足、模型诊断精度低等问题,提出了一种新型深度条件子域自适应网络(DCSAN)。该网络将分类器预测的置信度映射到共享特征提取器所提取的特征中,以获得多模态映射特征,之后利用多核局部最大平均差异(MK-LMMD)度量不同域间多模态映射特征之间的距离。然后,通过最小化MK-LMMD和分类器损失函数,实现了源域和目标域相应子域分布的对齐。最后,在江南大学轴承数据集上对所提方法的可行性进行了验证。结果表明:在6个变工况迁移任务中,DCSAN模型的平均诊断准确率分别比深度适配网络(DAN)、域相关性对齐方法(D-CORAL)和基于对抗学习域适应方法(DANN)模型高出9.5百分点、8.0百分点和13.6百分点;所提DCSAN模型在子域对齐和跨域自适应故障诊断方面具有一定的有效性和优越性。

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新能源与储能

基于气液两相地热源的ORC发电系统工质筛选

赵斌, 温柔, 边技超, 刘瑞, 龚宇烈, 王善民

2024, 44(1): 68-75. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230011

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针对以热源温度为140 ℃的气液两相混合地热流体为热源驱动的有机朗肯循环(ORC)发电系统最佳工质筛选问题,选取6种干工质,通过在MATLAB中搭建系统模型,分析了各工质蒸发温度对系统热力性能的影响,对比了不同蒸气质量分数下最佳蒸发温度随热源温度的变化规律,并研究了热源质量流量对系统净输出功率的影响以及蒸发温度对回灌温度的影响。结果表明:综合考虑工质的热力性能、物理化学稳定性、热源匹配性以及回灌温度对地热ORC发电系统的影响,工质R601a(异戊烷)可作为以140 ℃气液两相混合地热流体为热源驱动的ORC发电系统的最佳适用工质。

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数字化与智能化

燃煤机组过热汽温宽负荷模型前馈控制

陈祎璠, 曹越, 司风琪

2024, 44(1): 76-83. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230042

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为了对燃煤机组过热汽温宽负荷运行时进行更精确地前馈控制,提出一种基于物理引导神经网络(PGNN)的预测前馈信号模型,并基于间隙度量法确定了多模型的负荷段分配。多模型间隙度量PGNN预测方法采用多模型间隙度量方法对负荷区段进行合理划分,结合过热器机理引导的长短期记忆神经网络,可以对强耦合、大惯性的过热汽温宽负荷前馈信号进行精准预测。结果表明:在机组宽负荷运行时,随着负荷降低控制对象的非线性程度逐渐增强,需要更多的模型数量,采用多模型间隙度量PGNN前馈控制方法可以在不同工况下采用与当前工况相适应的前馈信号,有效提升过热汽温的调节精度和稳定性。

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数字化与智能化

SCR脱硝系统的串级自耦PID控制方法

曾鹏, 曾喆昭, 黄利容

2024, 44(1): 84-90. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230017

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针对选择性催化还原(SCR)脱硝系统具有多扰动、大惯性和模型不确定性等特性,提出了一种基于自耦比例积分微分(SCPID)控制理论的控制方法。该方法将SCR脱硝系统中的内部扰动、外界扰动与模型不确定性等一切复杂因素定义为总扰动,进而将该系统映射为线性扰动系统,据此构建了一个在总扰动反相激励下的受控误差系统,然后针对SCR脱硝系统的内环和外环系统分别设计了自耦PID控制器,使得控制力的量纲与被控系统相匹配,最后采用3个仿真试验验证所提方法的有效性。结果表明:所提出的SCPID控制方法响应速度快、无超调、抗干扰能力强,同时具有良好的鲁棒性。

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数字化与智能化

基于权参数优化的并行深度学习光伏功率预测

董坤, 冉鹏, 刘旭, 樊钦洋, 李政, 曾庆华, 李伟起

2024, 44(1): 91-98. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230021

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针对不同应用场景下光伏数据波动模式差异较大时,现有的光伏发电功率预测模型存在精度及适应性不足的问题,提出了一种具有权参数自适应性的并行深度学习光伏发电功率预测框架。该框架包含2种可以并行预测的深度学习算法单元(Attention-Seq2Seq单元、Transformer单元)以及一个权参数自适应优化单元。基于所提出的并行深度学习框架,对光伏发电功率进行预测,并分别与Attention-Seq2Seq、Transformer模型的预测结果进行了对比验证。结果表明:基于权参数优化的并行深度学习光伏功率预测框架弥补了不同数据波动模式下单一算法预测精度和适应性不足的问题,也可以有效解决时间序列预测中的长距离依赖问题,较单一算法预测精度更高,其平均绝对误差和均方根误差在夏季典型日最大降幅分别是41.18%和45.59%,在冬季典型日最大降幅分别是81.13%和82.86%。

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数字化与智能化

考虑模糊多目标优化的风电场无功电压分区控制

王玮, 杨健, 任国瑞, 任鑫, 王华

2024, 44(1): 99-108. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230028

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为提升双馈风电场的无功功率补偿和电压稳定能力,提出了一种考虑模糊多目标优化的风电场无功电压分区控制方法。基于有功功率数据对风电场进行分区降维,并计算获得了各分区的无功优化限值;定义了分区无功裕度指标用以描述风电场电压运行的安全裕度,综合考虑运行安全性和稳定性,建立了风电场无功电压的模糊多目标优化模型;提出了一种可大范围全局快速寻优的自适应遗传禁忌算法,通过重新定义交叉与变异概率提升了寻优的全局时效性,通过引入禁忌算法改善了寻优准确性。最后,以某双馈风电场为例进行了仿真验证。结果表明:所提方法能够为风电场预留充足的无功裕度,显著降低系统内部的电压波动。

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绿色低碳

NaHCO₃干法同步脱除垃圾烟气HCl和SO₂实验研究

马如双, 丁得龙, 葛春亮, 吴哲鹏, 韦廷璠, 张屹覃, 戴尚访, 杨建国

2024, 44(1): 109-117. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230014

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采用NaHCO₃干法脱除垃圾烟气中的酸性污染物,针对复杂烟气组分,实验研究了多种关键因素对脱氯和脱硫的影响。结果表明:NaHCO₃干法脱酸受温度影响较小,在130~250 ℃温度范围内,HCl、SO₂脱除效率可分别达到95%、90%;增加反应时间可较显著地提升脱酸性能,综合考虑环保及经济性,在碱酸比为1.1时烟道反应段的停留时间控制在1.25 s以上、选择除尘器设计过滤风速为0.60 m/min左右较为合适;烟气含水率小于15%时,水蒸气对SO₂的脱除具有较明显的促进作用;在碱酸比≤1.0时,HCl具有明显的优先反应能力;在碱酸比为1.1时,HCl质量浓度每增加100 mg/m³,SO₂脱除效率约下降1.1%,SO₂排放质量浓度约增加4 mg/m³,而HCl脱除效率基本不受SO₂质量浓度的影响。

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绿色低碳

二次再热燃煤-捕碳-制甲醇系统集成设计与优化

付文锋, 窦艳滨, 王蓝婧, 崔庆伟

2024, 44(1): 118-127. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230065

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针对碳捕集电厂的高能耗及CO₂的后续利用问题,设计了一种二次再热燃煤-捕碳-制甲醇一体化系统。以某1 000 MW超超临界二次再热机组为例,采用动态自适应粒子群优化算法对所提系统参数进行优化计算,分析了碳捕集率和光电制氢成本等因素对系统性能的影响。结果表明:当碳捕集率为90%时,一体化系统的热效率相比燃煤-捕碳机组提高了6.62%,CO₂排放强度降低了4.45 g/(kW·h),净收益提高了33.42亿元;当碳捕集率在40%~90%内变化时,一体化系统的热效率能够稳定保持在49%以上;随着未来光电制氢成本的下降,一体化系统的净收益将显著提升。

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综合能源系统

一种新的多能互补分布式能源系统动态约束工作点设计方法

张瑞芳, 崔国民, 徐玥, 肖媛, 易智康, 郭佳

2024, 44(1): 128-137. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230001

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提出了一种新的动态约束工作点设计方法,通过调节部分设备容量,并同步优化储能设备容量,强化储能设备削峰填谷的优势。以经济性最优为目标,以系统中各设备容量为优化变量,将容量配置优化模型与强制进化随机游走算法相结合,并将其应用于具体算例。结果表明:相比其他3种方案,采用动态约束工作点设计方法后年综合费用分别降低了11.3%、8.8%和4.1%,进一步提高了系统的经济性。

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综合能源系统

计及AA-CAES与PTC集成的综合能源系统运行优化与性能分析

吴迪, 刘奥, 龚弟鑫, 马帆帆, 马立, 韩中合, 刘树华

2024, 44(1): 138-147. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230039

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为进一步发挥综合能源系统的多能互补优势,提出一种计及先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)与槽式太阳能集热器(PTC)集成的综合能源系统(IES-PTC-CAES)优化运行策略。首先,对AA-CAES、PTC以及系统中其他设备进行分析并建立相应模型;进而以经济性、环保性和能效性为优化目标,以设备运行的关键参数为优化变量,基于分时电价建立了协同优化策略,并通过K-means算法将模拟出的典型年负荷聚类为典型日负荷;最终,使用并行式的遗传算法对系统进行寻优,得到不同目标下IES-PTC-CAES的最优运行策略。结果表明:与参考系统相比,IES-PTC-CAES系统经济目标下总成本降低了14.61万元,环保目标下二氧化碳排放量减少了6 194.38 kg。

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综合能源系统

前置暖风器电站锅炉烟气余热回收系统多参数设计与变工况运行策略

陈珣, 封又琳, 杨凯旋, 刘明, 严俊杰

2024, 44(1): 148-156. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.220785

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针对前置暖风器烟气余热回收系统,建立了多参数设计优化与变工况特性计算模型,开展了系统的多参数优化,并提出了运行参数控制策略。结果表明:多参数优化后系统在设计工况下的节煤率为3.67 g/(kW·h);多参数优化后的系统在变工况下虽能保持较高的节煤率,但系统的安全性受到环境温度和负荷的严重制约;采用所提出的控制策略可使系统在100%额定负荷下,安全运行的环境温度下限从24 ℃扩展至-3 ℃,显著提高了系统优化的综合效果。

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