动力工程学报

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基础研究

化学链燃烧中载氧体结构设计对抗磨性的影响研究

赵一凡, 刘敦禹, 金晶

2024, 44(4): 509-519. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230134

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在化学链反应过程中,载氧体作为氧和热量的载体起着至关重要的作用,载氧体设计一直是化学链技术研究的重点和难点。化学链燃烧通常发生在流化床反应器中,由于化学反应带来的化学应力对载氧体磨损贡献率最大,导致载氧体寿命大大缩短,有效成分流失。从载氧体结构设计角度出发,定性评价了不同复合载氧体的抗磨损机理:核壳结构抑制了活性组分的相分离现象,避免了由于活性组分表面磨损带来的载氧体失活;添加Al₂O₃ 纤维和"铆钉"抑制了裂纹扩展,减缓了材料的磨损;添加燃料灰改善了复合载氧体的骨架强度,提高了载氧体抗磨性和抗结渣团聚性;利用复合载氧体的协同增效提高了反应活性,减缓了烧结团聚现象。从磨损动力学和使用寿命角度出发,定量比较了不同载氧体的磨损情况:通过对数拟合Gwyn 磨损动力学方程,求出不同载氧体拟合参数K和n,可以反映磨损机制和磨损变化规律。

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基础研究

基于人工神经网络的甲烷富氧燃烧机理优化

黄章俊, 徐通, 何洪浩, 孙刘涛, 田红, 李新卓

2024, 44(4): 520-527. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230115

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采用带误差传播的直接关系图法、全物种敏感性分析和人工神经网络(ANN)联合方法,以点火延迟时间和CO摩尔分数为优化目标,通过对甲烷富氧燃烧详细机理USCmech2.0 的简化和优化,提出了基于人工神经网络的甲烷富氧燃烧优化机理(ANN-OMOC)。甲烷富氧燃烧模拟计算和对比分析的结果表明:相比于甲烷富氧燃烧简化机理FSSA的预测误差, 优化机理ANN-OMOC对点火延迟时间、层流火焰速度的预测误差分别从2.53%、24.38%降到0.50%、14.41%;与甲烷富氧燃烧的简化机理DRGEP 和FSSA 相比,优化机理ANN-OMOC对点火延迟时间、OH摩尔分数峰值和CO摩尔分数峰值的预测结果最佳,其相对误差均在10%以下。

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基础研究

镍基合金263、282在超700℃燃煤锅炉烟气中腐蚀行为研究

潘佩媛, 王雨舟, 吴祥龙, 张乃强

2024, 44(4): 528-536. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230100

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研究商用镍基合金材料263和282在700~800℃模拟燃煤锅炉烟气环境中的腐蚀行为。计算腐蚀前后镍基合金的质量变化,采用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)分析腐蚀合金的微观形貌。结果表明:镍基合金的腐蚀行为包括氧化腐蚀、硫化腐蚀和硫酸盐腐蚀3 种机制;腐蚀速率主要受硫酸盐腐蚀控制,熔融的硫酸盐共熔体对镍基合金造成全面腐蚀,合金基体以近似恒定的速率持续被溶解,合金的失重量随温度升高呈现先增加后降低的趋势;同时,硫元素向基体内部扩散并引起局部硫化,低熔点金属硫化物发生熔融,可能导致合金内裂纹的生成和生长;温度升高显著加剧了镍基合金的硫化腐蚀。

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动力设备与系统

战略备用煤电机组的成本效益分析

李政, 杜秉霖, 张瑞瑜, 李晨鹏, 刘培, 刘建民, 解育才

2024, 44(4): 537-546. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230210

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气候变化导致极端天气频次升高,电力系统的安全稳定受到挑战。现有对战略备用机组的研究多为政策分析或者从机组成本和售电收入等角度进行建模仿真,无法全面反映其带来的经济社会影响。为综合分析战略备用机组的经济性,建立了考虑保障经济生产、居民健康效益和劳动力水平等方面收益以及电厂投资运维成本的成本效益分析模型,并以四川省限电事件为案例进行分析。结果表明:四川省限电事件中,战略备用机组可带来的度电效益为4.77 元/(kW·h),战略备用机组所带来的度电成本约为1.91 元/(kW·h),而使用已完成折旧的机组作为战略备用机组所带来的度电成本约为0.47 元/(kW·h),所以从全社会角度分析,建设运营战略备用机组是经济可行的;机组运行时长是影响战略备用机组度电成本的最关键因素,一年内低于89h 的运行时长会使得机组度电成本高于其社会效益。

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动力设备与系统

CCUS应用下660 MW燃煤电站度电成本与电力供应成本分析

赵淑媛, 袁鑫, 刘骏, 陈衡, 王修彦

2024, 44(4): 547-556. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230165

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为研究燃煤机组进行碳的捕获、利用与封存(CCUS)改造后度电成本与电力供应成本的变化情况,综合当前电-碳双市场发展趋势总结分析出燃煤机组CCUS 应用的成本、收益情况并建立仿真模型,同时对配备CCUS的660 MW 燃煤电站进行度电成本与电力供应成本的折算分析,最后以碳捕集成本、碳交易价格为变量进行敏感性分析。结果表明:火电机组经CCUS 改造后,预测度电成本将于2034—2035 年下降至电网区域煤电交易基准价向上浮动20%的范畴,于2039年后实现改造前后度电成本变化率为负数,即改造后度电成本低于改造前度电成本的目标,此外尽管碳捕集成本、碳交易价格将对度电成本和电力供应成本产生不同程度的影响,但在两者的耦合作用下,火电机组CCUS改造项目仍具有良好的经济性效果。

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动力设备与系统

基于塔克分解和声学测温的三维温度场重建

姚鹏搏, 孙铭阳, 王元, 沈国清

2024, 44(4): 557-565. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230250

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提出了一种基于塔克分解和声学测温的三维温度分布重建算法,该算法采用数值计算方法建立先验数据集,利用塔克分解提取锅炉温度场的主要特征,将声学测温与二维温度场插值相结合,重建三维温度场,提高了复杂温度场的重构精度,具有较快的重建速度。结果表明:该算法能够在10s左右重建复杂三维温度场,相比传统声学测温可以将重建误差降低10%以上,对于先验工况外的温度场也有较强的适用性,对燃煤电厂燃烧优化和负荷调整具有一定的指导意义。

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新能源与储能

基于主动尾流控制的风电机群协同优化调度

胡阳, 张冲, 房方, 刘吉臻

2024, 44(4): 566-574. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230140

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针对机组间尾流效应严重影响风电机组发电效率的问题,提出了风电机组安全偏航约束计算方法、尾流特性混合半机理建模方法以及风电机群多目标协同优化调度方法。基于FAST.FARM平台完善了多自由度可控机组与尾流的动态交互集成仿真环境,对比分析了2台机组串列式排布以及华东地区某海上风电场7台机组实际排布下的协同运行优化性能。结果表明:所建立的集成仿真模型能够合理表征风电机群与空气流场的多领域动态交互特性,所提方法能够有效提升风电机群发电效能,促进经济效益、资源利用和成本控制的均衡优化。

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新能源与储能

基于场级偏航控制的风电场尾流敏感性分析

唐荆, 赵鹰

2024, 44(4): 575-581. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230174

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偏航偏转控制有利于减小风机尾流效应,通过场级偏航协调优化减小尾流损失,可使风电场总发电量达到最大化。采用FLORIS 尾流代理模型,以各风机偏航角为优化对象,风电场总功率最大为优化目标,进行场级偏航寻优。针对不同风机间距、纵列个数、湍流强度、来流风速和来流风向等多个维度,对比分析了偏航优化对尾流损失及功率提升的敏感性。结果表明:当风电场排布间距小于5犇、风机纵列大于3 台且仅需优化前5 排、纵列机位连线与风玫瑰图主频风向夹角小于15°、风场湍流小于0.1、来流风速位于风机"切入风速+2 m/s"至"额定风速+2 m/s"区间时,场级偏航控制对于尾流优化效果最佳;若仅采用单机偏航控制风向,前排风机保留3°~5°偏航误差有利于风电场整体的发电收益

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新能源与储能

海洋温差能发电测试平台设计及试验研究

刘新宇, 张理, 吴鹏飞, 朱健华

2024, 44(4): 582-589. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230160

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为了验证海洋温差能发电技术的可行性,检验关键设备工作性能并提供可靠的数据支撑,设计并建造了一套50kW级海洋温差能发电测试平台。通过建立有机朗肯循环系统数学模型,研究了冷热源温度对系统性能的影响,同时通过平台运行试验,验证了理论设计模型的准确性并测试了典型工况下系统的运行特性。结果表明:冷热海水温差越大,系统循环热效率越高;测试平台运行结果与模拟结果吻合良好,系统瞬时最大发电功率可达43.9kW,平均循环热效率为2.49%。

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新能源与储能

基于调频信号自适应分解的电池储能辅助二次调频控制策略

刘鑫屏, 刘磊

2024, 44(4): 590-598. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230108

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以清洁能源发电为代表的零碳机组大规模并入电网,其间歇性和不确定性带来的频率波动愈发凸显。针对电池储能辅助火电机组调频灵活性不足、荷电状态维持效果不理想的问题,提出一种基于调频信号自适应分解的储能辅助二次调频控制策略。首先,综合灵敏度、储能荷电状态、频率偏差状态3个因素,给出区域调节需求信号和区域控制误差信号的切换时机判据;计及火电机组爬坡率限制和储能荷电状态限制,提出自适应调频信号分解策略,构建回报增益与荷电状态之间的规律并将其作为调节参考值,利用频率偏差对参考值进行修正,最后通过状态一致性检测模块判断回报增益的输出,以实现2种调频资源的优势互补。通过单区域系统频率响应模型仿真,验证了本文策略的有效性。结果表明:本文策略能够提高系统的灵活性,使各调频资源形成互补关系。

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数字化与智能化

高阶时滞系统的改进线性自抗扰控制及参数整定方法

刘长良, 杨超杰, 刘卫亮, 刘帅, 王梓齐

2024, 44(4): 599-606. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230173

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针对高阶时滞系统采用传统线性自抗扰控制调节效果不佳、参数整定困难的问题,提出一种高阶时滞线性自抗扰控制。在一阶线性自抗扰控制的基础上,串联高阶前馈补偿器,从而解决了线性扩张状态观测器前馈信号和反馈信号不同步的问题,提高了系统的状态观测精度;在此基础上,采用目标逼近法定量化参数整定公式,并推导出参数可调节区间,实现利用单参数λ调节控制器参数,简化参数整定;进一步采用频域分析法验证该整定方法的有效性,并确定参数和系统鲁棒性的关系。最后,在选择性催化还原(SCR)脱硝控制系统的仿真实验中将所提出的控制器与其他类型控制器进行了对比,验证了该控制器的优越性。结果表明:所提出的高阶时滞线性自抗扰控制在定值跟随、抗扰动和鲁棒性上均具有明显优势,具有很大的工程应用潜力。

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数字化与智能化

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

张艳峰, 杨锡运, 王忻哲

2024, 44(4): 607-615. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230185

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针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI 控制等方法进行了对比实验。结果表明:所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。

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绿色低碳

SNCR脱硝过程中固体聚合脱硝剂的性能研究

唐晶, 欧阳昊东, 孙文涛, 吴亚昌, 刘子树, 赵莉

2024, 44(4): 616-621. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230079

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由于以尿素或氨水为还原剂的传统非催化还原脱硝(SNCR)技术存在还原剂分解不充分、反应温度高、脱硝效率低等问题,固体脱硝剂可用于克服上述问题。以三聚氰胺、尿素、甲醛为基体,制备了一种固体聚合脱硝剂,并分析反应温度、O₂体积分数、H₂O体积分数、停留时间和氨氮比等对其反应活性的影响。结果表明:固体聚合脱硝剂的活性温度窗口与常规还原剂相比较低;当O₂体积分数为1.2%时,脱硝效率最高,为84.2%;H₂O 体积分数为1.4%时,脱硝效率最高,为91.4%;而停留时间对脱硝剂反应活性的影响不明显,氨氮比的影响更为明显,当氨氮比为1.5时脱硝效率最高。

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绿色低碳

循环流化床大气污染物机理模型及关键状态变量研究

蒋海威, 高明明, 张开萍, 张一帆, 岳光溪

2024, 44(4): 622-631. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230199

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基于循环流化床机组炉内脱硫、炉内自脱硝和选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术等,对循环流化床锅炉(CFB)机组大气污染物排放进行了研究,建立了CFB 机组炉内燃烧模型以及污染物生成、脱除模型,并对影响污染物排放的关键状态变量进行了分析。结果表明:所建立的循环流化床机组SO₂和NO_x排放模型可以较好地拟合实际运行数据,且具有一定的预测效果和较强的模型通用性;即燃碳的燃烧影响了炉内还原气氛,其会显著影响炉内NO_x的还原;活性石灰石量以及炉膛温度是影响SO₂与活性石灰石固化反应的主要因素,相对较高的炉膛温度以及较少的活性石灰石存量均会使SO₂排放质量浓度升高,但温度越高,NO_x的排放水平越低。

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绿色低碳

煤粉富氧燃烧CO₂富集特性与NO_x生成量模拟预测研究

严祯荣, 钟布依, 胡超, 张涛, 何翔, 夏杰, 滕澜, 笪耀东

2024, 44(4): 632-640. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230700

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分析了富氧下的煤粉燃烧特性、CO₂富集特性和NO_x生成特性,并模拟了CO₂富集和NO_x生成量的协同控制趋势。结果表明:与空气燃烧相比,富氧燃烧条件下CO₂富集分布与NO_x体积分数分布是负协同效应;不同O₂/CO₂体积分数比的富氧下,随着O₂体积分数的增加,炉膛出口的CO₂体积分数和NO_x体积分数都先上升到最大值后稍微下降,呈正协同效应,但出现拐点的O₂体积分数不同;CO₂富集到一定程度时,能有效抑制NO_x的生成量;在富氧条件下,可实现炉膛出口的高CO₂富集与低NO_x生成量的协同控制技术。

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绿色低碳

基于改进INFO-Bi-LSTM模型的SO₂排放质量浓度预测

王琦, 柴宇唤, 王鹏程, 刘百川, 刘祥

2024, 44(4): 641-649. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230184

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针对火电机组SO₂排放质量浓度的影响因素众多,难以准确预测的问题,提出一种改进向量加权平均(weighted meanofvectors,INFO)算法与双向长短期记忆(bi-directionallongshortterm memory, Bi-LSTM)神经网络相结合的预测模型(改进INFO-Bi-LSTM 模型)。采用Circle混沌映射和反向学习产生高质量初始化种群,引入自适应t分布提升INFO算法跳出局部最优解和全局搜索的能力。选取改进INFO-Bi-LSTM 模型和多种预测模型对炉内外联合脱硫过程中4种典型工况下的SO₂排放质量浓度进行预测,将预测结果进行验证对比。结果表明:改进INFO算法的寻优能力得到提升,并且改进INFO-Bi-LSTM 模型精度更高,更加适用于SO₂排放质量浓度的预测,可为变工况下的脱硫控制提供控制理论支撑。

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综合能源系统

基于火电厂源侧的综合能源系统集成及优化配置研究

员盼锋, 徐舒涵, 丹慧杰, 张民, 牛国平, 蒙毅

2024, 44(4): 650-657. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230191

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提出一种基于火电厂源侧的综合能源系统构型,该系统以火电机组为核心,在系统的输入端耦合生物质气化、垃圾气化、干化污泥等多种可再生能源输入,在输出端供应冷、热、汽、电等多种能源产品,并将电厂热平衡模型与可再生能源模型及制冷制热系统模型耦合,建立以效率和经济性为目标的优化配置方法,采用输入端优化与输出端优化2类优化逻辑,从系统输入端、输出端来分析火电厂源侧综合能源系统主要运行参数对经济性和效率优化目标的影响。结果表明:综合能源改造对现阶段火电厂具有积极意义。

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综合能源系统

超临界CO₂-有机朗肯联合循环的多目标优化

侯胜亚, 杨其国

2024, 44(4): 658-664. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230137

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采用复合型超临界二氧化碳-有机朗肯联合循环来回收燃气轮机的余热,建立了热力学以及经济性模型,探究了关键参数对联合循环系统性能的影响规律,从热力学性能、空间紧凑性、经济性能等方面对联合循环系统进行了研究,并对联合循环进行了多目标优化。结果表明:在最优状态下复合型超临界二氧化碳再压缩-有机朗肯联合循环的效率为54.56%,比燃-蒸联合循环提高了4.2%,其单位输出功率所需换热面积为0.1178 m²/kW,比燃-蒸联合循环降低了21.41%。

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