动力工程学报

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李德波, 靳万龙, 陈兆立, 陈智豪, 宋景慧, 雷贤良, 邓磊, 车得福

2024, 44(6): 837-843. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230268

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基于通道几何尺寸对印刷电路板换热器(PCHE)流动与传热特性的影响,采用数值方法研究了通道高度对翼型翅片PCHE流动传热性能的影响。结果表明:通道高度显著影响PCHE的紧凑性、阻力与传热性能;在相同雷诺数条件下 (Re=6 000~14 000),随着通道高度H的减小(通道高度与横向节距之比H/S_T=0.12~0.60),范宁摩擦因子f先降低后升高,H/S_T=0.24翼型翅片通道的f最低;H/S_T=0.24~0.60翼型翅片通道的柯尔本-j因子j几乎相同,H/S_T=0.12翼型翅片通道的j有所增加;j/f适合于评价不同高度翼型翅片通道的综合性能,以j/f作为综合性能评价指标时,H/S_T=0.24翼型翅片通道的综合性能最佳。

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氨煤混燃气相中NO生成的化学反应动力学分析

康志忠, 张震卓, 丁先, 赵虎军, 孙哲

2024, 44(6): 844-850. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230271

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氨煤混燃涉及复杂的化学反应过程,是否会加剧氮氧化物的生成是倍受关注的问题。通过化学反应动力学计算方法,研究了氨煤混合燃烧的气相反应中NO生成和还原的反应路径,以及不同因素对NO生成的影响。结果表明:温度T=1 300 ℃、过量空气系数α=0.84时,相较于纯煤燃烧,掺氨比例为0.3时能够降低反应器出口NO体积分数96.5%,原因是此工况下氨分解产生大量的NH₂和NH等自由基,其还原反应的反应速率更快,从而使含N基元向N₂转化;T=1 300 ℃下,掺氨比例为0.3时较为合适,此时反应器出口的NO和NH₃体积分数均较低;小比例掺氨燃烧会增大NO的生成速率和NH₃的分解速率,导致反应器出口NO体积分数增大,且温度越高,该现象越明显;α<1的还原性气氛和较低的温度(T≤1 300 ℃)能够有效降低NO的排放。

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基于外部冷却模块和内部凝雾模块的高位收水机械通风冷却塔性能对比研究

龙国庆, 张国罡, 邓伟鹏, 孙奉仲

2024, 44(6): 851-858. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230157

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为了控制雾羽和节约水资源,搭建了高位收水机械通风冷却塔热态实验系统,分别对外部冷却模块(干湿联合冷却塔)和内部凝雾模块(凝雾式冷却塔)的消雾、节水及热力性能进行对比分析,研究了环境温度、循环水进水温度及循环水量对冷却塔性能的影响。结果表明:干湿联合冷却塔和凝雾式冷却塔均具有消雾和节水能力,但实现二者的消雾和节水是以降低冷却塔冷却性能为代价的;与原塔相比,干湿联合冷却塔和凝雾式冷却塔的循环水温降约降低了1.5 K;干湿联合冷却塔和凝雾式冷却塔的消雾和节水性能受运行参数的影响很大,且凝雾式冷却塔的节水量和节水率高于干湿联合冷却塔。

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水力脉动下抽水蓄能机组扭振特性辨识方法

马运翔, 刘晓锋, 何小锋, 彭辉, 曹扬

2024, 44(6): 859-864. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230033

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提出一种基于水力脉动的抽水蓄能机组轴系扭振特性辨识方法,即采用应变测试技术获取随机性动态扭矩信号;设置触发阈值,将扭矩信号和阈值的交点及其后一定长度的样本点组成样本信号;对足够多样本平均后,信号中随机响应和正/负速度冲击响应被平均掉,剩余则为幅值冲击响应信号;用指数函数拟合冲击响应信号,从中得到扭振固有频率和阻尼。将该方法应用于某抽水蓄能机组扭振特性辨识。试验结果表明:25%负荷工况下水力脉动幅度较大,触发阈值对阻尼和频率辨识结果的影响较小;负荷升高后扭矩脉动幅度减小,触发阈值对频率识别值的影响较小,但会影响阻尼识别值;该方法无需施加扭矩激励,可以实现安装状态下扭振特性辨识,具有较强的工程应用价值。

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表面冲孔影响燃料组件热工水力特性的数值模拟

李晨, 王会, 应起繁, 刁永发

2024, 44(6): 865-871. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230237

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利用数值模拟方法计算不同雷诺数工况下棒束通道内特别是在定位格架下游的热工水力参数,从沿程压降、努塞尔数、综合局部换热因子等方面分析了不同冲孔模型对定位格架下游段速度和湍流强度的影响,并计算了不同雷诺数范围内的最佳冲孔面积。结果表明:当雷诺数不小于5 871时,相比于未冲孔模型,冲孔模型均能起到降低下游段压降的效果;雷诺数大于6 605时,在搅浑叶片表面冲孔会降低叶片出口处的纵向涡量,进而会导致下游流场远场段的努塞尔数降低;当雷诺数小于7 339时,冲孔面积比为15%时综合换热因子的提升最大,但雷诺数大于7 339时,下游远场的局部综合换热系数会随着冲孔面积的增大而逐步降低。

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生物制氢原理及研究进展

陈鸿伟, 付昱飞, 宋杨凡, 郭成浩, 施睿鹏, 王猛, 徐游波

2024, 44(6): 872-885. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230241

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主要综述了光解水、光发酵、暗发酵、暗-光发酵耦合等生物制氢技术,分析各方法的产氢机制、工艺优劣、影响因素和研究现状等,同时对比了生物制氢反应器的类型与特点。结果表明:生物制氢在低品位能源处理与高级能源生产方面具有巨大潜力。最后,给出了目前生物制氢技术的发展建议。

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面向风电机组运维数据的知识图谱构建方法

李晓璐, 王岢, 赵冰, 廖文宇

2024, 44(6): 886-894. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230235

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针对风电机组数字化智慧运维中面临的风电场多台机组运行数据过载、故障信息冗余、运维知识查询效率低下和全生命周期运维知识推理不足等问题,提出面向风电机组运维数据的知识图谱构建方法。首先,利用风电机组设备维修工单等文本数据进行故障部件、故障原因等重要信息的提取,给出风电机组运维数据的知识图谱构建全流程;其次,在构建过程中分别针对故障实体、属性抽取、关系抽取进行建模分析。结果表明:风电运维知识图谱有助于机组运维人员准确地掌握故障根因,高效获取运维措施,保障信息化、智能化条件下风电机组维修能力;与关系型数据库相比,该设计方法在查询精度和时间方面具有更好的运用效果。

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仿灰鲭鲨尾鳍襟翼的翼型气动性能数值研究

苏顺龙, 叶学民, 吴英明, 李春曦

2024, 44(6): 895-904. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230319

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为进一步提高翼型的气动性能,基于灰鲭鲨尾鳍上尾叉型线结构,提出一种仿生襟翼结构。利用SST k-ω湍流模型模拟仿生翼型的气动性能和内流特征,分析了仿生襟翼相对位置和角度的影响,得到了气动性能最优的仿生襟翼翼型,并将其与格尼襟翼进行对比。结果表明:安装仿生襟翼后,翼型升阻比较原翼型显著提高;当襟翼相对高度不变时,减小襟翼安装角和增大襟翼与尾缘间的距离均导致翼型失速提前;安装角为45°且逆流向安装在尾缘处的仿生襟翼翼型气动性能最优,其升力系数较格尼襟翼翼型在失速前平均提高5.9%;安装仿生襟翼后流场结构更复杂,流场内涡的位置、数量及大小均有所改变。

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立体平板热管强化温差发电性能的实验研究

李大树, 丁奕文, 张程宾

2024, 44(6): 905-910. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230288

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为提升温差发电装置的发电效率,提出了一种立体平板热管强化性能方法,通过实验对比评估了2种充液率对该立体平板热管均热性能的影响,探究了不同温差下温差发电系统的最大输出功率和发电效率。结果表明:充液率为27.4%时立体平板热管启动过程为分段启动,且温度分层现象明显;充液率为31.7%时立体平板热管可在40 ℃左右时迅速启动,启动后温度分布均匀性和一致性较好,有利于温差发电系统持续稳定高效发电;基于立体平板热管强化的温差发电系统的最大输出功率和发电效率均随着冷热端温差的增大而增大,且温差发电效率最高可达3.99%。

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基于模型-数据联合的光伏-光热系统储能量预测

田亮, 王冠杰

2024, 44(6): 911-918. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230290

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提出一种模型-数据联合预测方法,通过机理分析建立对象动态模型,并引入未来太阳辐射强度、用户负荷预测数据进行即时模型预测,通过注意力机制改进的卷积-长短时记忆混合神经网络建立数据预测模型,并引入历史数据进行滚动数据预测,然后利用卡尔曼滤波器对2种预测模型的输出结果进行融合,实现储能量的联合预测。结果表明:联合预测兼具2种方法的优势,能很好地解决储能量预测误差随时间累积的问题,并能够及时表征气象因素突变和系统运行方式改变时储能量的变化情况,在各种天气状况下均具有良好的预测精度。

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考虑火电运行平稳性的飞轮储能辅助二次调频控制策略

张文政, 王玮, 高嵩, 李沂洹, 陈彪, 房方

2024, 44(6): 919-929. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230279

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为解决电网波动剧烈导致的火电机组运行平稳性问题,提出一种考虑火电运行平稳性的飞轮储能辅助二次调频控制策略。首先,建立了超超临界火电机组联合飞轮储能的二次调频控制模型;其次,提出了一种基于多层变增益速率限制的AGC指令非线性分解方法;最后,综合机组平稳性和系统AGC性能设计了适应度函数,借助鲸鱼优化算法(WOA)实现了最优化的速率限制算法参数获取。基于上述方法设计了火储协同二次调频控制策略。以某1 000 MW火电机组-飞轮储能联合系统为例进行了仿真验证。结果表明:所提控制策略在不影响系统调频性能的前提下可以使联合系统有效响应系统高频指令,减小了火电机组的动作幅度,提升了机组运行的平稳性。

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基于SOS-LSTM的核电站隐蔽攻击方法研究

王东风, 张雄, 黄宇, 邓鉴湧, 郭峰

2024, 44(6): 930-938. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230073

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针对实现隐蔽攻击需要获取攻击目标高精度估计模型的问题,提出一种基于共生生物搜索算法优化长短期记忆神经网络(SOS-LSTM)的隐蔽攻击方法。首先,将攻击目标的反馈控制器输出和输入信号作为长短期记忆神经网络的数据集,通过训练得到受攻击区域的估计模型,再利用估计模型设计隐蔽攻击器向受攻击对象施加攻击信号。此外,使用SOS算法优化LSTM的网络参数来提升隐蔽攻击器的性能。对核电站一回路控制系统进行隐蔽攻击的仿真实验结果表明,该攻击方法在对目标控制系统输出信号实现预先设定攻击行为的同时具有较高隐蔽性。

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基于IWOA-Transformer的磨煤机故障预警

罗毅, 段明达

2024, 44(6): 939-946. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230356

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提出了一种基于改进鲸鱼算法优化Transformer网络超参数(IWOA-Transformer)的故障预警方法。该方法利用非线性收敛系数和高斯变异对鲸鱼算法(WOA)进行改进,以提高WOA的收敛速度和避免其陷入局部最优;再采用改进鲸鱼算法(IWOA)优化Transformer的超参数,建立磨煤机故障预警模型;然后,通过预测值和实际值的相似度函数确定自适应阈值,结合专家系统判断故障类型并提出解决方案,实现磨煤机故障预警;最后,以某350 MW热电机组中速磨煤机为例进行故障预警试验。结果表明:所提IWOA-Transformer模型可显著提高预警速度和准确率,具有工程实用价值。

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火电机组碳排放量及碳敏感性通用矩阵模型

冉鹏, 王静, 李政, 刘旭, 曾庆华, 李伟起

2024, 44(6): 947-955. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230205

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为实现火电机组碳排放量的简便准确计量及掌握运行因素对机组碳排放强度的影响,在排放因子法技术上,参考传统q-γ-τ矩阵结构形式,根据求解火电机组碳排放量的需要,并掌握运行参数对发电碳排放强度的影响,建立了火电机组碳排放量及碳敏感性通用矩阵模型,确定了矩阵填写规则。采用热平衡法结合物料衡算法验证了模型的准确性,并与排放因子法核算结果对比;核算了某火电机组24 h的碳排放量,分析了排烟氧量、主蒸汽温度和压力波动时的发电碳排放强度的扰动量ΔM_CO₂。结果表明:相较于排放因子法,本文所提模型缩短了碳排放量核算的时间跨度,且能提高碳排放量核算的精度;该机组24 h的碳排放量为5 780.644 t;当排烟氧量降低0.1%时,ΔM_CO₂为1.772 6 g/(kW·h);当主蒸汽温度升高0.5 K时,ΔM_CO₂为3.020 6 g/(kW·h);当主蒸汽压力增加0.2 MPa时,ΔM_CO₂为0.378 8 g/(kW·h)。

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醇胺溶液催化法碳捕集的能耗评估及动力学分析

蒋聪, 高歌, 江伍凤, 李小姗, 罗聪, 张立麒, 邬凡

2024, 44(6): 956-963. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230222

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为了缓解醇胺溶液碳捕集的高能耗问题,加入了纳米级羟基氧化铝作为催化剂以有效降低再生能耗。基于传热学基本理论,将解吸过程分为升温阶段和恒温阶段,建立了分阶段的能耗评估模型,获得了实时热负荷变化曲线。该模型比传统的能耗评估方法更精确,更容易确定能耗最低的操作条件。利用该模型,探究了催化和无催化条件下再生热负荷最低的解吸温度,结果表明:在适中的解吸温度下再生能耗最低。此外,分析了解吸过程的总包反应动力学,发现反应级数模型最适合描述乙醇胺溶液再生反应速率,该模型的动力学参数证明了催化剂通过降低反应活化能的方式节省再生能耗。

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CO₂化学吸收系统的垂直管式降膜再沸器传热传质研究

许利华, 邓峰, 吕勋, 李蓝茜, 王涛, 方梦祥

2024, 44(6): 964-972. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230023

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针对CO₂化学吸收系统中存在的高再生耗能和吸收剂长时间高温受热产生热降解的问题,提出了一种新型管式降膜再沸器。通过对降膜流动特性分析,开展了液体分布器结构优化设计研究,并且在200 m³/h烟气CO₂化学吸收中试平台进行了系统热工实验,以验证降膜再沸器的传热传质性能并寻找最优操作参数。通过降膜流动实验发现,优化接管开孔和分布槽孔径后的液体分布器不均匀度可显著降低至0.026。结果表明,随着管内液相流速的增加及层流与湍流状态的转变,降膜再沸器总传热系数呈先减小后增大的趋势。同时,随着蒸汽质量流量由60 kg/h增加至70 kg/h和80 kg/h,再生率可由10%左右上升至20%左右,最高可达到24.7%,从而促进了胺溶液的二次解吸。增加蒸汽流量和胺溶液进口温度,降膜再沸器热流量逐渐增大,整体传热性能逐渐增强,总传热系数随之增加。所开发的CO₂化学吸收管式降膜再沸器,实现了降低吸收剂在再沸器内停留时间,同时提升了再沸器传热效率及胺溶液CO₂再生率,有望显著降低碳捕集再生热耗。

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新型光煤互补发电系统热力性能及技术经济性研究

王超, 王研凯, 孙浩家, 高荣泽, 全向, 王利民, 车得福

2024, 44(6): 973-983. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230263

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为了减弱太阳能波动对光煤互补发电系统性能的影响,提出了新型光煤互补发电系统,建立了关键设备模型及子系统模型并进行验证,对新型光煤互补发电系统的热力性能及技术经济性进行了研究。结果表明:系统热力性能随运行负荷的下降而下降,随太阳辐照强度增加而先升高后下降;系统年均输出功率为699 MW,年均节煤率为7.506 g/(kW·h),年均光电效率为10.82%;储热时长为10 h时系统技术经济性最优,此时全寿命周期内净现值为4.18×10⁴万元,内部收益率为11.81%,动态投资回收期为12.6 a,平均度电成本为0.402元/(kW·h),盈利能力较强。

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核反应堆超临界二氧化碳再压缩循环优化研究

侯胜亚, 薛松松, 杨其国

2024, 44(6): 984-990. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230254

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针对应用于第四代气冷堆的超临界二氧化碳再压缩循环系统进行了优化研究。通过建立完善的热力学及㶲经济性模型,并根据核电模块化的需求引入空间紧凑性指标,从热力学性能、空间紧凑性、㶲经济性能等多个维度对超临界二氧化碳再压缩循环系统开展研究,分析了关键参数对超临界二氧化碳再压缩循环系统性能的影响,并进一步开展了多目标优化以提高系统的适用性。结果表明:通过多目标优化研究,循环的综合性能得到提升,多目标优化得到的最优点的㶲效率、单位功率成本率和单位功率换热面积分别为71.5%、3.11美分/(kW·h)和0.191 m²/kW。

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基于过程拆分的半闭式超临界CO₂循环热力学分析及流程优

于良, 辛团团, 张逸飞, 许诚

2024, 44(6): 991-1000. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230256

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面对日益紧迫的减碳降耗需求,发展高效低碳的先进热力循环愈发重要。提出了一种基于天然气的零碳排放的半闭式超临界CO₂循环,并通过工质拆分,将半闭式循环拆解为开式循环和闭式循环,以阐明循环热功转化的过程;进一步采用循环拆分法将复杂重构循环拆解为若干简单循环,建立不同流程重构措施的热力学评价模型,直观地揭示不同循环构型的节能机理;通过参数敏感性分析获得各个流程改良措施关键参数的最优点。结果表明:再热、分流再压缩、中间冷却、部分冷却等多种循环流程改良措施均可有效提高循环效率,其效率增益为1.79~5.59个百分点;多种流程改良措施集成优化后,系统净发电效率较基础循环提高10.18个百分点。

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