动力工程学报

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动力设备与系统

660MW超临界直流锅炉水冷壁动态特性仿真研究

王超, 王研凯, 陈相如, 孙兴业, 刘铠瑞, 王利民, 车得福

2024, 44(7): 1001-1009. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230297

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为研究锅炉水冷壁的动态特性,将水冷壁划分为多个模块,区分了沿高度方向与沿周向的热负荷不均匀情况,建立了660 MW超临界锅炉水冷壁区域的动态仿真模型。研究了水冷壁不同墙在热负荷变化下的壁温分布,对比了不同边界条件阶跃下水冷壁的响应特性,考察了变负荷过程中水冷壁的水动力与壁温特性。结果表明:后墙热负荷变化只会影响后墙水冷壁与凝渣管处的壁温;当后墙热负荷上升到锅炉最大出力的1.5倍时,凝渣管出现超温现象;当热负荷、入口质量流量与入口工质温度分别阶跃降低10%时,汽水分离器处出口汽温分别变化-7.97 K、+11.57 K和-19.97 K,即入口工质温度变化对汽温的影响最大;升负荷过程中汽温先上升后下降,降负荷过程中汽温先下降后上升。

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动力设备与系统

超临界机组跨临界区域Fe系沉积动力学过程研究

肖卓楠, 卞博, 杨杰, 李科

2024, 44(7): 1010-1018. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230303

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为得到超临界机组锅炉受热面中Fe系颗粒在跨临界区域的沉积分布动力学过程,建立了水平圆管的二维模型,通过改变入口温度、入口流速、壁面加热功率、颗粒受力和颗粒粒径来进行颗粒沉积分布情况研究。结果表明:颗粒粒径是影响颗粒沉积动力学过程的主要因素,对于粒径大于1.0 μm的颗粒,对颗粒沉积起抑制作用的力由大到小依次是Saffman升力、热泳力、布朗力,但当颗粒粒径小于1.0 μm时,对颗粒沉积起抑制作用的力由大到小依次是热泳力、Saffman升力、布朗力;当颗粒粒径为2.0 μm时,其在跨临界区域沉积效果最好,且随着入口流速的增加,颗粒的沉积质量浓度峰值逐渐减小,沉积位置向管道出口处移动;随着壁面加热功率的提高,8.0 μm颗粒的沉积总量变化不大。

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动力设备与系统

低热值气体旋流燃烧器燃烧特性的数值研究

钱叶剑, 宫好奇, 孟顺, 张宇, 葛鑫斌, 刘博

2024, 44(7): 1019-1025. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230294

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针对我国低热值气体产量大、热值低、着火难、火焰稳定性差的问题,基于分级燃烧的思想设计了一款低热值气体燃烧器,其中心形成富燃的稳燃火焰,外围产生旋流燃烧火焰,在燃烧器出口设计了稳燃扩口,实现了低热值气体单燃烧器稳定燃烧。采用数值计算方法,建立了燃烧器计算模型,研究了预热温度对低热值气体燃烧器燃烧特性和污染物排放特性的影响,分析了空气预热和低热值气体预热时的速度场、温度场和NO排放情况。结果表明:随着预热温度的升高,最大回流速度增大,炉膛出口NO体积分数逐渐升高,低热值气体预热对燃烧的影响强于空气预热。

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动力设备与系统

原位煤气化化学链燃烧发电系统的过程模拟

王小雨, 赵海波

2024, 44(7): 1026-1032. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230346

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运用Aspen Plus软件构建了以Fe₂O₃/FeO为氧载体的600 MW原位煤气化化学链燃烧发电系统。基于系统的仿真结果,分别进行了能量、㶲和㶲成本分析。结果表明:原位煤气化化学链燃烧发电系统的净热效率为35.38%;系统中内部㶲损失最大的组件为空气反应器,占原位煤气化化学链燃烧子系统组件总内部㶲损失的28.39%;水汽系统总内部㶲损失在整个系统中占比较小,仅为化学链燃烧子系统的14%;原位煤气化化学链燃烧发电系统中单位㶲成本最大的组件为空气预热器,其值为3.88,再热器、省煤器和过热器的产品单位㶲成本也较大。

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动力设备与系统

双转子-中介轴承系统动力学仿真与实验研究

向玲, 陈凯乐, 李林春, 邴汉昆, 胡爱军

2024, 44(7): 1033-1041. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230310

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针对双转子系统复杂的动力学特性以及总是存在的质量不平衡现象,建立内外双转子系统动力学模型,通过轴心轨迹图、时域图、频谱图、庞加莱截面图和分岔图分析其振动特性,并通过双转子系统实验台升速和不平衡实验验证了理论和仿真结果。结果表明:双转子系统在升速过程中会发生2次振幅突然加剧的现象,2次主共振分别由内、外转子转速达到系统固有频率引起;双转子系统在不同的转速下会呈现出不同的振动特性;增大内转子的不平衡量,不仅会影响内转子系统振动响应,还会影响外转子系统振动响应,并且对前者的影响更显著。

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动力设备与系统

基于IGWO-SVM的汽轮机低负荷下主蒸汽压力优化研究

吴瑞康, 刘迪, 郑建平, 童家麟, 叶学民

2024, 44(7): 1042-1050. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230345

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为提高汽轮机低负荷下的运行效率,需要对主蒸汽压力进行优化。根据机组实际运行数据,采用支持向量机(SVM)算法建立了热耗率预测模型,并利用改进的灰狼优化(IGWO)算法优化SVM模型超参数;在此基础上,利用IGWO算法在低负荷下的可行压力区间进行寻优,得到了优化后的汽轮机滑压曲线,并且进行了实例验证。结果表明:利用IGWO算法优化的热耗率预测模型能够对低负荷下的热耗率进行准确预测;优化后机组在低负荷下的热耗率均有所下降,在负荷为223.83 MW时,热耗率降低了505.96 kJ/(kW·h),降低幅度最大。研究结果表明所提的优化方案可以有效提高汽轮机低负荷下的热经济性。

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新能源与储能

计及尾流的风电场智能等效建模及偏航优化控制

蔡玮, 胡阳, 刘吉臻

2024, 44(7): 1051-1059. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230370

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大型风电场中存在的尾流干扰会降低风电场整体输出功率,因此需要对风电场建立等效模型,并通过优化尾流分布来提升风电场整体功率输出能力。在所提出的新型风电场偏航优化框架中,提出了一种利用参数监督学习和正则化技术改进的径向基函数神经网络算法,并建立了面向多自由度偏航控制的风电场功率转换智能等效模型。在该模型的基础上,定义了以风电机组偏航角为决策变量的场级最大输出功率优化问题,提出了一种改进的精英多种群遗传算法并进行优化求解,得到各机组偏航角优化值以减少机组间尾流干扰。利用实际风电场布局和风况数据进行了仿真测试。结果表明:所建立的风电场功率转换智能等效模型与其实际特性吻合良好,在特定风况下,偏航优化控制使得风电场总功率提升718.79 kW;连续风况下,所提优化控制方法在不同风况下均有明显的优化效果,风电场总功率平均提升1 208 kW,验证了所提出的新型风电场偏航优化框架在提升风电场整体输出功率上的优越性。

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新能源与储能

极端海况下风力机冲刷效应动力学响应研究

师浩东, 闫阳天, 岳敏楠, 李春, 牛凯伦

2024, 44(7): 1060-1067. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230293

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基于有限元方法建立考虑土-构耦合效应的壳单元模型,对不同海况下发生冲刷时的海上风力机进行动力学响应分析。结果表明:在常规和极端海况下,发生较大冲刷时,塔顶和桩基顶部峰值位移均有所增加,且桩基顶部峰值位移增幅更大,随着冲刷深度的增加,塔架水平位移均呈先增大后减小的趋势,桩基水平位移随冲刷深度的增加持续增大,不同冲刷深度下桩基最大加速度位置均发生在桩基顶部,塔架最大应力均出现在塔架底部;与常规海况相比,极端海况下风力机在启动后一直处于不稳定状态,最大加速度位于桩基中上部位置,且随冲刷深度的增加持续增大,桩基应力峰值位置由桩基顶部转移至中部。

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新能源与储能

基于变桨与襟翼协同的降载特性研究及机理分析

白冬晓, 王冰, 李寅生, 王万成

2024, 44(7): 1068-1074. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230343

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研究了尾缘襟翼长度、偏转角和攻角对翼型降载特性的影响,并分析其影响机理。结果表明:变桨与尾缘襟翼的协同控制可有效实现挥舞方向上的降载;尾缘襟翼长度越大,尾缘偏转角越小,攻角越远离临界值,降载性能越佳;偏转角增大会导致临界攻角位置前移;为实现快速降载,在正偏转角、大攻角下优先选择尾缘控制,其他情况下均优先选择变桨控制;降载特性与翼型及翼缝流体分布密切相关,压差越小,降载性能越好。

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新能源与储能

基于PSO-MSVR的太阳能耦合土壤源热泵系统优化配置

程君艳, 李鹏, 朱子尚, 崔钰, 赵文升

2024, 44(7): 1075-1083. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230323

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为了优化太阳能耦合土壤源热泵系统(SGSHPS)的配置,以沈阳地区办公建筑为例,基于TRNSYS平台建立了不同运行模式的SGSHPS模型,对比分析不同模式下系统运行30 a后土壤温度不平衡率和系统总能耗;以并联过渡季蓄热模式为对象,对不同的太阳能集热系统和地埋管换热器组合方式进行模拟;在保证系统稳定的前提下,以动态费用年值最低为目标,优化太阳能集热器面积和地埋管换热器钻孔数的配置方式;引入粒子群优化-多输出支持向量机回归(PSO-MSVR)算法,使用PSO算法生成MSVR模型参数并寻找最优值。结果表明:与采用传统热平衡法确定的配置方式相比,优化后运行30 a的系统能耗降低379 522 kW,节能11.2%,费用年值降低61 863元,土壤温度仅上升0.73 K;对于不同的太阳能集热器和地埋管换热器造价,优化后费用年值相较优化前仍有不同程度的节省,且土壤温度均未有较大偏移。

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新能源与储能

流化床锅炉协同处置农林废弃物数值模拟研究

林国强, 严德亚, 张涛, 刘德育, 程振宇, 李惠彦辰, 王鹏乾, 王长安

2024, 44(7): 1084-1092. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230332

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针对某台75 t/h循环流化床锅炉进行了农林废弃物掺烧数值模拟,通过对比实验数据验证了仿真模型的正确性与可靠性,进一步深入分析了不同掺混因素与锅炉运行参数对炉内燃烧特性、出口污染物排放以及炉膛磨损的影响。结果表明:低农林废弃物掺烧比与高一次风配比有利于改善燃烧特性,而高农林废弃物掺烧比将降低出口污染物排放。

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新能源与储能

甲烷和甲醇双燃料重整制氢Pt基双金属结构催化剂的优化

赵燕春, 任衍伦, 王堃, 陆晓玲, 张莉, 兰健

2024, 44(7): 1093-1100. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230309

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以蜂窝结构FeCrAl为基体,制备了Pt-Rh(Cu)/Ce_0.75Zr_0.25O₂/Al₂O₃双金属结构催化剂,对催化剂形貌物性和制氢性能进行了分析,通过搭建实验装置对催化剂进行了制氢性能的评价。结果表明:所制备Pt-Rh/Ce_0.75Zr_0.25O₂/Al₂O₃/FeCrAl表面形貌均一,无明显色差和堵孔,催化剂表面存在大量的表面孔隙,呈现出蛛网多孔形式,易于实现催化剂负载,使得催化剂具有较高的气体吸附和反应空间;Pt与Cu物质的量比为1[DK]∶15时在所制备的Pt系催化剂中新鲜态活性最高,对于甲醇和甲烷蒸汽重整反应具有75%以上的转化率,且氢气体积分数较高;与Pt-Cu相比,Pt-Rh催化剂稳定性高,活性组分团聚程度较低;所制备的双金属催化剂可同时适用于甲烷和甲醇双燃料,具有非常好的氢气选择性。

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新能源与储能

平滑风电波动的飞轮协同电池混合储能系统经济性配置

滕伟, 许庆祥, 王亚军, 秦润, 武鑫, 柳亦兵

2024, 44(7): 1101-1108. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230324

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针对风电场的有功功率波动,采用小波包分解的功率平抑算法,得到满足并网要求的低频信号分量和高频的混合储能系统参考功率,并使用低通滤波分频和信号平滑去噪方法获得飞轮储能和电池储能的参考信号,同时考虑放电深度和循环次数对电池储能系统寿命的影响,构建混合储能系统在计划年限内的全生命周期经济性模型,采用多跟踪器优化算法(MTOA)得到最优的混合储能容量配置。最后,结合风电场实际功率数据,仿真分析验证混合储能系统对功率平抑的有效性和经济性。结果表明:混合储能系统既能保证风电场的有功功率波动满足并网要求,又能充分发挥不同储能形式特性,降低系统运行成本。

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数字化与智能化

基于参数自适应随机模型预测控制的风光氢耦合系统功率调控策略

黄宇, 周新鹏, 郭浩德, 王东风, 谢家乐

2024, 44(7): 1109-1117. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230124

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针对风光氢耦合系统源荷两侧不确定性对其系统功率平衡造成的影响,提出了一种基于场景分析法的参数自适应随机模型预测控制功率调控策略。根据风光氢耦合系统的能源供给架构建立了描述其动态特性的线性离散状态空间模型;通过场景分析法对系统不确定性进行描述,作为参数自适应随机模型预测控制的输入;在设计的参数自适应随机模型预测控制优化框架下,计及延长系统设备生命周期的目标进行优化。针对随机模型预测控制在优化过程中预测时域和控制时域固定不变的缺陷,提出参数自适应方法以获取更好的优化效果。结果表明:在优化系统功率平衡方面,所提控制策略相较于随机模型预测控制提高了6.25百分点;在减少可控设备大功率运行方面,所提策略相较于常规模型预测控制降低了60%,验证了所提策略能够有效解决风光氢耦合系统源荷两侧的不确定性。

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绿色低碳

基于机理和数据混合模型的SD-WFGD系统SO₂浓度动态预测

李瑞连, 曾德良, 张光明, 谢衍, 朱岩松, 朱红成

2024, 44(7): 1118-1128. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230355

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为了保证燃煤电站脱硫系统SO₂排放浓度达到环保要求的同时实现经济运行,建立了单塔双循环湿法烟气脱硫(SD-WFGD)系统出口SO₂浓度混合动态预测模型。首先,分析吸收SO₂的化学反应过程,分别建立了吸收塔出口和浆液池(AFT塔)出口SO₂浓度机理模型;然后,利用变分模态分解(VMD)方法对历史运行数据和机理模型预测偏差数据进行分解,将分解后不同频率的模态分量进行重构,利用最小二乘支持向量机(LSSVM)算法训练并得到不同的模态分量模型,将不同模态分量的LSSVM模型进行加权叠加,建立了数据补偿模型;最后,将数据补偿模型输出和机理模型输出进行叠加,得到SD-WFGD系统SO₂浓度混合动态预测模型。结果表明:利用VMD算法将历史数据分解为不同模态,不同模态数据重构后可有效提高数据模型的预测精度;同时,将机理模型和数据模型结合,可提升模型预测能力。

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绿色低碳

高砷无烟煤低负荷燃烧过程中砷的释放特性及灰中砷形态分布规律

袁潇, 邢佳颖, 王震, 王春波

2024, 44(7): 1129-1136. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230349

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选取高砷无烟煤,采用管式炉研究了低负荷燃煤工况下砷的释放及灰中砷形态的变化规律。结果表明:800~900 ℃区间内,随着温度的升高煤中砷的释放速率出现明显峰值,灰中As³⁺占比呈上升趋势;灰中弱吸附态砷在800~900 ℃区间逐步升高,在900 ℃时As³⁺占比达到最大值;1 000~1 200 ℃区间内,灰中弱吸附态砷氧化分解,砷酸盐占比增加,促使As³⁺向As⁵⁺转变,As³⁺占比逐渐降低;O₂体积分数的升高促进了灰中As³⁺的氧化过程;此外,随着炉内煤粉停留时间的增加,煤中砷的释放速率与灰中As³⁺占比呈现同步变化趋势。

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绿色低碳

宽负荷运行燃煤电站不同脱碳模式热经济性对比

马雲腾, 许诚, 李林聪, 辛团团

2024, 44(7): 1137-1143. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230331

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提出了3种不同发电功率和CO₂捕集率约束条件下的碳捕集燃煤电站脱碳运行模式,并对采用这3种脱碳运行模式下的某典型600 MW燃煤电站进行了热经济性分析,获得燃煤电站在不同应用场景(电价、煤价及碳税)下的最佳脱碳运行方法。结果表明:采用功率不变运行模式对燃煤电站的能耗惩罚最小,但不能在全工况满足严格碳捕集率的要求;对于功率降低模式和功率不变模式,当上网电价低于0.371元/(kW·h)或煤价高于758.94元/t时,采用功率降低模式的额外经济收益更高;当电价在0.371~0.407元/(kW·h)或煤价在682.45~758.94元/t时,需根据机组的运行负荷选择合适的运行模式,当电价高于0.407元/(kW·h)或煤价低于682.45元/t,且机组负荷低于93%时,功率不变模式具有较高的收益。

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绿色低碳

制氢与掺混一体化系统全生命周期碳足迹评价与技术经济性评估

渠秀媛, 余潜跃, 郑娜, 王洪建, 孙立

2024, 44(7): 1144-1152. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230305

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通过构建制氢与掺混一体化系统仿真模型,建立多能流、物料流数据的全生命周期清单,定量评价其技术经济与降碳潜力。基于平准化掺氢天然气成本和净现值分析模型,探讨能量效率、电流密度等关键技术参数及风电价格、原材料价格等经济参数对经济评价指标的影响,并进行技术经济性评估;基于全生命周期碳足迹评价模型,分析系统的降碳潜力。研究表明:原材料价格和电价是影响平准化成本的主要因素,风电交易电价平均每下降0.10元/(kW·h),平准化成本可下降149元/t;年产1.57万t绿色氢气和50.28万t天然气掺混的新改扩建项目净碳排放量为27 816 t,与所掺氢气等热值的天然气总CO₂排放量为1334175 t/a。故此项目在经济技术和环境友好方面是可行的。

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