动力工程学报

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基础研究

加热条件下倾斜管中超临界CO₂流动与传热特性数值模拟

董新宇, 张宇轩, 刘璐, 王腾, 王太, 闫润

2024, 44(10): 1503-1514. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230526

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超临界CO₂(SCO₂)布雷顿循环具有广阔的应用前景,其流动与传热特性规律对系统发电效率及安全运行至关重要。基于FLUENT软件进行数值模拟,分析加热条件下倾斜上升管及下降管中SCO₂的流动与传热特性。研究了倾斜角度、流动方向、运行工况等参数对SCO₂的阻力与传热系数的影响。结果表明:在上升管中,倾斜角度的增加会使沿程压力降低,对流传热系数和阻力系数升高;在下降管中,倾斜角度的增加会使对流传热系数和沿程压力升高,阻力系数降低;倾斜角度的变化对浮升力和热加速效应几乎没有影响;下降管的综合传热性能整体优于上升管,并且竖直下降管的综合传热性能最优;压力和热流密度对SCO₂对流传热系数的影响较小,质量通量对其影响较大。

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基础研究

蒸汽加热垂直矩形窄通道内流型与局部换热特性研究

顾晟杰, 陶乐仁, 金程, 居一伟, 赵谢飞

2024, 44(10): 1515-1524. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230446

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为了明确竖直矩形窄通道内各阶段流动沸腾的换热特性,优化换热器性能,以去离子水为工质,对尺寸为1 400 mm×250 mm×2.75 mm(高×宽×深)的蒸汽加热垂直矩形窄通道内流动沸腾流型与局部换热特性进行实验研究。将由实验数据得到的流型图与不同加热条件下的现有流型图进行了对比分析。结合流型变化分析了进口温度、质流密度、加热功率对局部换热特性的影响,并基于对实验数据的参数分析,得到适用于该实验工况下的新流动沸腾传热关联式。结果表明:入口温度的升高对提升核态沸腾段的换热有积极作用,而在进入搅拌流阶段后,其对局部传热系数的影响很小;质流密度增加会降低核态沸腾阶段的局部传热系数,提升液膜流动蒸发区的局部传热系数;随着加热功率的增加,局部传热系数的峰值呈现左移的趋势;新的传热关联式能很好地预测该实验工况下蒸汽加热垂直矩形窄通道内流动沸腾的局部传热系数。

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动力设备与系统

基于损伤力学分析的汽轮机转子寿命损耗计算方法

王元良, 廖燕清, 彭家辉, 徐鸿, 倪永中

2024, 44(10): 1525-1532. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230377

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在ANSYS有限元软件中使用耦合损伤的Chaboche黏塑性本构模型对1 000 MW超超临界汽轮机转子在不同起动工况下的热机械力学响应进行了数值模拟。基于转子表面危险区域应力和损伤的分析结果,建立了汽轮机起动参数与转子最大损伤之间的函数关系,并以此提出了一种适用于复杂起动及升负荷工况下的转子寿命损耗计算方法。结果表明:在标准起动工况下模型计算结果与汽轮机寿命损耗分配表中的数据基本一致,验证了模型的有效性;采用所提方法后,对实际起动曲线进行简单处理,可快速计算出转子的寿命损耗率以及危险区域的热应力。

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动力设备与系统

基于迁移学习和CNN-LSTM的水轮机空化状态识别方法

刘忠, 周泽华, 邹淑云, 刘圳, 乔帅程

2024, 44(10): 1533-1540. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230470

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针对水轮机空化声发射信号中包含较多噪声、依赖人工降噪与特征提取以及深度学习模型准确率极度依赖海量训练数据的问题,提出一种基于迁移学习和卷积神经网络-长短时记忆网络(CNN-LSTM)的水轮机空化状态识别方法。首先,将数据输入CNN中提取隐含特征;然后,在LSTM中提取特征隐含的时序信息并输出空化类型,通过训练网络参数建立基于CNN-LSTM的空化状态识别模型;最后,引入迁移学习对类似工况进行空化状态识别。结果表明:该模型能准确识别出3种不同的水轮机空化类型,其平均识别准确率达到较高水平;与传统深度学习模型相比,该模型在极少样本学习任务中的识别准确率具有明显优势。

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动力设备与系统

推力轴承对水轮发电机组轴系横向振动特性的影响

叶毫阳, 张万福, 黄锦辉, 李春

2024, 44(10): 1541-1549. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230460

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建立包含3个导轴承与1个推力轴承联合支承的某300 MW水轮发电机组轴系有限元模型,应用有限元方法研究了推力轴承对轴系横向振动的影响,计算分析了推力轴承弯曲刚度和轴向刚度对轴系横向振动的影响,并研究了发电机转子不平衡量与相位差对轴系振动的影响。结果表明:与不考虑推力轴承相比,考虑推力轴承弯曲刚度时,机组轴系在额定转速下一~三阶固有频率依次增大5.35%、1.89%和1.56%;机组在额定转速下运行,当发电机转子处不平衡量为100 kg·m且相位差为180°时,若弯曲刚度取8.2×10⁶ N/m,下导轴承、上导轴承、推力轴承与集电装置处横向振幅分别降低约17.44%、6.72%、17.04%和28.76%,当不平衡量为100 kg·m且相位差为0°时,若考虑弯曲刚度,各部件横向振幅依次降低约3.31%、2.78%、9.46%和15.01%。

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动力设备与系统

蒸汽发生器管板间滑动磨损行为实验和模拟研究

郑瑜, 包士毅, 许磊, 娄乘铭, 陈威, 袁巍

2024, 44(10): 1550-1557. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230511

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针对405合金支撑板与Inconel 690合金传热管间的滑动磨损行为展开了实验研究,讨论了不同载荷和循环次数对管板间磨损情况的影响,并基于磨损表面微观形貌研究了管板之间的滑动磨损机理。基于ARCHARD磨损模型与ABAQUS自适应网格技术建立了405合金支撑板与Inconel 690合金传热管之间的滑动磨损计算模型。结果表明:当传热管发生滑动磨损时,其表面的磨损机理主要包括黏着磨损和磨粒磨损;该模型能够较为准确地预测磨损面的轮廓形状以及磨损体积随载荷和循环次数的变化规律。

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新能源与储能

基于双向流固耦合的风力机叶尖小翼优化设计

张玲, 岳旭, 修栋波

2024, 44(10): 1558-1564. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230365

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以WindPACT 1.5 MW风力机为研究对象,以厚度、锥度、倾斜角度为参数进行正交试验来设计叶尖小翼,并对叶片进行双向流固耦合计算。结果表明:添加小翼后叶片的振动频率下降,叶尖小翼最大拉应力为58.707 MPa,最大压应力为29.87 MPa,说明叶片材料能够达到强度要求,不会发生断裂;随着叶尖小翼的厚度、锥度和倾斜角度增加,拉应力和压应力随之增大;对于叶尖小翼的变形,倾斜角度影响最大,锥度其次,厚度影响最小;双向流固耦合可以得到比单向流固耦合更为精确的结果。

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新能源与储能

考虑增强特征选择的深度卷积-时序网络短期风功率预测

付炳喆, 王玮, 任国瑞, 杨健, 李沂洹

2024, 44(10): 1565-1573. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230510

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准确的风电功率预测对电网安全与风资源合理利用具有重要意义。为提高风电功率预测精度,提出一种涵盖异常值检测、增强特征选择和超参数调整等多个环节的风电功率预测策略。首先,采用孤立森林算法筛除风电数据的异常值和冗余值;其次,引入最大互信息系数(MIC)作为特征选择评价指标,获得高相关度的输入特征;此外,建立了优化的卷积神经网络(CNN)与门控循环单元(GRU)神经网络组合模型,其中CNN层将MIC对特征重要性的理解进一步增强,并以多层GRU层对风功率时序关系建模。实际算例表明:所提出的优化神经网络模型较文中其他预测模型,预测指标误差更小,决定系数R²平均提高了4.44%,平均绝对误差M_AE、均方根误差R_MSE分别平均降低了62.02%和61.51%,具有较高的预测精度。

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新能源与储能

分体式太阳能PVT热泵系统试验运行性能分析

陆王琳, 李政, 姜山

2024, 44(10): 1574-1581. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230471

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在既有光伏组件的基础上,安装集热背板形成分体式PVT组件,搭建分体式PVT热泵系统试验台,在晴天和多云典型日2种工况下进行系统运行性能试验,将水箱内的水从常温加热到60℃。试验结果表明,在晴天和多云典型日下,系统平均COP分别为4.11和4.20,均高于相同工况下的空气源热泵;最大发电效率分别为13.2%和19.9%,PVT组件表面温度分布均低于40℃,有明显的降温提效作用;平均得热因子分别为48%和71%,无量纲压力损失系数保持在0.030~0.047,均流性较好。

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新能源与储能

复合材料储能飞轮转子多环配合下的应力分析

张宇, 滕伟, 王亚军, 秦润, 彭迪康, 柳亦兵

2024, 44(10): 1582-1591. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230487

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分析了复合材料飞轮转子多环配合结构下的应力状态:考虑飞轮转子多环装配后的静态初应力、装配后的静态位移、工作状态下多环过盈配合的应力、复合材料轮缘纤维缠绕对应力的影响,建立了正交各向异性材料轴对称的飞轮转子理论模型,计算了离心力、环间配合压力作用下转子各环的径向和环向应力分布。分析了过盈量与转子各环应力的关系,确立了过盈量的选取准则。结果表明:随着过盈量的增大,金属转轴和金属轮毂间的应力会先减小再增大,复合材料轮缘间的应力会相应增大。

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新能源与储能

热泵储电系统多物理域建模与动态仿真研究

安旭刚, 何青, 张千旭

2024, 44(10): 1592-1599. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230508

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热泵储电技术是一种新型物理储能技术。为丰富热泵储电系统动态特性研究,建立了布雷顿循环热泵储电系统动态仿真物理模型,分析了系统储/释能阶段启动过程中主要特性参数的动态响应,包括压力、温度、流量、功率等。结果表明:为使系统运行到额定工况,系统的容腔体积选取为5 m³,储/释能阶段的初始压力分别选取为2.1、3.8 MPa;在给定的转速升速率下,系统主要特性参数均从初始值按照一定趋势逐渐变化,在约1 400 s处达到额定值。该仿真模型和研究结果可为热泵储电系统的启动过程动态特性分析提供一定的参考。

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数字化与智能化

CDR风力发电机多领域耦合动态建模及全工况分层协同控制

胡阳, 邵茂峰, 王蔚然, 张冲

2024, 44(10): 1600-1610. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230450

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针对一种串列式双叶轮(CDR)风力发电机,基于自由涡尾迹理论提出前后叶轮串列式布局下后叶轮入流风速建模方法,首次建立了包含前后叶轮、传动轴系和塔筒等关键子系统的"气动-传动-电气-支撑件"多领域耦合动态模型;考虑CDR风力发电机结构及特性,以风力机安全运行和最大出力为目标,设计整机分层协同控制架构;采用Fortran语言开发适用于不同容量等级CDR风力发电机的精细化仿真软件,结合高性能服务器搭建仿真实验平台。为验证方案有效性,配置某典型2.7 MW CDR风力发电机设计参数,依据国际电工委员会(IEC)标准开展全工况载荷分析及性能验证。结果表明:所建立的整机模型可准确反映风力机各子系统间的耦合动态特性,所提出的分层协同控制方法在安全载荷范围内具有良好的最优功率曲线跟踪性能。

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数字化与智能化

双碳目标下基于Stackelberg和合作博弈的虚拟电厂双层优化调度

周建国, 吴昭波

2024, 44(10): 1611-1619. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230514

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在中国的双碳目标下,大规模新能源发电接入虚拟电厂时,将导致电力市场交易中的高额惩罚成本。为此,设计了虚拟电厂参与日前市场竞标的双层博弈模型,以双层收益最大化为目标对虚拟电厂进行调度优化。首先,利用场景生成与削减技术考虑风力发电商和电动汽车聚合商的不确定性,设计了由风力发电商、电动汽车聚合商和燃气轮机合作组成的虚拟电厂下层电量竞标模型,以及虚拟电厂控制中心的上层电价竞标模型。其次,基于两个子模型之间的主从递阶关系,利用卡罗需库-恩塔-克(KKT)条件将双层模型转化为一个混合互补问题,通过求解获得优化方案,并基于Shapley值法对合作方进行利润分配。数值算例表明,设计的模型能有效减少碳排放和降低风电惩罚成本,同时增加参与者的收益。

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数字化与智能化

基于改进实例学习算法的风电机组齿轮箱状态监测

张书瑶, 刘长良, 王梓齐, 刘帅, 刘卫亮

2024, 44(10): 1620-1631. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230509

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风电机组齿轮箱的运行过程是复杂的非线性过程,采用实例学习(IBL)算法建立模型可有效对其进行状态监测。针对实例学习模型对训练数据质量敏感的特点,提出综合考虑多种性质的两步主动学习样本选择方法。首先提出一种基于拉丁超立方体抽样思想的网格划分初始样本选取方法,并基于z-score方法剔除其中的离群点。然后第一步基于信息性和代表性的综合得分选出候选样本来避免离群点影响,第二步基于多样性使第一步的候选样本稀疏化,从而避免冗余点影响。最后,基于指数加权移动平均控制图对实例学习回归模型输出的残差进行分析,并根据故障率对风电机组齿轮箱实现状态监测。利用某风电机组实际故障数据进行验证。结果表明:所提出的方法能选出优质样本,模型精度在验证集上较未改进前有所提升,且运算效率提升约50%,可实现齿轮箱异常的早期预警。

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绿色低碳

燃煤电厂氨法碳捕集浆液中捕集产物结晶行为研究

马双忱, 高和利, 陈柳潼, 贾俊, 樊帅军, 陈文通, 王小华

2024, 44(10): 1632-1639. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230523

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以燃煤电厂碳排放为背景,利用氨水吸收二氧化碳的结晶过程作为研究对象,基于经典的成核理论,采用温度、pH和电导率法研究了改变温度、搅拌转速、添加盐类添加剂前后碳酸氢铵结晶速率的变化,并通过扫描电镜(SEM)和 X射线衍射(XRD)分析了有无添加剂对生成碳酸氢铵结晶的影响。结果表明:在水浴温度为25 ℃,搅拌转速为550 r/min的条件下,碳酸氢铵的结晶反应受到添加剂种类的影响,加入硫酸根离子会减缓反应的进行,加入氯化镁可以加快结晶的产生速率,并产生结构稳定的晶体。

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绿色低碳

基于密度泛函理论的CuCl₂改性生物质焦汞吸附机理研究

马子然, 王红妍, 赵春林, 周佳丽, 彭胜攀, 马静, 吴建飞

2024, 44(10): 1640-1646. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230369

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基于密度泛函理论,采用Materials Studio软件建立稻壳焦和CuCl₂改性稻壳焦模型,对汞吸附前后模型进行计算分析,旨在从微观角度分析稻壳焦脱汞机理。结果表明:在吸附过程中,Hg原子上的电子会转移到稻壳焦表面,从而在二者之间形成范德华力,将Hg原子束缚在稻壳焦表面,形成汞的物理吸附;而CuCl₂改性稻壳焦在吸附汞时,表面CuCl₂分子中的Cu—Cl键会发生断裂,断裂后Cu和Cl会与Hg原子结合,形成汞的化学吸附,使得CuCl₂改性稻壳焦的脱汞效率远高于原始稻壳焦,明确了CuCl₂改性稻壳焦脱汞机理,对生物质焦吸附剂脱汞的工业应用具有理论指导。

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绿色低碳

基于反应工程法的脱硫废水液滴蒸发特性数值研究

赵亮, 李令刚, 张娟, 李昂, 陈嘉玮, 潘丹萍, 杨林军

2024, 44(10): 1647-1655. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230465

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采用数值模拟方法研究了干燥塔进口烟气温度、进口烟气流量、塔径对某燃煤电厂脱硫废水旋转喷雾蒸发设备中液滴蒸发特性的影响。为完善液滴蒸发传热传质模型,使用反应工程法(REA)中的液滴表观活化能函数描述液滴的传热传质过程,并将其编译到离散相计算过程中。结果表明:提高进口烟气温度与进口烟气流量,可缩短液滴的蒸发停留时间和竖直蒸发距离;增大干燥塔塔径可延长高温烟气在塔内的停留时间,增大旋流强度,进而加快液滴的换热蒸发过程。

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绿色低碳

脱硫废水浓缩液旋转喷雾蒸发及其产物特性研究

陈海杰, 麻晓越, 魏新, 詹凌霄, 陈恒, 杨林军

2024, 44(10): 1656-1662. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230484

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在旋转喷雾蒸发中试平台上开展了脱硫废水浓缩液喷雾蒸发试验研究,分析了不同工况、不同浓缩倍率的废水雾化液滴群蒸发特性,并对蒸发产物进行了微观形貌、组分的表征及吸湿性测试。结果表明:在相同入口烟气条件下(360 ℃温度、500 m³/h体积流量),随着废水浓缩倍率增加,塔内平均温度略微提升,塔出口水汽体积分数降低,当气液比大于9 500 m³/m³时,旋转喷雾蒸发工艺对不同浓缩倍率的脱硫废水具有良好的适应性,均能保证产物含水率低于2%;低浓缩倍率的脱硫废水蒸发产物盐分占比较小,吸湿性较弱,但高浓缩倍率废水蒸发产物中的结晶盐含量显著增加,具有较强的吸湿性。

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