动力工程学报

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动力设备与系统

凹坑造型与深度对气膜冷却效果影响的研究

张德恒, 贺业光, 赵胜岩, 杨天华, 杜涛

2025, 45(7): 961-967. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240154

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为了提高涡轮叶片的气膜冷却效率,在圆孔基础上设计了三角形凹坑孔和V形凹坑孔,并讨论了不同凹坑深度的影响。采用压力敏感漆技术测量了不同吹风比M下的绝热气膜冷却效率。结果表明:在所有吹风比下凹坑孔的气膜冷却性能均优于圆孔;凹坑深度增加有利于提高三角形凹坑孔的气膜冷却效率;在M=0.5、1.0时,V形凹坑孔的气膜冷却效率随凹坑深度增加而提高,但在M=1.5时,气膜冷却效率呈先增大后减小的趋势;在相同凹坑深度下,V形凹坑孔下游的气膜冷却性能相比三角形凹坑孔更好,但凹坑深度为D、M=1.5时情况则相反。

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动力设备与系统

进口微小畸变对压气机气动性能影响的数值研究

晏松, 卓亮, 施道龙, 兰小兵, 楚武利

2025, 45(7): 968-976. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240236

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利用数值模拟方法研究了径向进气方式产生的微小进口畸变强度对轴流压气机气动性能的影响。结果表明:径向进气方式会造成轴流压气机进口最大产生1.50%的总压畸变强度,并使得轴流压气机的失速裕度和峰值效率分别降低1.64%和0.66%;随着转子节流过程的进行,进口总压畸变强度越来越小,但对轴流压气机气动性能的影响越来越大;径向进气方式所产生的进口微小畸变使得叶顶区域来流速度降低,削弱了叶顶来流对叶顶泄漏流的影响,从而使得叶顶泄漏涡在转子节流过程中提前发生螺旋式破碎,导致叶顶区域的流通能力恶化,且叶顶区域的流动损失增加,从而使得转子的气动性能下降。

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动力设备与系统

基于国产流程模拟软件的气流床气化炉专业模型建模

安海泉, 刘臻, 田钫丞, 刘浩田, 李振

2025, 45(7): 977-984. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240310

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以国产流程模拟软件Simtech Simulator为基础,集成了气流床气化炉的平衡模型、动力学模型和降阶模型,形成了一套气流床气化炉专业模型,并进行了实际工业气化炉的建模与验证。结果表明:建立的气化炉专业模型均能很好地预测空气产品(AP)水煤浆气流床气化炉的气化结果,其中动力学模型和降阶模型的预测精度较高,预测绝对误差小于0.5%,这表明所建立的模型具备较好的预测能力;该模型可用于研究气化温度、动力学参数等对气化结果的影响,并进行气化炉流场分析,为气化工艺的优化提供新的途径。

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动力设备与系统

基于宽度卷积神经网络的水轮机空化状态识别方法

刘忠, 郑佳稳, 邹淑云, 乔帅程, 谢文婷

2025, 45(7): 985-991. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240280

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针对难以有效提取水轮机声发射(AE)信号故障特征,以及在训练过程中信号频谱故障分类不精确且耗时长的问题,建立了一种宽度卷积神经网络(BCNN)的水轮机空化状态识别方法。采用卷积神经网络(CNN)的卷积层和池化层代替宽度学习(BLS)的线性映射特征层,将得到的CNN特征节点作为增强层的输入,通过训练网络参数建立BCNN模型。利用BCNN模型对不同工况下的水轮机空化AE信号进行分类训练和测试。结果表明:所建立的BCNN模型能对水轮机4种空化状态进行准确快速的分类识别,其平均识别准确率达99.37%,平均耗时为44.16 s。

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动力设备与系统

高燃耗乏燃料干式贮存容器干燥工艺的研究

申鹏, 吴珂科, 翁晨阳, 黄尚青, 俞高伟, 景东明, 宗旭

2025, 45(7): 992-998. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240291

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对国内三代核电机组某型号高燃耗乏燃料干式贮存容器的干燥工艺进行理论分析与试验研究,结果表明:该贮存容器适宜采用吸附式干燥工艺进行处理,干燥过程至少需要持续4.1 h,可以达到设备规范书中要求的容器内水蒸气分压低于400 Pa的干燥标准;干燥过程分为2个阶段,第1阶段容器内存在大量液态残留水,湿度相对稳定,第2阶段仅有水蒸气,湿度快速下降;容器内有超过5/6的水分通过试验台架中的冷却器排出,剩余的水分由吸干机吸收。

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动力设备与系统

旋流预混燃烧限制域形状对热声不稳定性的影响

王鹏, 刘爱虢, 吴小取, 于天誌, 吴开辟

2025, 45(7): 999-1009. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240299

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为获得旋流预混燃烧室中限制域形状对热声不稳定性的影响,采用数值模拟的方法,对不同限制域形状内的燃烧振荡机理、三维火焰结构和流场特性进行了研究。结果表明:通过改变燃烧室进口当量比,相比于突扩限制域,斜坡限制域热声不稳定性均得到明显抑制。突扩限制域中的火焰动态结构呈现周期性变化,斜坡限制域中的火焰动态结构基本不变,并且随着斜坡角度的增加,角回流区的面积减小,热声不稳定性得到明显改善,主要原因是斜坡限制域中角回流区的涡旋脱落过程受限,涡旋产生和脱落的强度、频率及涡旋与火焰的接触程度均有所降低,导致涡旋与火焰之间的相互作用减少,包括涡旋对火焰的拉伸、扭曲及火焰对涡旋的加热等物理过程。这种削弱的相互作用减少了燃烧室内的不稳定扰动源,从而有助于抑制热声不稳定性。使用斜坡限制域有潜力成为在宽工况范围内有效抑制热声不稳定的被动控制方法。

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动力设备与系统

基于MFCC声纹识别的燃烧状态监测研究

王元, 葛沈炜, 姚鹏搏, 沈国清

2025, 45(7): 1010-1019. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240375

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锅炉燃烧监测对其安全运行意义重大,长期以来一直是研究的重点。燃烧产生的声音可以直接反映其状态变化,而受高温、多尘、高频噪声等因素影响,锅炉内部声音特征的有效特征提取难度极大。对此提出了一种基于一维卷积神经网络和声纹技术的燃烧特征提取方法。在构建燃烧声音采集实验平台的基础上,提取各种燃烧和非燃烧状态对应的声音特征。通过计算声纹各特征的基尼指数,筛选出火焰声纹的最佳特征。通过比较有噪声和无噪声的数据集模型,验证了火焰声纹模型的鲁棒性和准确性。结果表明:在原始数据中,声音特征识别准确率可达97.13%,优化后特征识别准确率提高到98.26%;在添加噪声的数据集中,优化后特征识别准确率可达93.29%。

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新能源与储能

辅助装置对风力机翼型气动性能的影响

俞洪静, 岳敏楠, 李春, 缪维跑, 欧华浩, 黄浩达

2025, 45(7): 1020-1027. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240357

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为改善风力机翼型流动分离并提升气动性能,提出了一种加装在翼型吸力面附近的辅助装置。以NACA0021为主翼型,采用计算流体动力学方法,在攻角0°~24°范围内对比分析了原始翼型及带有辅助装置主翼翼型的气动性能。结果表明:采用非对称辅助小翼S809对主翼翼型增升减阻效果显著,在部分攻角下可有效抑制主翼吸力面大尺度分离涡产生,减小失速区域,使流动分离点后移,延缓流动分离;S809辅助小翼提高了主翼吸力面压力系数,使整体压差增大,显著提升了主翼气动性能。

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新能源与储能

尾缘开裂对翼型气动性能及静力结构的影响研究

吕昌睿, 叶学民, 乔晨, 李春曦

2025, 45(7): 1028-1036. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240366

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为探究风力机叶片翼型尾缘开裂对翼型气动性能及静力结构的影响,以S809翼型为研究对象,分析了尾缘开裂高度和深度对翼型气动参数及内流特征的影响,探讨了翼型尾缘等效应力及振动特性的变化。结果表明:翼型失速前,尾缘开裂后翼型的气动性能远低于原翼型,且开裂高度对翼型气动性能的影响大,而开裂深度的影响很小,但开裂深度对翼型静力结构的影响要大于开裂高度的影响;尾缘开裂高度增大,改变了翼型尾缘气动外形,导致失速前翼型的气动性能大幅下降,但失速后气动性能略微提高;增加开裂深度,使得翼型尾缘厚度增加,与较小开裂深度翼型相比,气动性能小幅提升;尾缘开裂后,增大了尾缘等效应力,且在固有频率范围内发生共振的概率增大。

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新能源与储能

主动式分流挡板垂直轴风力机气动特性分析

肖奕, 叶舟, 余豪, 李春

2025, 45(7): 1037-1044. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240306

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为改善垂直轴风力机流动分离及效率较低等问题,提出了一种主动式分流挡板结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流挡板作用下垂直轴风力机叶片瞬时转矩、风能利用系数、平均切向力及压力场进行数值分析。结果表明:分流挡板结构可有效减弱叶片在迎风区范围内由于大攻角而引起的流动分离现象,同时升高叶片转矩,使垂直轴风力机在低叶尖速比下的风能利用系数得到不同程度的提升;挡板位于距叶片前缘0.50c(c为叶片弦长),长度为0.15c及伸出高度为0.04c时,主动式分流挡板垂直轴风力机最高风能利用系数可达0.46,较原始垂直轴风力机提升9.5%。

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新能源与储能

压缩空气储能系统动态特性仿真分析

卢绪祥, 刘雨菲, 徐航, 程波, 宋权斌

2025, 45(7): 1045-1051. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240390

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为研究压缩空气储能系统在储能阶段和释能阶段的动态特性,基于MATLAB/Simulink平台分别建立了压缩空气储能系统储能阶段和释能阶段的动态仿真模型,利用该模型对系统中的重要部件——储气罐和蓄水罐进行仿真,得到了其温度和压力随着时间变化的规律;然后根据各模块的传递函数建立了一次调频仿真模型,在系统中先后加入10%、8%、6%的阶跃负荷扰动和10%、8%、6% 3种连续负荷扰动,分别进行了系统的频率响应分析。结果表明:在阶跃负荷扰动下,一次调频阶段越大的扰动量会导致系统频率恢复速度更快;在连续负荷扰动下,会产生超调量,且超调量随着扰动量的增大而增大。

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数字化与智能化

基于改进变分模态分解的飞轮储能辅助火电二次调频控制策略

王玮, 赵俊杰, 高嵩, 房方

2025, 45(7): 1052-1062. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240307

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飞轮储能辅助调频是改善火电机组调频性能和运行稳定性的有效方案之一。为提升飞轮储能参与二次调频的综合性能,提出了一种基于变模态分解改进鲸群优化算法的飞轮辅助火电机组二次调频协同控制策略。首先,基于飞轮储能单元机侧和网侧控制机理,建立了适配1 000 MW超超临界火电机组的飞轮储能阵列控制系统模型,以及飞轮储能系统与超超临界机组协同控制的二次调频模型;其次,提出了基于鲸群优化算法的改进变模态分解方法,实现了火电机组和飞轮系统响应自动发电控制(AGC)指令的优化分配;最后,针对分配结果设计了一种提升飞轮系统荷电状态(SOC)充放电裕度的控制策略,发展了综合考虑调频性能和飞轮可靠性的飞轮辅助火电二次调频控制策略。结果表明:所提控制策略在减弱飞轮储能SOC和火电机组主蒸汽压力波动的同时,可使机组的AGC性能考核指标提升16.72%。

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数字化与智能化

风电机组行星轮裂纹故障动力学响应及特征分析

胡爱军, 彭悦, 邢磊, 周卓浩, 徐仁挺

2025, 45(7): 1063-1071. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240288

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综合考虑齿面摩擦、时变啮合刚度等因素,建立了行星齿轮系统弯-扭耦合非线性动力学模型,研究了内、外啮合2种条件下行星轮齿根裂纹故障对系统动态特性的影响,并搭建行星齿轮箱实验台对系统模型进行了验证。结果表明:在内、外啮合2种条件下,系统响应频谱图中故障特征频率及其倍频、啮合频率周围边频成分的幅值存在显著差异;与外啮合相比,内啮合下系统时域响应冲击更为明显,相轨迹图出现扩散现象;考虑传递路径时变效应的情况下,系统动态响应频谱图中出现了由行星架旋转引起的调制频率,与实验台获得的振动信号频率结构一致,验证了所建立模型的有效性。

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数字化与智能化

基于改进特征交叉算法的风电机组齿轮箱状态监测

刘长良, 田雯雯, 张书瑶, 尹磊, 刘帅

2025, 45(7): 1072-1081. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240346

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针对风电机组监控与数据采集(SCADA)数据间存在的非线性关联问题,引入特征交叉机制并进行改进,将其应用于风电机组齿轮箱状态监测领域。首先,提出一种两阶段交叉特征选择方法,该方法综合考虑了变量间的因果性、相关性及数据分布差异,以筛选具有强隐藏关联且低冗余度的特征进行交叉;其次,对因子分解机进行改进,仅将交叉特征组内的基准变量与其余变量进行交叉,在生成合理交叉特征的同时显著缩短了生成时间;最后,将改进特征交叉算法用于某风电场齿轮箱状态监测任务中。结果表明:所提方法与五种模型相结合均能取得优异效果,显著提升了模型监测性能。

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数字化与智能化

基于改进自适应最小二乘支持向量机的飞灰含碳量软测量方法

郭文康, 莫正阳, 李益国

2025, 45(7): 1082-1090. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240298

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飞灰含碳量是实现锅炉效率在线测量的重要参数之一,然而目前的飞灰含碳量测量装置存在测量周期长和故障率高等缺点。为此,通过改进模型更新方法提出一种新的改进自适应最小二乘支持向量机(IALSSVM)算法,并且将其用于建立某660 MW燃煤锅炉飞灰含碳量的动态软测量模型,其中采用皮尔逊相关性分析筛选出重要变量,利用核主成分分析(KPCA)法融合重要变量信息。仿真测试结果表明:该软测量模型在测试集上的平均绝对预测误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.171%和19.814%,拟合优度(R²)为0.843,具有较高的精度和稳定性。另外,新的模型更新方法在计算速度上相比于传统方法提升30%左右,对促进该模型的在线应用和实现锅炉闭环燃烧优化具有重要作用。

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绿色低碳

脱硫废水喷雾蒸发特性研究进展

张增利, 李泽清, 詹凌霄, 杨林军

2025, 45(7): 1091-1100. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240176

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从喷雾蒸发技术在脱硫废水处理中的应用背景出发,比较了现有不同喷雾蒸发技术在废水浓缩减量和固化单元中应用的优缺点和适应性;综述了单液滴蒸发的常用研究方法,介绍了不同单液滴蒸发装置设计及使用条件,阐述了液滴干燥过程及常用的动力学模型,对影响脱硫废水液滴蒸发的因素如水质和工艺参数等进行了分析,最后对脱硫废水喷雾蒸发相关数值模拟技术应用进行了总结,并且针对性地提出了研究展望。相关总结内容可以为基于喷雾蒸发的脱硫废水零排放技术应用及装置设计提供参考。

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绿色低碳

生物质电厂与热泵储能耦合的系统及其性能分析

王福锐, 何青, 李红

2025, 45(7): 1101-1108. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240327

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为了提高生物质电厂灵活调节能力,以既有生物质电厂为基础,研究了生物质电厂耦合储能的技术,提出了一种生物质发电与热泵储能耦合的新型储能系统。建立了系统模型和性能评价指标,分析了关键参数对系统性能的影响。研究结果表明,通过提高换热器有效性,提高压缩机和膨胀机的等熵效率等措施可以获得较好的系统性能。以额定功率为12 MW、主蒸汽温度为540℃、给水温度为220℃的生物质电厂为例,建立的生物质-热泵储能系统在压缩机与膨胀机等熵效率为0.88,环境温度为30℃,外部换热器有效性为0.984 6,回热器有效性为0.975 0的条件下,系统性能系数(COP)为1.423,循环效率为50.09%。该研究可以为生物质电厂转型储能业务提供一些技术上的理论依据。

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绿色低碳

基于火焰图像的危险废物回转窑燃烧稳定性预测

罗松, 邹良栋, 崔海滨, 吴祖航, 刘海云, 王飞

2025, 45(7): 1109-1115. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240336

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在回转窑焚烧处置危险废物的过程中,针对传统燃烧诊断方法存在依赖人工观测、缺乏实时性等问题,提出了一种基于图像的回转窑火焰燃烧稳定性预测模型。通过搭建中试实验平台,利用CCD相机获取回转窑内火焰燃烧的实时图像,从这些火焰图像中提取包括图像平均灰度、火焰有效面积、火焰高温面积、火焰高温面积率、质心偏移距离和圆形度6种火焰特征量,然后基于主成分分析和支持向量机建立了火焰燃烧稳定性预测模型,最后通过回转窑现场实验验证模型的有效性。结果表明:该模型能够实时监测并预测回转窑的燃烧状态,为操作人员提供决策支持,该模型在实际应用中表现出良好的预测准确性和实用性。

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综合能源系统

计及冗余策略的冷热电联供系统配置优化

韩中合, 张家辉, 张翰

2025, 45(7): 1116-1125. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240269

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为了协调冷热电联供系统的可靠性和综合性能,在完全冗余策略的基础上提出了热备用冗余策略。同时,针对该策略设计了系统的灵活运行模式,并优化了运行和备用设备的数量配置。以5个代表性城市的商业建筑作为研究对象,建立优化模型来评估不同冗余策略下系统的可靠性、经济性、能效性和环境性,并与无冗余系统进行对比。结果表明:无冗余系统的经济指标因设备故障而显著降低,成为综合性能下降的主要原因;完全冗余策略下,系统的可用性高达99.61%,但综合性能最差;热备用冗余策略下,可靠性和综合性能之间存在竞争关系,此时北京地区系统可靠性最高,但综合性能仅为8.43%,而昆明地区系统可靠性最低,但综合性能高达25.63%。

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综合能源系统

基于多目标沙猫群算法的含碳捕集虚拟电厂优化调度

高建强, 蔡杜钟, 刘春涛, 危日光

2025, 45(7): 1126-1133. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240301

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针对现有智能算法在求解多目标虚拟电厂优化调度问题存在的收敛速度慢、易陷入局部最优解等问题,建立了以收益最大和碳排放量最小为目标函数的含碳捕集虚拟电厂优化调度模型,并采用多目标沙猫群算法对所提模型进行优化求解,将优化结果与多目标灰狼算法和多目标遗传算法进行比较,并采用熵权-逼近理想解排序法对多目标沙猫群算法优化得到的各方案进行筛选,得到兼顾经济性和环保性的综合最优方案。结果表明:多目标沙猫群算法得到的方案优于其他2种算法;综合最优方案的系统总收益为60.26万元,碳排放量为249.15 t,相比只考虑系统收益最大化所得的方案,该方案系统收益虽下降了8.90%,但碳排放量下降了41.95%。

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综合能源系统

基于深度强化学习的风光耦合热电联产机组优化调度

王志霄, 田雪沁, 王鹏朝, 陈海盟, 孙立

2025, 45(7): 1134-1143. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240308

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集中供热管网蓄热在改善热电联产机组供能成本及可再生能源消纳方面具有较大潜力。但由于热电耦合和源荷不确定性,系统的有效运行和调度优化面临挑战。以风光发电耦合热电联产机组系统为研究对象,构建了考虑热电半解耦的能量调度优化模型。针对系统在运行中遇到的热电耦合和源荷不确定性问题,设计了基于马尔可夫决策过程的深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)调度优化方法,通过训练神经网络以适应随机变化的源荷场景,实现了机组的实时能流调度优化,并在高负荷、常规负荷和低负荷3种典型场景下进行调度仿真。结果表明:基于DDPG的热电半解耦调度方法能够有效调整机组出力,可同时满足电、热负荷,并保证供热管网的安全性与可持续性;相较于基于规则的算法,DDPG算法在调度综合成本和风光能源的有效利用方面效果优越,在3种负荷场景下,DDPG算法有效降低了调度综合成本和弃风弃光率,前者分别降低了2.46%、7.49%和10.55%,后者分别减少了1.98百分比、3.40百分比和4.86百分比。

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综合能源系统

压缩式热泵回收燃气锅炉烟气余热的实验研究

邓世丰, 张浩远, 郭辉, 李光英, 董凯, 曲腾, 高云龙, 赵钦新

2025, 45(7): 1144-1152. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.240283

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基于现有燃气热水锅炉排烟中占燃料输入低位热值约10%的潜热和显热并未被有效利用,搭建了燃气锅炉烟气余热回收实验平台,分析了电压缩式热泵回收烟气冷凝热对锅炉系统效率以及经济性的影响,并提出了气电耦合系统运行优化策略。结果表明:锅炉回水温度和热负荷越高,锅炉本体的排烟温度越高,热效率越低;随着锅炉本体热负荷和回水温度的升高,耦合热泵后的锅炉系统热效率提升幅度越大,提升幅度为4.4百分点~10.4百分点;增加锅炉负荷、降低回水温度有利于提高热泵性能系数(coefficient of performance,COP),热泵系统的投资回收期可缩短至3 a以内;由于热泵的最优实时功率随着电价的增加不断向低功耗高效率的方向移动,应根据锅炉负荷和气电价比实时调整热泵出力。

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