适应锅炉调峰运行的水冷壁高温腐蚀预测模型

随着可再生能源大规模并网,传统火电机组作为调配能源的地位显著增强,这对锅炉灵活调峰运行的安全稳定性提出了更高要求。本文耦合烟气侧与工质侧传热,结合管壁温计算,形成水冷壁壁温分布耦合计算方法。同时,建立了用于确定还原性气氛下的燃料硫释放以及含硫组分的相互转化过程的SO_(x)生成模型。综合炉膛数值模拟、水冷壁壁温耦合计算以及包含时间维度的管壁高温腐蚀模型,提出了一种适应锅炉调峰运行的水冷壁高温腐蚀预测模型并基于Matlab GUI开发了对应软件。选取一台超临界600MW四角切圆燃煤锅炉为研究对象,结果表明:采用壁温耦合计算模型和SO_(x)生成模型得到水冷壁的壁温分布和近壁面H_(2)S浓度分布准确度高,为水冷壁高温腐蚀的准确预测提供了良好基础。不同负荷下水冷壁高温腐蚀特征存在差异,壁面腐蚀程度整体上随负荷降低而降低。100%BMCR与75%THA负荷下前墙水冷壁燃烧器与SOFA之间的区域腐蚀最为严重,最大年腐蚀深度分别为276μm和233μm;50%THA与35%BMCR负荷下高温腐蚀深度在燃烧器区域的上部迅速增加至最大值,分别为224μm和256μm。多工况运行水冷壁高温腐蚀状态表现为各工况腐蚀状态的时空叠加。运用水冷壁高温腐蚀预测模型可实现通过锅炉运行参数和运行时间预测多工况下水冷壁高温腐蚀状态程度的时空分布。

宽负荷下切圆燃煤锅炉H_(2)S分布特性的数值模拟

锅炉采用空气分级燃烧降低NO_(x)排放的同时也提高了主燃区H_(2)S体积分数。炉墙壁面过高的H_(2)S体积分数是加剧水冷壁高温腐蚀的重要因素。为保障新能源并网发电,大型燃煤机组灵活调峰的需求增加,不同负荷下的水冷壁近壁面H_(2)S分布特性值得关注。通过正交试验分析了切圆燃煤锅炉运行参数对水冷壁近壁面H_(2)S体积分数分布的影响。选取一台超临界600 MW切圆燃煤锅炉建立数值模型,设计L_(16)(4^(5))正交工况,覆盖100%BMCR、75%THA,50%THA以及35%BMCR四种负荷。建立了自定义SO_(x)生成模型以确定燃料硫的析出和转化路径,模型包含多表面反应子模型以描述焦炭与O_(2)/CO_(2)/H_(2)O等3种气体的异相反应,并确定焦炭气化反应消耗量占总消耗量的比例,进而对炉膛H_(2)S空间分布进行了模拟计算。研究表明,近壁面高体积分数H_(2)S区域主要位于投运燃烧器层中最下层燃烧器以下以及最上层燃烧器以上至SOFA层之间,烟气切圆沿炉膛高度增加逐渐增大是造成后一区域H_(2)S体积分数较高的重要原因。35%BMCR负荷下水冷壁重点区域的H_(2)S平均体积分数为364μL/L,明显低于其他负荷。锅炉运行参数对重点区域H_(2)S体积分数影响程度的排序为:锅炉负荷>一次风率>主燃区空气过量系数>假想切圆直径>燃烧器竖直摆角。

发射药燃气对身管材料的烧蚀速率的计算模型

为构建贴合实际需求的发射药烧蚀性能评价体系,设计半密闭爆发器烧蚀管实验,根据烧蚀管的几何尺寸及实验测量p-t曲线,建立了二维非稳态流动与传热模型,通过烧蚀管壁温的时空分布建立了烧蚀速率模型参数与烧蚀总量的关系。将半密闭爆发器烧蚀管实验的烧蚀量作为基准,采用粒子群算法对烧蚀速率模型参数进行了优化计算。结果表明:随着发射药燃气对烧蚀管冲刷时间增加,燃气与烧蚀管间的流固耦合界面温度有所降低,烧蚀管截面熔融深度的增速减缓;烧蚀管材料为45#钢,发射药为典型双基药(双芳-3)时,优化得到烧蚀速率的指前因子和表观活化能分别为0.3403 s^(-1)和134.6 kJ·mol^(-1),此时损失函数值仅为3.0×10^(-6),可推广应用于身管武器平台的烧蚀状态计算。

三基发射药热烧蚀特性及变化规律

为了研究三基发射药热烧蚀特性及变化规律,制备了组分含量不同的多种三基发射药,采用半密闭爆发器模拟烧蚀试验方法测定发射药样品的烧蚀性,分析了发射药高能组分含量、增塑剂含量对发射药爆温的影响规律,以及发射药爆温对烧蚀特性的影响规律。结果表明,环三亚甲基三硝胺(RDX)、硝基胍(NQ)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)含量改变会引起发射药爆温的变化,进而影响烧蚀性能。RDX含量增加1%,爆温增加0.59%,发射药烧蚀率增加1.23%;与未加入RDX相比,加入2%RDX的发射药烧蚀率增加23.38%;NQ含量增加1%,爆温降低0.23%,发射药烧蚀率降低0.56%;DOP含量增加1%,爆温降低2.99%,发射药烧蚀率降低7.01%。针对爆温在2600~3100 K的范围内的三基发射药,建立了质量烧蚀率与爆温的指数关系式,并分别给出了RDX、NQ、DOP体系的特征系数,为0.106、0.101、0.163。

基于机器学习的螺旋管圈水冷壁壁温预测模型研究

针对某600 MW机组四角切圆锅炉建立了数值计算模型,综合考虑了一次风率、主燃区过量空气系数、燃烧器摆角以及SOFA喷嘴竖直摆角等运行参数的影响,设计L16(45)正交工况获得了100%BMCR、75%THA、50%THA以及35%BMCR负荷下锅炉水冷壁壁面的热流量,各工况下螺旋管圈水冷壁的壁温分布通过耦合壁面吸热量、水动力特性与壁温计算得到。由于正交工况参数设置的不连续性,建立了机器学习模型,实现了正交工况覆盖参数范围内的螺旋管圈水冷壁壁温分布预测。研究结果表明:在亚临界工况下,螺旋管圈水冷壁在燃烧器高度区域内出现730 K的温度峰值;锅炉在变负荷过程中,当炉膛火焰中心高度与管内工质相变起始高度重合时,易发生传热恶化导致壁温激升;机器学习算法中集成学习算法在壁温数据的训练集和测试集上拟合优度R2均达到了0.99,能够适用于宽负荷下锅炉水冷壁壁温预测。同时,机器学习算法建立了壁温分布与锅炉运行参数之间的映射关系,后续研究可通过优化算法合理调整优化运行参数,保障水冷壁的壁温安全。

灰化方式和温度对新疆高碱煤灰理化特性的影响

为研究灰化方式和温度对新疆高碱煤灰理化特性的影响,对新疆准东煤分别利用等离子低温灰化方式和传统缓慢制灰方式制灰,使用X射线荧光光谱仪、电子扫描显微镜与能谱分析、X射线衍射仪等手段分析研究了灰样的微观形貌、组分和灰中矿物质的演变规律。实验结果表明:灰化方式不同时灰中元素含量和矿物质种类有较大差异,等离子低温灰中矿物质种类较多,不同煤种低温灰中钠的赋存形态存在差异;灰化温度升高,钠和氯元素相对含量减少,释放速率主要与钠和氯赋存的矿物质种类有关;随温度升高灰中矿物质主要变化是CaCO_3的分解和CaSO_4的生成,天池灰中Na_2SO_4特征峰在815℃消失,一部分钠以硫酸盐的形式释放到烟气中,而另一部分生成新的含钠组分;对于准东煤这种高碱金属燃料,现有国标缓慢灰化法制灰会造成灰中碱金属的大量释放及矿物质种类发生变化。为确保碱金属测量的准确性,建议在采取常规制灰方式的同时采用等离子低温灰化方法进行对比研究。

半焦富氧燃烧扩散效应研究

为探究富氧燃烧条件下半焦的燃烧特性,研究扩散效应对实验中半焦燃烧的影响,采用热重分析法探讨了扩散对半焦富氧燃烧特性的影响和相应的动力学分析,并对反应中的氧气扩散速率建立数学模型以进行分析。采用改变气氛、坩埚高度、坩埚直径和半焦质量的方法,研究了不同内外扩散速率条件下的半焦燃烧特性。热重实验结果表明:减小燃烧反应中的外扩散行程、增大半焦表面与氧气接触面积、减小半焦床层厚度、提高反应气氛氧含量,都能使扩散阻力减小,氧气扩散速率提高,燃尽温度降低,平均反应速率增大,燃烧特性指数提升,表观活化能增加,燃烧特性变好。实验结果可为半焦富氧燃烧利用和扩散效应的研究提供理论参考。

基于清洁供热技术组合的厂区综合能源解决方案算法研发

工业生产中的耗能特征非常复杂,用能种类较多且负荷波动较大。目前厂区供能方案的设计方法比较粗糙,大多情况下供能设备和用能负荷难以精准匹配,不能给出供能设备详细的运行策略,无法满足目前能源精细化管理的发展需求。本文以混合整数二次规划(MIQP)模型为核心算法开发了一套基于清洁供热技术组合优化的厂区综合能源解决方案算法。算法包含了厂区负荷预测模型、供能设备与技术模型、设备初筛与技术组合方案初筛模型以及核心优化算法模型。本文开发的算法依托Matlab平台,可以在(动态)满足全厂全年的(热/冷/电)负荷的条件下,提供最低综合供能成本解决方案,输出各个设备的运行策略。

基于密度泛函理论的CO_(2)氧化含氮焦炭的机理研究

本研究基于密度泛函理论,选取简化的含吡咯氮(N-5)或吡啶氮(N-6)焦炭模型,在分子水平上对CO_(2)氧化含氮焦炭的异相反应机理进行研究。结构优化采用B3LYP-D3/6-31G(d)方法,单点能计算采用B3LYP-D3/def2-TZVP方法。计算结果表明,CO_(2)氧化含氮焦炭过程分为CO_(2)吸附、CO脱附和NO脱附三个阶段。CO_(2)异相氧化含吡咯氮焦炭的反应中,CO_(2)分子倾向于以C−O−down模式(N−O结合、C−C结合)吸附形成含氮和氧的五元杂环结构。然后五元环中原CO_(2)分子的C−O键断裂形成表面羰基和表面氮氧结构,分别解吸附出CO和NO。该反应吸热401.2 kJ/mol,决速步能垒为197.6 kJ/mol。CO_(2)异相氧化含吡啶氮焦炭的反应中,CO_(2)分子以C−O−down和C−C结合、C−O结合模式吸附后倾向于先形成含氮和氧的六元杂环,再发生CO和NO分子的脱附。该反应吸收598.6 kJ/mol的热量,决速步能垒为292.0 kJ/mol。

灰化方式对煤基固体混合燃料灰分理化特性的影响

灰化方式和温度对固体燃料灰成分有显著影响,而目前关于灰化方式对气化残炭及其与烟煤混合燃料灰分特性的研究较少。探究不同的灰化方式和成灰温度对煤基固体混合燃料灰分理化特性的影响,重点对比传统高温制灰方式(815℃)与低温等离子灰化方法(<200℃)对煤基固体混合燃料灰理化特性的影响与反应机理。试验结果表明:除水煤浆气化残炭的低温灰外,其余各样品的低温灰均在400~600℃出现了较大的失重峰,这是低温灰中未完全氧化有机物的燃烧过程。高温灰和低温灰中成分的主要差异体现在Ca元素上,高温灰中的Ca主要以CaSO4形式存在,而低温灰中的Ca则以CaS,CaCO3等多种形态存在。Fe元素在低温灰中存在形式为FeS2,在高温灰中则以主要以Fe2O3的形式存在。评估掺混燃烧的灰样特性时,要考虑到不同燃料中矿物质的交互作用。研究工作有助于加深对固体燃料掺烧过程灰行为的认识,促进气化残炭的大规模、高效、安全利用。

灰化方法对高碱燃料成灰特性影响的实验研究

为探究高碱燃料在不同燃烧阶段下灰组分的形成及演变规律,本文针对小麦秸秆和紫金烟煤通过不同灰化方法制取的灰样进行了灰组分分析。等离子灰化法由于灰化温度较低(150~200℃),可以较好地保存燃料中矿物质的原始状态,而借助不同温度(575℃、815℃和1000℃)的传统制灰法可以研究灰组分的形成及演变规律。实验结果表明,小麦秸秆灰中的钾含量和紫金烟煤灰中的钠含量大致随着灰化温度的升高而减少。小麦秸秆的等离子灰中含有KClO_(4),KClO_(4)的分解是该灰样失重的原因之一。高温下紫金烟煤中的含钠矿物质会转化为霞石等,含铁矿物质也会发生一系列分解和氧化反应。小麦秸秆和紫金烟煤中的二价铁随着灰化温度的升高有被氧化为三价铁的趋势。