面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

太阳能光热发电系统研究现状

针对太阳能光热发电系统,综述了光热发电系统中集热器、蓄热技术以及动力循环的研究及应用现状,并阐述了太阳能混合系统的优势,总结了太阳能光热发电系统面临的关键问题,为光热发电系统的发展提供参考。

采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置

针对船舶管路设计中的路径寻优问题,提出了一种采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置方法。首先,建立了船舶管路布置空间模型,包括网格单元模型、管路简化模型、设备障碍物模型和约束规则模型。其次,对传统遗传算法进行了优化设计,在种群初始化阶段,加入障碍物判定函数替换以往其他研究采用的罚函数;在交叉和变异过程,引入A星算法生成子路径;引入父子比较环节,每经过交叉、变异一次,便比较一次父代与子代的适应度值;在选择操作中,对传统的轮盘赌方法进行改进,引进个体的相似度比例,个体的被选择概率由相似度比例和适应度值共同决定。最后,对所提优化A星-遗传算法和粒子群、A星、迷宫-遗传算法进行了仿真对比实验。结果表明:A星-遗传算法在管路的长度、拐角数、能量值、适应度值、最优解次数和平均收敛代数等6项指标上均得到了最优值;与同为混合算法的迷宫-遗传算法相比,优化A星-遗传算法在两个案例中的最优解次数分别增加了44.4%、100%,平均求解时间分别减少了57.6%、58.1%,平均收敛代数分别减少了36.9%、44.1%。A星-遗传算法在保证管路布置质量的同时,有效提高了寻优效率,其对于船舶管路智能布置的适配性和优越性得到了验证,对提高船舶产业生产力具有一定的意义。

电解水制氢储能与Allam循环发电集成系统的热力学特性分析

为充分利用可再生能源和提高发电系统效率,提出了一种基于固体氧化物的电解水制氢储能与Allam循环发电的集成系统。将高效率的Allam循环应用于电解水制氢储能系统,电解水储能系统负责为Allam循环提供燃料和纯氧,建立了该系统的热力学计算模型。通过Matlab自编程对该系统进行了仿真计算,重点分析了透平进出口参数、动力设备等熵效率、电解效率和循环最低温度对储能-发电系统的影响规律。结果表明:在设计工况下,集成系统效率达到54.47%,储能密度为214.85 kW·h·m-3。存在最佳透平进口温度、最佳透平进口压力、最佳透平出口压力使系统效率达到峰值。相较其他动力设备,透平内效率对集成系统性能影响最大,透平内效率从82%增大至92%,集成系统效率提高了2.55%。降低发电循环的最低温度可以提升集成系统性能,当循环最低温度从26℃降低至-4℃,集成系统效率提高了6.03%。该研究对发展新型大规模电储能技术具有一定的借鉴意义,参数分析结果可为工程实际应用提供理论支撑。

汽轮机喷嘴固粒冲蚀模化试验系统及测试方法

基于相似模化理论，并结合数值模拟结果自行设计研制出超超临界、超临界、亚临界3种汽轮机调节级喷嘴蒸汽参数范围的高温高速气固两相流模化试验系统，为研究叶片材料抗固粒冲蚀特性和粒子运动行为规律提供必需的试验条件。为人工生成上述条件下的气固两相流，还研制出一种可调性宽、稳定性良好的固体颗粒加料系统，并对影响加料量脉动因素及其抑制方法进行了专题研究；利用PIV技术并经过多次尝试获得温度在650℃以下、粒子尺寸为2—150μm范围、颗粒群速度为150～500m／s的速度矢量场及其运动行为特征；借助快速响应的电子秤并结合取样、调节和控制等多路辅助子系统解决了颗粒加料量的静态和瞬态测量难题；为说明本模化试验系统的主要功能和关键参数的测试方法，文中还给出2个试验研究实例及其典型结果。

660 MW超超临界开式循环火电机组冷端综合优化

在“双碳”背景下,提高低负荷工况下汽轮机冷端运行的经济性愈发重要。本文以陈家港电厂660 MW机组的冷端系统为研究对象,建立了循环水泵变工况计算模型,实现循泵泵组-凝汽器-汽轮机组的耦合计算。以实际循环水参数和运行负荷为变量,通过建模分析,开展了循环水泵泵组工频与变频运行对比、机组冷端综合优化等研究。结果表明,潮汐对循泵功率的影响不大,但对循环水流量的影响较大,同一天的最大差异接近5 000 t/h;循泵变频的最大节能率超过45%。当环境温度约低于22℃时,可以通过调整循环水流量降低煤耗率;环境温度越低,煤耗率收益越大,平均煤耗率可降低2.8 g/kWh以上。

颗粒加料器流量脉动产生的机理及抑制新方法

针对固体颗粒加料器供给流量的脉动性问题,采用动态测试技术对螺杆加料器的主要参数进行联动测试,获得了流量变化的基本规律,即流量系数随转速的增大而增大,而且螺距越小,转速对流量系数的影响越大.通过对流量脉动动态定量关系的深入分析,发现出料通道宽度的周期性变化是加料器流量脉动的主要成因.根据脉动互补原理,提出了一种有效抑制脉动的方法,并研制了一种新型双螺杆加料器.经实验验证该方法有效可行、效果显著,可为加料器设计和改进提供理论指导和技术参考.研制出的双螺杆加料器对流量脉动的抑制非常有效.

透平叶栅二次流瞬态特性的新测试方法

为了解决常规粒子图像测速系统（PIV）对小于20％主流速度的弱次流场进行测量时无法得到可靠矢量场的问题，通过调整第二束片光使其沿主流方向偏移1～1．5mm来跟踪粒子运动，实现了对高速流动中弱二次流瞬态速度场的可靠测量．在此基础上，组合调制4束激光片光的触发时序和空间位置，使不同时间触发的片光能跟踪粒子的运动，再结合2套互相关CCD和偏振光技术，可获得3组高时间分辨率的连续瞬态矢量场，从而实现了对非定常二次流质点运动及涡系结构演绎过程的跟踪测量．

微粒撞击高参数汽轮机调节级喷嘴壁面特性研究

固体颗粒冲蚀严重影响超常参数汽轮机调节级喷嘴寿命．本文根据相似理论并借助PIV技术,进行了三种喷嘴内固体微粒运动特性及其材料抗冲蚀特性的试验研究,并通过三维数值模拟进一步研究了单一参数变化对粒子运动特性的影响．发现同一粒子再次撞击角度比初次撞击角度平均小5°～15°；约45%～80%的粒子撞击在离喷嘴出口边约15%的区域；粒子对前加载型线喷嘴有更严重的冲蚀,可以预测采用合适型线的后加载喷嘴或缩短喷嘴宽度能有效降低粒子冲蚀．

超常参数条件下汽固两相流动的相似与模化方法探究

基于相似与模化理论和三维数值模拟方法,对超常参数汽轮机调节级喷嘴内汽固两相模化试验方法进行了研究.结果表明:马赫数和斯托克斯数(Stk)是两相流动的决定性相似准则,其对粒子与壁面撞击速度的模化误差小于5%,撞击角度的模化误差小于3°;经过多种参数组合试验才能筛选出实现Stk在相应位置对应相等的数据,数值模拟预测可减少试验模化参数选择的盲目性.对比不同反弹模型论证了粒子反弹对冲蚀喷嘴壁面影响不大,偏差小于3%.该研究扩展了汽固两相流模化理论在超常参数条件下的应用.

高参数汽轮机喷嘴防治颗粒冲蚀技术研究

通过试验和数值模拟系统研究了高参数汽轮机调节级喷嘴抗固体颗粒冲蚀及其高效全寿命周期机制,首次提出进汽流道结构优化是延长喷嘴组冲蚀寿命的最主要途径。在喷嘴选型和优化时推荐特征参数G大于且远离0.3的喷嘴和后加载型线,采用带局部加厚的端壁收缩和满足强度的缩小喷嘴。另外,提出以初始缺口作为喷嘴高效做功功能失效的准则,并依据调节阀蒸汽流量和调节级后压力随服役时间的变化趋势来监控喷嘴的冲蚀状态。这些结果对确保高参数机组全寿命周期高效率运行具有重要指导意义。

透平叶栅二次流瞬态特性的新测试方法

为了解决常规粒子图像测速仪系统对小于20％主流速度的弱次流场进行测量时无法得到可靠矢量场的问题，通过调整第2束片光使其沿主流方向偏移1～1.5mm来跟踪粒子运动，实现了对高速流动中弱二次流瞬态速度场的可靠测量。在此基础上，组合调制4束激光片光的触发时序和空间位置，使不同时间触发的片光能跟踪粒子的运动，再结合2套互相关CCD和偏振光技术，可获得3组高时间分辨率的连续瞬态矢量场，从而实现了对非定常二次流质点运动及涡系结构演绎过程的跟踪测量。

透平叶栅二次流瞬态特性试验及动力学分析

基于作者提出的片光跟随主流偏移的新测试方法,成功对后加载环形叶栅的二次流瞬态流场进行了试验研究,通过实测瞬态矢量场定量展示了二次涡的强烈非定常性.试验结果表明,随着气流速度的增大,通道涡更靠近吸力面和端壁,而其流线结构也更加不稳定,在同一区域常常存在分叉与不分叉、多次分叉与一次分叉交互出现的非定常现象.基于对通道涡流线结构的涡动力学及其物理本质的分析,认为其流线结构取决于局部压力梯度和正、负耗散区的竞争,在各种抑制二次流措施的基础上,若能一直保持通道涡为不稳定焦点结构,将可以进一步减少二次流损失.

调节阀振动对阀内流场影响的数值模拟

调节阀振动问题在高参数汽轮机中普遍存在,已严重影响到机组运行的经济性和安全性。调节阀振动为复杂的流固耦合,依靠数值模拟揭示由流体诱发振动的原因逐渐成为重要的手段,但是目前针对调节阀的大部分数值模拟并未考虑阀杆系统振动对阀内流场的影响。该文在数值模拟中利用Fluent中动网格模块和UDF函数,对比分析了阀碟在静止和不同振幅、振动频率下对阀内流场的影响。在网格变形中使用了一种新颖的网格控制方法,即固定阀碟边界层网格使网格在较大尺度区域变形,确保了数值计算准确、顺利的进行。数值计算结果表明当阀碟顶端振幅小于0.6 mm时,阀碟上压力呈现随机波动;当阀碟顶端振幅为1mm时,阀碟上压力随阀碟移动出现明显的周期性波动,此时数值模拟应考虑阀杆系统振动的影响。随着振动频率的增加,阀碟上周期性的压力波动逐渐滞后于阀碟移动,当频率达到193.6 Hz时周期性波动消失。

汽轮机叶片材料抗固粒冲蚀磨损能力的试验研究

利用多种测试技术和试验方法解决了模拟超常气固两相流动过程中的一些特殊问题,较系统地进行了常温到610℃、粒子冲击速度从220m/s到450m/s及冲击角从15°到90°条件下氧化铁粒子对两种汽轮机叶片材料抗固粒冲蚀磨损能力的对比性试验研究。研究发现两种叶片材料都呈现出塑性材料的冲蚀特性,最大冲蚀率发生在冲击角约25°和20°处;两种叶片材料冲蚀率的速度指数为2．8～3．0和2．25～2．55,且随温度的变化特性相反。

壁面粗糙度对轴流压气机气动性能的影响

以某典型压气机级为研究对象,利用三维数值模拟方法系统、定量地研究了壁面粗糙度变化对轴流压气机气动性能的影响,揭示了壁面粗糙导致压气机性能退化的内在机制。结果表明:壁面粗糙度增大会降低压气机总压比和等熵效率,且粗糙度越大,性能衰退越快;当壁面粗糙度超过90μm时,压气机的总压比和等熵效率分别下降2.58%和7.15%;近壁区气流的黏性耗散,分离区气流掺混、堵塞的增强,以及激波损失是导致压气机性能退化的主要原因;壁面粗糙度增大将使压气机特性线向流量减小的方向移动,近失速点的特性参数减小得更快,压气机的稳定工况范围有所增大,但通流能力大幅降低;当壁面粗糙度超过150μm时,失速工况提前发生,压气机稳定工作范围迅速减小6.21%。

矩形扩压通道内流动控制的实验与数值研究

采用粒子成像测速技术和大涡模拟方法对带有涡旋射流的矩形扩压器分离控制的流场进行了实验和数值分析,数值计算结果与实验数据吻合良好。通过分析实验和计算得到相关截面速度和涡量分布,讨论了涡旋射流的二维涡结构;同时应用三维涡识别技术获得了射流产生各种涡旋结构的流动形态,重点研究射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程。结果表明:射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为了涡环;射流孔口前缘的马蹄涡系具有较强的稳定性,反向涡对具有明显的时均特性。此外还通过对比射流控制前后扩压器表面压力系数、分离区长度、扩张段流动形态及观测点功率谱分析等多种方式探讨了射流控制流动分离的控制效果,并指出射流在下游远场形成的纵向涡旋将主流流场边界层外的高能流体卷入到边界层内,增加了边界层内部的流动能量,从而延缓或抑制了流动分离。

小流量离心式喷嘴雾化特性的实验研究

离心式喷嘴在燃气轮机燃烧室中应用广泛,因此人们对其雾化特性及影响雾化特性的因素已经进行了很长时间的研究。本文对小流量离心式喷嘴雾化特性及其影响因素进行了实验研究,着重研究了其他研究者很少涉及的切向孔总面积对离心式喷嘴雾化特性的影响,并对离心式喷嘴燃料分布特性进行了研究。通过实验获得了不同喷嘴出口直径及不同切向孔总面积下离心式喷嘴喷油量、雾化角及雾化粒度的数据,得出了一些有用的结论。这些结论为离心式喷嘴的设计和改良提供了依据,也为离心式喷嘴的改造提供了一条新的思路。

超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电系统仿真研究

针对超临界二氧化碳主压缩机间冷再热再压缩布雷顿循环燃煤发电系统,建立了相关的热力学模型。通过详细的模拟仿真,研究高压透平入口压力、高压透平入口温度、主压缩机入口温度以及压力损失等关键参数对循环最佳热效率的影响。通过分析发现,提升高压透平入口压力和高压透平入口温度、降低主压缩机入口温度都有利于循环热效率的提升,压力损失的增加会导致循环效率降低。最后,将超临界二氧化碳循环燃煤机组的性能与实际运行的蒸汽循环燃煤发电机组的性能进行了比较。研究结果表明,SCO2循环机组可以通过改进循环参数取得与水蒸汽循环相当或者更低的供电煤耗;但是在供电功率相同的情况下,SCO2循环机组工质在锅炉里面的体积流量更大。

高参数汽轮机喷嘴材料抗固体颗粒冲蚀机制研究

在设计、搭建的高温高速加速冲蚀试验台上对高参数汽轮机常用的6种喷嘴材料进行了高温抗固体颗粒冲蚀试验研究，并对试验后的材料表面进行了微观分析。研究结果表明：6种喷嘴母材均表现出典型的塑性材料冲蚀特性，最大冲蚀率对应的角度在（24±4）°范围内，速度指数在2．7～3范围，均高于Finnie冲蚀模型中的对应数值。在氧化皮颗粒小角度冲蚀下，喷嘴的冲蚀破坏主要足由颗粒的微切削所致。而在大角度冲蚀下，喷嘴材料表面主要受到粒子的正应力作用而产生严重的凿削和塑性变形。通过对试验结果进行系统分析，文中在Finnie微切削冲蚀模型的基础上建立了适用于工程实际的高参数汽轮机喷嘴材料抗吲体颗粒冲蚀预测模型。该研究结果深化了高参数汽轮机喷嘴高温颗粒冲蚀机制，为综合防治叶栅冲蚀破坏和预测喷嘴高效做功寿命提供了参考。