Effects of Hydrogen Addition on Power and Emissions Outputs from Diesel Engines

Energy efficiency and environmental impact have become dominant topics in internal combustion engines development. Among many strategies to improve power and emissions outputs from diesel engines is the partial mix of hydrogen and air as fresh charge components to form extremely lean and homogenous mixture, which resist the spontaneous combustion, while diesel fuel is injected directly inside combustion chamber using the conventional fuel injection systems. This contribution presents an analytical and experimental investigation for the effects of adding hydrogen on diesel engines power output and the reduction of emissions. Parametric analysis is used based on lamped parameters modeling of intake manifold to estimate in cylinder trapped charge. The fuel energy flow to engine cylinders is compared for a range of loads and concentrations to simulate relevant case studies. Diesel fuel reduction for significant range of part-load operation can be achieved by introducing hydrogen, along with power improvement emission reductions are affected positively as well. This is achievable without compromising the engine maximum efficiency, given that most engines are operated at small and part-load during normal driving conditions, which allow for introducing more hydrogen instead of large quantities of excess air during such operation conditions that also can be further improved by charge boosting.

综合能源系统低碳经济优化调度研究

为实现碳中和目标,应大力发展清洁能源,需要建设综合能源系统(integrated energy system,IES)并对其进行优化。首先提出了一种IES低碳经济运行策略。该策略关注碳交易市场,并引入阶梯式碳交易机制,以促使IES更有效地控制碳排放;其次提出了一种基于电解槽、甲烷反应器和氢燃料电池的电转气(power-to-gas,P2G)过程。这种新方法可有效提高氢能利用率,降低运行成本;最后,还提出了供需灵活侧双响应机制。在供应侧,通过热电比可调的热电联产来提高能源利用率。在需求侧,提出电、热、气负荷均具备时间维度上需求响应的同时,还具备可替代性。通过这一机制,能够进一步提升IES环保性和可行性。

计及阶梯碳交易及热电比的沿海城市综合能源系统优化调度

针对沿海城市综合能源系统存在多类型能源供需不平衡的问题,提出了计及阶梯碳交易及热电比的沿海城市综合能源系统调度优化策略。首先,引入海水淡化电解水制氢模型、阶梯式碳交易机制、热电比可调的模型;其次,采用CPLEX求解器,以购能成本、碳排放成本和弃风成本最小为优化目标,设定多种运营场景;最后,对计及阶梯碳交易及热电比的沿海城市综合能源系统调度优化策略进行了仿真实验。仿真结果表明:所提模型能在灵活提供各种能源的同时,降低系统运行的弃风成本、购能成本及碳交易成本。

太阳能电解水制氢直接耦合连接技术

对太阳能-电解水制氢系统中光伏阵列与电解槽直接耦合连接技术做了理论研究与计算,得出直接耦合连接方式对电能利用率可高达94%以上,而传统的间接连接方式利用率最高仅为75.3%。得出的结论对降低太阳能-电解水制氢成本和提高系统经济可行性具有重要意义。

甲烷掺混氢气的燃烧特性试验研究

通过在定容燃烧室内研究不同的初始温度、初始压力、燃空当量比、掺氢比下甲烷—氢气—空气混合气的燃烧压力变化规律,得到了上述条件对混合气最大燃烧压力、最大压力升高率、火焰发展期、燃烧持续期以及最大燃烧压力循环变动的影响。研究结果表明:其他初始条件不变时,甲烷—氢气—空气混合气在高温低压时火焰传播的更快;随着甲烷中掺氢比增加,混合气的燃烧速率和最大燃烧压力均逐渐增大,最大燃烧压力出现的时刻提前,最大燃烧压力的变动系数明显降低。

掺氢功率比对富氢甲烷燃烧振荡特性的影响

为探究工程应用中富氢甲烷对燃烧振荡的影响,在北航BASIS燃烧器上针对富氢甲烷的中心分层火焰展开实验研究。分析主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比(氢气功率与主燃级燃料功率的比值)对燃烧振荡的影响。保持预燃级空气流量为2g/s,主燃级空气流量为10g/s,围绕主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比进行24个工况下的128组试验。试验对火焰压力脉动的振幅与频率进行测量,并结合火焰宏观形状进行分析研究,发现对于大多数当量比的工况,富氢甲烷火焰都处于同一模态,出现火焰分层现象但不产生燃烧振荡。主燃级当量比ϕ_(main)=0.6与0.55时,富氢甲烷火焰脉动振幅随掺氢比加大,先增后减,分别有42%和32%的工况发生燃烧振荡。ϕ_(main)=0.5时,燃烧振荡只在高预燃级当量比(ϕ_(pilot))、高掺氢比时发生,仅有7%的工况出现燃烧振荡。因此,为实现更大的减碳比例,在不改变燃烧器构型的情况下,大掺氢功率比燃烧需要工作在主燃级和预燃级非常贫油的条件下。在部分工况中,掺加氢气可以在一定程度上减弱热声振荡的强度。

基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度

“30*60”双碳背景下,为实现低碳排放,需从低碳政策和低碳技术两个路径进行协调。为此建立了含P2G-CCS(power to gas and carbon capture system,P2G-CCS)耦合和燃气掺氢的虚拟电厂(virtualpowerplant,VPP),并提出了基于阶梯碳交易机制的VPP优化调度策略。首先,在低碳技术层面,针对P2G-CCS耦合和燃气掺氢子系统,建立了掺氢燃气轮机、掺氢燃气锅炉、两段式电转气(power to gas,P2G)和碳捕集系统(carboncapturesystem,CCS)的数学模型;其次,在低碳政策层面,建立了阶梯碳交易模型对系统碳排放进行约束;最后,在建模基础上,提出了以碳交易成本、购气和煤耗成本、碳封存成本、机组启停成本和弃风成本之和最低为目标函数的优化调度策略。对建立的模型线性化处理后,采用MATLAB调用CPLEX和粒子群算法进行求解,通过设置不同的情景进行对比,验证了所提模型的有效性,并分析了不同固定掺氢比、变掺氢比、不同的阶梯碳交易参数对VPP低碳性和经济性的影响。

氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析

以氢动力超长航时无人机(UAV)为背景,针对其大展弦比轻质复合材料机翼,采用强耦合方法求解了几何非线性变形下的静气弹特性,对比了弹性机翼与刚性机翼的气动性能,并在此基础上,给出了一种刚性机翼的弹性气动力修正方法。结果表明:相比刚性机翼,弹性机翼巡航状态下的升阻比降低3.2%,滚转力矩导数和偏航力矩导数显著增大,对飞机的气动性能产生不利影响;基于刚性计算结果,对大展弦比机翼进行气动修正,是一种有效的大展弦比轻质机翼气动分析思路。

考虑输气功率的掺氢天然气管道运行优化研究

将氢气掺混入天然气并利用现有天然气管道基础设施输送是实现氢气长距离、大规模、低成本输送的有效方式,但氢气的掺入会对原有天然气管道基础设施的运行产生影响。为此,文章建立了掺氢天然气管道运行能耗优化模型,以压气站最小能耗为目标函数,压缩机开机台数和压缩机转速为决策变量,在掺氢比不同的工况下,分别对保持掺氢天然气的体积输量恒定和输气功率恒定的两种情况进行优化求解分析,对不同掺氢比下管道系统优化后的工况进行分析讨论。研究结果表明:在保证天然气掺氢输送的热值供应的基础上,当掺氢比超过15%时,现有天然气管道设施已无法满足最优工况的平稳运行,可以通过增设压缩机站的方式提高管段压力,以保证现有天然气管道输气功率的稳定,或在下游建设储气调峰设施,以平衡管存气体能量下降的影响。