船用烟气余热S-CO_(2)布雷顿循环发电系统性能分析

开展船舶主机不同负荷工况下的S-CO_(2)布雷顿循环余热系统热力学特性和效能分析是其实现工程应用的必要环节。本文通过性能分析确定系统热力学参数对净输出功率和平准化能源成本的影响变化趋势,最佳运行参数范围以及系统关键热力学参数。通过主机典型负荷工况下的效能评估,分析集成S-CO_(2)再压缩布雷顿循环余热发电系统后的船舶节能减排效益。结果表明:主压缩机入口压力和压比对整个余热发电系统热力学性能和经济性影响最为显著,可调节这2个关键热力学参数以确保系统在船舶主机不同负荷下获得良好系统性能;集成该余热发电系统后,MAN8S90ME-C10.2型主机系统热效率最高可提高0.91%,燃油消耗量平均每年可减少51 t,NO_(2)和CO_(2)的排放量每年可分别减少2.28 t和760 t。

高速S-CO_(2)向心透平几何参数优化及变工况特性分析

透平是热力循环中实现热功转换的核心设备,优化透平几何参数以改善气动性能,是提升系统热效率的关键。该文以面向某船舶主机烟气余热利用的超临界二氧化碳布雷顿循环透平设计参数为基础,给出向心透平主要几何参数,采用耦合CO_(2)真实物性参数的CFX仿真方法,分析几何参数动、静叶包角以及叶轮出口几何角对透平性能的影响规律并进行参数优化,进一步研究非设计工况下的透平运行特性。结果表明:增大静叶包角会使动叶前缘出现扰动涡流并减少余速损失,增大叶轮出口几何角,动叶包角对透平效率的影响规律不变,但效率峰值点会沿动叶包角减小的方向移动;动、静叶包角和叶轮出口几何角分别为49°、21.5°、25°时透平设计点总-静等熵效率高达87.99%,相比优化前,提高0.54个百分点;透平偏离设计点±20%工况下等熵效率大于80%。结果可为超临界二氧化碳高速向心透平设计提供一定参考。

聚光太阳能SCO_(2)热发电系统性能分析与优化设计

针对聚光太阳能超临界二氧化碳(SCO_(2))热发电系统展开研究,构建系统热力学性能分析模型,分析集热侧、动力循环侧的性能,揭示系统集热-蓄热-热功转化之间的相互匹配特性规律,综合分析比较不同集热器、储热工质、动力循环组成的聚光太阳能SCO_(2)热发电系统的全年发电量和年均光-电转化效率,并对系统参数进行优化设计。结果表明:与线性菲涅尔式、槽形抛物面式聚光方式相比,塔式聚光方式的集热量受季节影响小,单位面积上全年集热量最高,全年集热效率约43%;增大高温储罐工质温度或降低低温储热罐工质温度能增大系统年发电量与年均光-电转化效率;采用塔式集热、NaCl-KCl-MgCl_(2)高温熔融盐、再压缩式超临界CO_(2)循环的聚光太阳能热发电系统具有最佳热力学性能。

S-CO_(2)循环用电机设计

文章介绍了S-CO_(2)发电的基本概念和应用前景,对比国外各研究机构同类型电机的基本结构,完成电机结构设计、电磁设计与校核、转子腔与蜗壳腔的密封方案设计和电机出线的密封方案设计。为高速S-CO_(2)循环电机结构、电磁设计研究提供参考。

用于水下航行器的铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统热力学及动态特性分析

将铅铋堆与超临界二氧化碳(supercriticalcarbon dioxidecycle,S-CO_(2))循环相结合的发电系统可为水下航行器稳定、高效供能。然而,目前缺乏水下航行器与铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统的匹配设计研究,其热力学分析仍不完善。因此,该文分别构建其热力学模型和动态模型,通过模拟仿真,开展发电系统与4种动力循环形式的匹配研究,发现简单回热循环与铅铋合金的温度匹配性较好,系统热效率在压缩机和透平入口压力分别为7.6和25MPa时达到26.81%,满足系统设计要求。进一步探讨循环关键运行参数对系统热力学性能的影响规律,结果表明,增大循环最高压力和最高温度有利于系统效率的提升。基于此,进行系统关键换热部件的设计,揭示发电系统在温度阶跃扰动条件下的动态响应特性。可知,当堆芯铅铋温度从410℃降至390℃时,循环效率在大约8s内下降1.69%。该文可为应用于水下航行器的铅铋堆超临界二氧化碳循环发电系统设计提供参考。

2×300MW燃煤式火力发电厂的继电保护设计

分析了2×300 MW燃煤式火力发电厂发电机、变压器的继电保护。对发电机进行了整定,并选择了发电机的定子绕组匝间保护。同时,对变压器进行了简单整定,通过对变电所变压器的瓦斯保护、差动保护、过电流保护,完成了本次继电保护的设计。通过此次设计,熟悉了电力系统继电保护的设计方法,提高了实际动手能力。

塔河油田H_(2)S-CO_(2)-O_(2)共存体系下伴生气管道选材和内涂层评价

研究伴生气管道常用3种管材在H_(2)S-CO_(2)-O_(2)3种气体共存体系下的腐蚀行为,可为塔河油田伴生气管道的腐蚀防控提供指导依据。基于塔河油田典型腐蚀工况,以20钢、L245NS钢和3Cr钢为研究对象,利用高温高压釜试验对3种钢材典型H_(2)S-CO_(2)-O_(2)共存工况下的腐蚀速率和腐蚀产物进行研究,得到20钢腐蚀速率最大,L245NS钢腐蚀速率次之,3Cr钢腐蚀速率最小,3种管材的腐蚀产物主要是Fe、FeS、FeCO_(3)和Fe_(2)O_(3)。对塔河油田4种典型内防腐涂层进行腐蚀前后增重法和附着力测试研究涂层的耐蚀行为,涂层2的抗腐蚀性能和附着力效果最好。考虑性价比,最后选用“L245NS+涂层2”作为塔河油田伴生气管线的防腐措施。

基于燃机余热和地热能的联合发电系统优化设计及热力性能分析

设计了一种超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩系统与地热双闪蒸系统相结合的新型燃机余热利用联合发电系统。基于所建联合系统参数优化模型,应用遗传算法计算分析了联合系统内部参数和边界参数对最大输出功和燃机余热利用率的影响。结果表明:通过系统参数优化,联合系统实现了余热在2个子系统中的合理分配,加深了燃机余热的进一步利用;当一级闪蒸压力取99.89 kPa、二级闪蒸压力取29.4 kPa、S-CO_(2)质量流量取22.68 kg/s、分流比取0.3085时,联合系统最大净输出功达到6.402 MW,对应余热效率为67.9%;当一级闪蒸压力在90~115 kPa、二级闪蒸压力在25~35 kPa时,联合系统均可实现较高的净输出功,与最佳值的相对偏差在0.8%以内;随着S-CO_(2)流量或分流比逐渐增大,联合系统的净输出功均呈现先增大后减小的规律;联合系统的最大净输出功随S-CO_(2)透平进口压力的增大而增加,随S-CO_(2)透平出口压力和预冷器出口温度的增大而减小。

再压缩S-CO_(2)塔式光热发电系统模拟及参数优化

建立了再压缩S-CO_(2)布雷顿循环模型,对S-CO_(2)再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的镜场效率、吸热塔效率、冷源损失等指标进行模拟以及对分流比、压比、透平入口温度等参数进行研究,同时计算得出储热所需时长随全年各月的变化曲线。通过时间序列,得出两分两至日镜场系统与储热系统的供能情况。模拟结果表明:镜场遮挡效率和余弦效率随塔高的增加而增大,大气衰减效率和截断效率随塔高增加而减小;储热时长随日均辐射总量和日照时长有明显的季节差异,春秋分以及夏至日储热系统可以保证系统在无光照情况下实现满发,但冬至日储热系统无法蓄满热,则要想使系统持续运行,则夜里发电功率仅为17.34MW。最后根据压比(2~3.6)、分流比、透平入口温度(500℃~800℃)对于系统循环效率的影响曲线,计算得出系统的参数优化值。

基于S-CO_(2)的强化壳管式蓄热单元传热性能优化

为了了解壳管式蓄热单元的传热性能,提出了一种强化壳管式蓄热单元传热性能的优化方法。对不同的换热流体(HTF)进行优质选择,并基于回归正交试验对相变蓄热单元结构参数进行优化。结果表明:回归方程满足试验的显著性和失拟性检验,验证结果与计算结果的相对误差在1%以内;采用800℃、20 MPa的超临界二氧化碳(S-CO_(2))和管径比为0.666 3的组合形式最优;优化后的蓄热单元获得的最高储热量为2 674.52 kJ,比优化前增加约39.5%,传热速率范围从1.76 kW降到0.007 kW。

初参数对超临界CO_(2)塔式光热发电系统[火用]效率的影响

初参数对塔式光热发电系统热力性能有着重要影响。基于国内外研究现状,文章建立了超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩塔式光热发电系统,研究了不同辐射强度下,该系统不同设备、各子系统和整个系统的[火用]效率,以及吸热器散热损失随透平进口温度和进口压力的变化情况。研究表明:透平进口温度从500℃上升到800℃时,低温回热器[火用]效率最大值为90.21%,对应温度560℃;当辐射强度从95%THA增加到105%THA时,集热子系统[火用]效率最大值点往温度升高的方向偏移且最大值增大,最大为27.88%,对应温度700℃。透平进口压力从20 MPa增加到34 MPa时,循环子系统[火用]效率先增后减,当辐射强度从95%THA增加到105%THA时,其最大值点往压力升高的方向偏移且最大值减小,最大为74.9%,对应压力24 MPa。透平进口压力对吸热器散热损失的影响较小,而进口温度对其影响较大。研究结果可为S-CO_(2)塔式光热发电系统优化设计提供参考。

太阳能热发电中超临界压力CO_(2)在渐扩变截面圆管内冷却传热强化机理

采用SST k-ω湍流模型对冷却条件下超临界压力CO_(2)(S-CO_(2))在等截面圆管、水平渐扩管以及不同倾斜角的渐扩管内的传热特性进行数值模拟。模拟结果表明,在相同换热面积下,相比较于等截面圆管,水平渐扩管的总传热系数提高了32.33%,30°倾斜渐扩管提高了33.12%;水平渐扩管的压降降低了53.87%,30°渐扩管降低了9.86%。采用综合性能评价准则PEC,得到水平渐扩管的综合性能最优。基于S-CO_(2)在拟临界温度Tpc处发生“类相变”的假设,获得了类液膜厚度沿管长方向的分布规律,在同一截面处,30°渐扩管的类液膜厚度最小,等截面圆管的类液膜厚度最大,从超临界态类两相的角度解释了强化传热。

基于多级压缩回热过程的半闭式S-CO_(2)循环回热优化研究

在单回热半闭式超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环中,CO_(2)在不同温度和压力下的比热容差异较大,导致回热器两侧工质的温度匹配性较差,不可逆损失较大。构建多级压缩回热过程是改善单回热循环回热性能的有效方法。该文在单回热循环的基础上,通过添加分流再压缩过程,提出再压缩半闭式S-CO_(2)循环,并获得6.63%的效率提升,同时从数学公式中证明效率提高的原因是叠加了净功。进一步构建三压缩循环时,发现回热器两侧工质流量的不匹配使得回热器内部出现温度交叉,体现出半闭式S-CO_(2)循环存在多种质量流耦合匹配问题,可通过对燃料、氧气和回流CO_(2)在回热器中进行流量匹配来解决。结果表明,三压缩循环相比再压缩循环的效率可进一步提高1.47%。通过构建多级压缩回热过程,充分挖掘了半闭式S-CO_(2)循环的效率潜力,可获得较好的性能。

Q235钢在H_(2)S-CO_(2)环境下的电化学腐蚀行为

采用交流阻抗、动电位极化曲线技术对Q235钢进行电化学测试,并利用金相显微镜观察表面腐蚀形貌。研究了在H_(2)S-CO_(2)体系中,不同H_(2)S/CO_(2)比例对Q235钢电化学腐蚀行为的影响,并对其腐蚀机理进行探究。结果表明,在H_(2)S-CO_(2)体系中,CO_(2)对于H_(2)S的腐蚀有一定程度的抑制作用,H_(2)S则会加速CO_(2)对于Q235钢的腐蚀。当H_(2)S/CO_(2)为2∶1时,Q235钢的腐蚀速率最大。

水轮发电机组GD^(2)估算分析与统计公式拟合研究

水轮发电机组转动惯量是衡量水电机组快速反应性能的关键指标,对于机组的稳定和电力系统的稳定均具有极其重要的影响。在工程中常采用飞轮力矩GD^(2)来表征水轮发电机组转动惯量的大小,在水电站预可研、可研设计阶段,水轮发电机组GD^(2)的取值多采用估算的方式来确定。本文通过典型工程实例和大量的统计数据对目前常用的两类GD^(2)估算公式进行分析,提出合理化的选取建议。并采用近年国内已投产水电站机组GD^(2)真实样本拟合构建的新公式。可为电站初期设计阶段的机组GD^(2)合理估算提供更精确的计算依据。

不同装机容量下S-CO_(2)塔式太阳能热发电系统的热力及经济性能分析

建立超临界CO_(2)布雷顿循环塔式太阳能热发电系统的热力性能和经济性能模型,比较不同装机容量下系统的年均效率,分析系统中各项成本占比及其随容量增长的变化规律,提出进一步降低发电成本的方法。结果表明,主要受镜场效率的影响,系统年均效率随装机容量增加先升后降,峰值为20 MW时的17.4%。发电成本随装机容量的增加而减小,由1 MW时的0.477美元/kWh降至100 MW时的0.125美元/kWh。减小镜场和储热的投资成本是降低大规模电站发电成本的关键。

超临界CO_(2)板式扩散焊矩形微通道换热器扰流格栅结构优化研究

为提升超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环系统中印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)的流动传热综合性能,该文通过数值模拟的方法,基于一种全蚀刻工艺的新型矩形截面PCHE,建立以冷热通道换热单元为研究对象的数学物理模型。研究不同运行工况下,通道内扰流格栅间距对S-CO_(2)流动传热特性的影响机理和影响规律。结果表明:不同格栅间距的热通道内S-CO_(2)的流速均沿程逐渐减小,而冷通道内S-CO_(2)的流速反而沿程逐渐增大。冷热通道内的流动摩擦阻力系数(f)和努塞尔数(Nu)均随着格栅间距的增大而逐渐增大,但不同格栅间距的冷通道内的f和Nu均大于其对应的热通道内的f和Nu。当格栅间距为5.97 mm时,矩形截面通道具有相对最优的综合性能,可以在阻力损失较小的情况下实现强化换热。研究结果可为全蚀刻工艺矩形截面PCHE的性能提升和结构优化提供理论依据和数据支撑。

基于双人零和博弈的孤岛微电网有界L2增益负荷频率控制

针对含不确定建模误差和新能源接入的孤岛微电网,提出了一种结合有界L2增益基线控制和扰动补偿的综合负荷频率控制(LFC)方法。首先,推导了微电网的全驱模型,将建模误差和新能源的影响总结成一个综合扰动。为提高系统的鲁棒性,该综合扰动被定义成控制信号的对手玩家。进一步,关于扰动抑制的有界L2增益问题被等价成求解综合扰动和控制信号的零和博弈Nash均衡,由此推导出有界L2增益基线控制器。为改善频率的二次控制,设计了基于五阶广义积分观测器的扰动补偿控制,并在此基础上引入了一种针对发电速率约束(GRC)的新型抗发电速率约束(anti-GRC)措施。最后,搭建了16 MW的新能源-柴油混合微电网仿真模型,并在多种工况下对所提出的综合LFC方法进行测试,验证了其有效性。

基于CO_(2)混合工质动力循环的塔式太阳能热发电系统四季性能分析

为高效转换塔式太阳能系统的聚光热量,将混合工质(CO_(2)/R290、CO_(2)/R600a和CO_(2)/R601a)应用于再压缩动力循环,建立塔式太阳能热发电系统的热力模型,并基于典型日(春分、夏至、秋分、冬至)的辐照条件对系统热力性能进行分析比较。结果表明:在混合工质不可燃的质量分数范围内,随着CO_(2)质量分数的增加,3种混合工质的系统热效率、效率和发电量均先升高后降低,最优质量分数分别为0.7/0.3、0.8/0.2和0.8/0.2。在3种混合工质中,CO_(2)/R290(0.7/0.3)的系统性能最佳,春分的系统热效率为18.99%,发电量为17.1 MWh。在不同典型日下,夏至系统热效率和效率略低于冬至,但其发电量最高。基于3种混合工质探究透平进口温度、循环最低温度、高温熔盐温度和分流比对系统性能的影响,结果表明,系统存在最佳分流比使热效率和发电量最高,相应分流比的范围为0.70~0.75。

二氧化锰纳米棒掺杂纤维素复合膜用于压电纳米发电机

纤维素是地球上最丰富的天然高分子资源。具有可再生、成本低和生物相容性好等优点,同时纤维素的高结晶性和丰富的极性羟基使其具有大量偶极子和较强的给电子能力,具有良好的压电效应,可作为绿色电子产品的原料。本文采用水热法制备了纯度高、粒径小和分散性好的二氧化锰纳米棒(MnO_(2)),并将其掺杂到Ⅰ型纤维素中制成MnO_(2)/纤维素复合膜,考察不同质量分数的MnO_(2)对复合膜压电纳米发电机电流输出性能的影响。随着MnO_(2)的增加,输出电流呈现先增大后减小的趋势。MnO_(2)掺杂质量分数为30%时,复合膜最大热失重速率温度为325℃,比纯纤维素提高了44℃。复合膜与纯纤维素和MnO_(2)的O1s结合能值均不同,证明纤维素与MnO_(2)之间存在化学键合作用。使用MnO_(2)/纤维素复合膜制成了可达微安级电流的压电纳米发电机,其最大输出电流为80.75μA,输出电压为1.10 V。在手指的按压下,此压电纳米发电机能够驱动LED灯、计算器和电子手表等多种电子产品。此新型绿色环保压电纳米发电机的研究是以纤维素为基质,同时MnO_(2)的掺杂还提高了能量收集效率,为推动纳米发电机技术的发展提供了新思路。