电厂锅炉实验虚拟仿真系统建设与应用

为开展能动专业核心课程“锅炉原理”的实验教学,校企合作开发了电厂锅炉实验虚拟仿真系统。基于两相流动与辐射对流传热原理构建的仿真系统,由风烟和汽水两大模型构成,严格遵守质量、能量、动量守恒方程。变负荷虚拟实验显示,随锅炉负荷增加,热效率降低、燃料耗量增加。根据辐射传热原理,结合火焰平均温度计算发现:只有炉膛出口烟温增加,才能保证炉膛传热负荷增加,继而抬升排烟温度,导致排烟热损失变大、锅炉热效率降低。锅炉原理实验虚拟仿真,可训练学生运用锅炉本体热力计算原理分析问题的思维,是落实创新能力培养的重要举措。

竖向对称式织物热板仪的研制与试验

为进一步探索织物热阻的精确测量方法,以热惯量最小的思路,设计了竖向对称式热板仪,并在理论上解决了这种设计的非均匀温度场分布解析和平均温度的测量问题。在恒温恒湿室中,通过LabVIEW虚拟仪器控制一块悬挂于空中的铜制试验板,织物被包覆在热板表面,由此热量可直接由板的对称两个方向全部穿透织物并向外传递。使用该热板仪和传统的YG606E热板仪在相同条件下对12块织物的热阻进行对比测量试验,配对t检验显示,两种仪器的测量结果无显著性差异,相对标准偏差显示,新热板仪的数据重复精度更高,证明了竖向对称式设计的可行性和优越性。

基于风电分时电价的虚拟电厂参与清洁供暖运营优化方法

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,迅速发展的风电由于其随机性与波动性,面临突出的风电消纳问题。蓄热式电采暖作为中国北方地区主要供暖设备,虚拟电厂作为需求侧资源的主要聚合技术手段,聚合蓄热式电采暖的虚拟电厂可为消纳风电、提高风电利用率提供解决途径。对此,提出一种基于风电功率的分时电价划分方法,实现虚拟电厂聚合蓄热式电采暖参与基于分时电价的清洁供暖交易优化运营。首先,阐述虚拟电厂聚合蓄热式电采暖用户参与风电供暖的交易模式;其次,考虑热惯性对蓄热式电采暖和房屋进行精细化建模,提出基于层次凝聚聚类算法的分时电价方法,建立基于Weber-Fechner定律的负荷模糊响应模型,并构建多方主体综合收益最大、弃风量最小和负荷波动最小的虚拟电厂多目标运营优化模型;最后,通过算例分析风电消纳效果和虚拟电厂收益,验证该方法能够有效促进风电消纳、提高多方主体积极性,并具有一定的规模经济性,以期为缓解弃风问题提供参考。

配电台区灵活资源多时间尺度优化调度方法——以含虚拟储能的建筑微网为例

随着“双碳”目标的提出,配电台区接入大量分布式光伏、电动汽车、微网以及智能建筑等新元素,在给中低压配网安全运行带来挑战的同时也蕴含着巨大的灵活调节潜力。本工作以配电台区的智能建筑为例,提出一种含虚拟储能系统的建筑微网多时间尺度优化调度方法。首先对建筑围护结构的动态特性进行建模,构建了对建筑灵活性进行定量描述的虚拟储能模型,通过对虚拟储能的充放电过程进行优化调度来实现对建筑灵活性的定量利用;随后,在配电台区灵活资源多时间尺度优化调度模型中详细考虑了建筑的可调虚拟储能特性,分别在日前调度和日间修正两个时间尺度对建筑虚拟储能进行充分利用,提出以运行成本最低为目标的日前经济调度方法和跟踪微网联络线设定值的日间修正方法。最后以夏季制冷场景为例,利用典型建筑微网系统验证了本文所提多时间尺度优化调度方法的有效性。结果表明,本文所提方法可有效调度建筑的虚拟储能能力,实现在日前运行阶段降低建筑微网的运行成本,在日间运行阶段有效平抑可再生能源的随机波动。

数值天气预报模式的行星边界层方案热力预报变量选择

在数值天气预报模式中,大气边界层湍流混合由行星边界层方案承担.传统的边界层方案多采用位温作为热力学预报变量,计算感热通量并获得位温的湍流倾向,多数边界层方案设计之初,也往往只考虑干边界层中的位温湍流混合.事实上,驱动边界层热对流的是浮力而非热力,前者还包含了水汽的作用,由虚位温表征.基于湍流可分辨的大涡模拟来评估传统边界层方案所参数化的感热通量在湿边界层中的适用性,重点关注方案中涉及逆梯度修正项的关键系数,同时也考察浮力通量的参数化评估结果显示浮力通量在干湿边界层中具备一致性,其模式系数不随水汽条件变化,因此,推荐以虚位温替代位温作为行星边界层方案热力预报变量.

考虑风电消纳的含P2G-CCS虚拟电厂优化调度

针对热电联供(CHP)运行过程中产生大量CO_(2)以及“以热定电”运行方式导致的弃风问题,提出一种考虑风电消纳的含电转气和碳捕集系统(P2G-CCS)虚拟电厂优化调度方案。首先,在虚拟电厂(VPP)中引入P2GCCS耦合模型,并使其与CHP能源流动形成循环,将CO_(2)作为CHP的燃料来源;其次,在VPP中加入地源热泵(GSHP),与P2G-CCS协同运行,实现CHP的热电解耦,促进风电消纳;最后,将电、气综合需求响应引入负荷侧,进一步促进风电消纳。以华北某地区VPP为例进行算例分析,结果表明所提调度方案可以有效促进风电消纳,同时碳排放和运行成本也更低。

“热处理设备”课程虚拟仿真实验教学系统建设及应用

“热处理设备”课程虚拟仿真实验教学系统建设秉承以学生发展为中心,开展线上线下、课内课外、理论实践融合互馈的混合式教学。课程改革以掌握热处理设备的基本理论和技能、获得良好的思辨能力和岗位胜任力、培养学生的工学人文精神和家国情怀为目标。教学团队通过先进的信息化技术教学,结合教师科研、企业案例和行业进展为学生提供丰富的教学资源,全程采用多元化、整体性、系统性的评价方式,最后达到知识、能力、素质全面提高的教学效果。

考虑碳捕集及需求响应的虚拟电厂热电联合优化调度

燃煤热电机组独特的以热定电工作方式与风电反调峰特性,导致虚拟电厂存在调峰能力不足的问题,且碳排放量居高不下。目前,通过碳捕集技术辅之合理的需求响应机制是实现虚拟电厂灵活低碳运行的重要手段。研究的虚拟电厂在包含热电厂、风电场、光伏电站的基础上加入碳捕集设备与电锅炉并考虑需求响应机制。基于虚拟电厂的源荷结构与工作原理,建立了考虑碳捕集及需求响应的虚拟电厂优化调度模型,并应用自适应免疫遗传算法对模型进行求解,分析了4种不同策略的调度情况。仿真结果表明,规划的虚拟电厂结构合理,提出的调度策略能通过协调源荷两侧资源,在提高系统新能源消纳能力与总收益的同时达到减少碳排放量的目的。

并联管束流动及换热虚拟可视化动力学模型构建

随着现代互联网、通信及人工智能技术的迅猛发展,工业设备的智能化、实时化运行和管理的要求被日渐重视,因此,构建合理的设备运行模型是必要的。基于实验用并联锅炉管束的流动与传热基本特性,本文分析构建了并联管束运行操作时管内工质流动与传热过程的相变模型和动态可视化模型,实现设备虚拟动态的实时展示,对教学机构的科学研究和运维人员的岗前培训、动力锅炉行业的智能化发展具有积极意义。

考虑不确定性和楼宇储热的区域综合能源系统分布式优化调度

为了充分发挥多个区域综合能源系统(RIES)能量互补的优势,有效降低新能源随机波动对系统安全稳定运行的影响,基于条件风险价值(CVaR)理论,提出了一种考虑楼宇储热的RIES分布式优化调度方法。根据楼宇的热动态特性,建立楼宇等效虚拟热储能模型以及RIES优化调度模型;引入CVaR理论处理新能源出力的不确定性,实现系统运行成本和风险水平的权衡;建立RIES能量共享模型,并采用自适应步长交替方向乘子法实现模型的分布式求解;根据各RIES的交互贡献度,对RIES能量共享的收益进行分配。算例测试结果表明,所提方法能有效降低各RIES的运行成本,并在兼顾鲁棒性与经济性的同时实现RIES利润的公平合理分配。

考虑高维不确定性的热电联产虚拟电厂优化调度

基于狄利克雷过程混合模型和变分推断算法建立了风电出力-光伏出力-电负荷-热负荷高维数据驱动不确定模糊集,在此基础上提出了考虑高维不确定性的热电联产虚拟电厂(CHP-VPP)两阶段随机鲁棒优化调度策略。两阶段中第1和第2阶段分别以日前和实时市场收益最大为目标函数,考虑各机组运行、功率平衡、市场交易和网络结构等多种约束,开发了加速列与约束生成(AC&CG)算法来对此优化调度问题进行求解。结果表明:所提出的随机鲁棒优化方法实现了CHP-VPP经济性和鲁棒性的均衡;模糊集中不确定边界值与CHP-VPP总收益呈负相关,随着不确定边界值的增大,系统的总收益降低,鲁棒性增加。

热电联产虚拟电厂两阶段分布鲁棒优化调度

热电联产虚拟电厂(combined heat and power virtual power plant,CHP-VPP)聚合了各类电热出力单元,可兼顾风光出力不确定性、动态电价、用户热舒适度等影响,实现整体出力的优化调度。提出了两阶段分布鲁棒优化调度方法,第一阶段考虑计划调度,旨在保证CHP-VPP的收益最大;第二阶段基于矩不确定分布鲁棒方法,构建风光出力的不确定性模糊集,引入用户热舒适度HOMIE模型,降低电热净负荷波动幅度,实现对CHP-VPP内部各单元实时出力的优化调整。针对IEEE14节点模型进行算例研究,分析了不确定参数、不同优化方法以及动态电价对调度结果的影响,结果表明:所提出的两阶段调度方法能够有效进行电热调度,实现系统的收益最大化和波动最小化。

准稳态下常功率平面热源法测不良热导体热导率及COMSOL模拟

准稳态法是测量不良热导体热导率的一种常用方法,样品材质、保温层、加热功率等都会对测量结果造成影响。本文采用分离变量法,以有机玻璃为例,求解了厚度均匀的无限大不良热导体两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度时的热传导方程,得到样品各处的温度随时间变化的严格解。在初始加热时间不到十分钟的状态下采用截断近似,并在准稳态下用常功率平面热源加热法测量了不良热导体的热导率k及比热c。在此基础上,采用四块有机玻璃板和两个加热薄膜外包泡沫和聚丙烯(PP)阻热材料的模型,作了COMSOL多物理场耦合仿真,得到的理论、实验及仿真结果三者符合得很好。

热交换器泄漏故障虚拟感知方法研究

核电行业工艺复杂程度与日俱增,而电站热交换器设备的安全监测仍停留在对性能参数的直接监测和间接表征,难以实现故障的准确诊断与预警。提出了一种热交换器泄漏故障虚拟感知方法,首先通过分析热交换器的泄漏机理及泄漏对性能指标和监测参数的影响规律,构建了针对换热管泄漏和法兰泄漏两种工况的虚拟传感推理模型,不仅能对泄漏状态、泄漏类型进行判断,还能实现对泄漏量的虚拟感知和对性能参数的直接表征。为了验证所提模型,搭建了热交换器泄漏故障实验装置,结果表明,该模型能够诊断出泄漏率1.80%的小泄漏量,对于不同的工况,其诊断误差不超过11.32%,具有较高的准确性和可靠性。

基于虚拟仪器的沙疗床控制系统设计

传统沙疗床存在加热不均匀、局部过热的情况。为了提升沙疗床均匀传热自动化的水平,文中根据硬软件模块化设计的思想,提出一种基于单片机STM32与虚拟仪器软件LabVIEW相结合的控制系统。该系统核心部分由步进电机驱动器、步进电机、硅橡胶加热板以及铂电阻传感器组成。对沙疗控制系统的主控芯片模块、电源模块、电机控制模块、温度采集模块和加热模块的硬件电路结构设计进行详细介绍;并在此基础上,采用生产者-消费者模式设计与之匹配的上位机LabVIEW软件系统和可操作的用户界面。设计的上位机软件应用并行循环和队列技术,可以提高采集和解析效率,实现对电机的参数控制和温度的数据采集与显示。所提控制系统具有较高的模块化、自动化,能够快速地将温度数据采集并保存,在智能化方面,沙疗设备控制效果较好。

在线算法演示虚拟仿真平台开发——以热传导为例

为缩短传统算法演示流程,降低学习成本,开发基于Web的应用程序,建立无须安装插件或额外运行时的轻量级虚拟仿真平台,在浏览器中开展热传导虚拟实验教学。仿真平台基于开源库Vue-repl、Element plus、MathJax和ECharts构建,可展示高可交互的用户界面,计算结果可视化呈现。为形象直观理解数值仿真过程及算法实现,学生可在浏览器中编辑源代码,修改物性参数、空间步长与时间步长、残差控制等计算参数,将仿真结果通过图表展示。实验仿真平台基于开源软件构建,简化了传统热传导仿真流程。

基于数值模拟的焊接虚拟仿真实验教学软件设计与实现

针对原有焊接实验教学中存在的不足和现阶段虚拟仿真技术存在的弊端,设计并开发了一款焊接虚拟仿真实验教学软件。该软件围绕焊接传热问题,以数值模拟技术为基础,兼具科学性、功能性、高效性、灵活性和低成本特点。

考虑碳捕集技术的虚拟电厂热电联合优化

碳捕集技术作为电力系统低碳转型的关键技术,应用到热电联合系统可降低虚拟电厂的碳排放。为此,提出将碳捕集技术应用至虚拟电厂热电联合优化的技术路线,以促使其低碳经济运行。一方面,依托阶梯碳交易机制、需求响应和电-热之间的互转,以减少虚拟电厂热电联合运行的碳排放;另一方面,以虚拟电厂运行成本最小为目标,综合考虑负荷调节潜力、新能源出力上限等虚拟电厂内部约束,以及电-热-碳互转的物理约束,以提高虚拟电厂运行经济性。基于某园区实况运行数据,围绕是否配置碳捕集技术和需求响应来设计对照场景,验证了所提虚拟电厂热电联合优化模型具有一定的现实可用性和鲁棒性。

计及热惯性的热电联产虚拟电厂韧性提升策略

日益频繁的极端天气给电热耦合系统造成的影响愈发严重。韧性是衡量系统抵御极端事件、减少故障影响并快速恢复的核心指标。为提升电热耦合系统抵御极端灾害的能力,提出一种考虑热惯性的热电联产虚拟电厂(combined heat and power-virtual power plant,CHP-VPP)两阶段三层韧性提升策略。第一阶段以联络开关成本最小为目标,基于最小生成树理论对系统进行重构;第二阶段以运行成本最小为目标,基于分布鲁棒优化理论制定最恶劣的故障场景下的最优决策。采用列与约束生成算法进行迭代求解。基于IEEE 33节点电力系统+6节点供热系统构建CHP-VPP测试系统,仿真结果表明,所提出的方法可有效提升CHP-VPP应对极端灾害的韧性。

天然示踪法在贮灰场土坝渗漏探测中的应用

简述天然示踪法的概念、地下水温度场和电导场分布特征、热源法原理及电导渗漏测试原理.分析某贮灰场土坝垂向和水平温度分布特征、电导水平分布特征,并利用渗漏探测虚拟热源法模型,计算出该土坝的集中渗漏通道的空间位置、展布特点、范围大小和渗漏强度,为堤坝渗漏治理提供科学依据.