新一代高韧性直流输电技术(一):从器件、装备到系统

构建高比例新能源、高比例电力电子化的新型电力系统迫切需要具有超强构网和主动支撑能力的新型直流输电技术。为此,文中秉承“一代器件、一代装备、一代系统”理念,提出新一代高韧性直流输电概念。增强型集成门极换流晶闸管(enhanced integrated gate-commutated thyristor,IGCT-Plus)的半导体本征结构拥有超强的浪涌电流能力,将为高暂态耐受的换流器提供坚实的物理基础;新型模块化换向式换流器(modular commutated converter,MCC)拥有优异的软开关特性,将是高倍载直流输电系统的优选方案;IGCT-Plus和MCC作为核心器件和装备将支撑具有电压和频率强支撑能力的新型高韧性直流输电系统构建。文中从新型器件、新型装备到新型系统对高韧性直流输电技术进行全面论述,并对后续发展中存在的关键问题和技术进行分析和展望。提出的高韧性直流输电技术对支撑双高电力系统的安全稳定运行具有重要意义,有望成为未来电力传输中的崭新方式。

ML-QSPR方法预测煤基液体的燃料性能

煤基液体混合物如煤焦油、煤直接液化油的分子结构描述和性质预测是开发煤基液体产品高值化工艺和技术的重要基础。由于煤基液体主要由C、H、O、N、S元素构成数量庞杂、芳环结构各异的混合物,因此,使用Python中的RDKit工具包,利用简化分子线性输入规范(Simplified Molecular Input Line Entry System,SMILES)语言构建煤基液体中物质分子描述符,描述符包含样品元素信息、环数与环结构信息、原子数及分子量信息等共计115个分子描述符。对比人工信息提取方法,将所构建的分子描述符能够体现煤基液体分子结构碎片、分子量及原子个数信息等作为机器学习的特征输入变量,用于建立预测煤基液体的燃料性能的分子机器学习-定量结构性质关系方法 (ML-QSPR),实现对燃料低位热值(LHV)、液体密度(ρ)、闪点(FP)、十六烷值(CN)4个关键燃料性能参数的快速预测。模型验证分析表明LHV、ρ、FP模型的R^(2)分别为0.996、0.988、0.987;CN预测中加入混合物数据进行预测,R^(2)=0.959。与已公开报道的预测LHV、ρ、FP、CN性质方法对比,笔者提出ML-QSPR方法在预测4个关键燃料性能参数准确度方面有提升,在获取结果速度方面有显著优势。利用ML-QSPR模型预测得到的煤基液体制特种燃料性能参数数据库中的信息,分析增加不同族组分物质的碳原子数量时4个燃料性能参数的演变趋势,发现LHV、ρ、FP、CN四个燃料性能参数均受碳数(n)影响显著。由于LHV主要由n决定,不同族组分物质的LHV差距小;而不同族组分物质的ρ、FP和CN性质差距明显。此外,本研究训练好的模型可用于预测新的分子,为新型燃料分子设计提供参考;ML-QSPR方法作为迁移学习模型可在今后用于煤基液体其他场景相关理化性质的分析。

超超临界循环流化床锅炉技术研发进展

随着技术进步和对节能减排需求的提升,更先进的超超临界循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉技术成为行业发展趋势。该文探讨了超超临界CFB锅炉技术的设计理念,包括流态化燃烧、水动力系统、污染物控制及系统集成等关键技术。分析大尺寸炉膛内流态化燃烧的均匀性和燃尽性问题,探讨了不同炉型燃烧系统设计;研究超超临界压力下低质量流速垂直管圈水动力系统的设计方案;提出在大截面和高炉膛条件下污染物控制的设计思路;通过对锅炉燃烧技术、热力系统及辅助系统的耦合特性分析,指出燃烧侧与蒸汽侧系统设计的优化方向。基于对关键技术的深入研究和超临界CFB锅炉的实践经验,形成了多种超超临界CFB技术方案,多个采用不同技术方案的项目已进入到工程应用阶段,其中可靠、灵活、清洁和高效是设计中的关键考量。期望这些多样化的超超临界CFB技术路线能够在未来发展中展现出灵活性和低碳优势。

烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气,含NO_(x)、SO_(2)、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理,既能有效资源化利用废气中CO和余氧,又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境,将烧结烟气中SO_(x)和NO_(x)等污染物与燃煤产生的污染物一并去除,有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而,目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题,先通过化学反应动力学模拟,研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程,发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用,燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除,而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法,模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况,发现燃烧过程流态化情况好,烧结烟气中低浓度CO基本燃尽,旋风分离器出口CO质量浓度约100 mg/m^(3),燃烧温度达到去除污染物的要求,验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证,测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过99.5%,低至0.0057 ng TEQ/m^(3),CO质量浓度低至108 mg/m^(3),此外烟气中NOx和SO2质量浓度低至38、24 mg/m^(3),满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

面向双碳目标的多元燃料循环流化床燃烧技术展望

双碳目标让煤电机组的低碳化受到广泛关注。低碳燃料替代是循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)燃烧发电技术的重要方向之一。零碳、低碳燃料特性与煤显著不同,这对CFB燃烧技术的燃料适应性提出了新的挑战。该文从燃料的着火与燃尽、低成本污染物控制和受热面安全3个角度,剖析CFB燃烧技术燃料适应性广的理论基础,提出丰富的床料蓄热和高效物料循环是支撑其适应低碳灵活燃料燃烧的两大基础条件。可以通过构建合理流态和炉内气氛,进一步提升CFB燃烧技术在多元低碳燃料上的适应性。对于生物质燃料,利用循环物料冲刷减少高温受热面沾污、减轻腐蚀,能够提高生物质发电的蒸汽参数,进而提高生物质发电的经济性;对于氨燃料,利用炉内高温床料蓄热解决稳燃问题,利用炉内气氛调控解决低成本脱硝问题,有望攻克氨燃料的高效低成本燃烧技术;对于化工冶金过程中广泛存在的超低热值废气,可利用CFB燃烧技术无害化处理同时回收废气中热能,显著提升废气处理的经济性,减少系统能耗和碳排放。面向双碳目标,CFB燃烧技术将进一步发挥和拓展其燃料适应性广的优势,具有较好前景。

基于高压微流控芯片的水合物相变与气泡演化研究

天然气水合物因其巨大的资源量与高能量密度而被视为一种前景广阔的能源.理解孔隙尺度下天然气水合物生成与分解动力学及气-水-水合物三相分布对优化天然气水合物开采工艺至关重要.文章设计了一种新型的高压微流控可视化实验装置(最高耐压19.0 MPa),可实现孔隙尺度下气体水合物生成和分解相变的直接观测.首先,观测并分析了南海神狐海域温压条件下(压力15.5 MPa)甲烷水合物的成核与生长过程.通过图像识别算法分析了热激法下3种升温速率(0.5,2.0和8.0 K/h)对甲烷水合物分解动力学与气泡演化规律.实验结果表明,孔隙中存在两种不同的甲烷水合物生成机制:(1)甲烷气泡主导生成的气-水-水合物三相共存的疏松多孔型水合物;(2)水中溶解相甲烷主导生成的致密单晶型水合物.其中,单晶型水合物包裹在多孔型水合物周围并呈树突状生长,在接触甲烷气泡时会诱导多孔型水合物的快速成核与生长.水合物分解过程中,气-水-水合物三相共存的多孔型水合物优先分解,单晶型水合物相对稳定,其分解温度高于多孔型水合物约0.3 K.孔隙内水合物分解后产生明显的气泡聚集与融合现象,气泡平均直径为60~100μm.提高升温速率显著加快了水合物分解速率,更有利于气泡融合,造成较大气泡在孔隙内分布.本研究为甲烷水合物在孔隙尺度下生成、分解与微米级气泡演化提供直接实时观测证据,研究结果对深入理解水合物分解动力学与水合物沉积物两相渗流理论提供基础支撑.

基于机理和数据混合模型的SD-WFGD系统SO_(2)浓度动态预测

为了保证燃煤电站脱硫系统SO_(2)排放浓度达到环保要求的同时实现经济运行,建立了单塔双循环湿法烟气脱硫(SD-WFGD)系统出口SO_(2)浓度混合动态预测模型。首先,分析吸收SO_(2)的化学反应过程,分别建立了吸收塔出口和浆液池(AFT塔)出口SO_(2)浓度机理模型;然后,利用变分模态分解(VMD)方法对历史运行数据和机理模型预测偏差数据进行分解,将分解后不同频率的模态分量进行重构,利用最小二乘支持向量机(LSSVM)算法训练并得到不同的模态分量模型,将不同模态分量的LSSVM模型进行加权叠加,建立了数据补偿模型;最后,将数据补偿模型输出和机理模型输出进行叠加,得到SD-WFGD系统SO_(2)浓度混合动态预测模型。结果表明:利用VMD算法将历史数据分解为不同模态,不同模态数据重构后可有效提高数据模型的预测精度;同时,将机理模型和数据模型结合,可提升模型预测能力。

支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术:锅炉系统及汽轮发电机系统

构建新型电力系统被视为推动能源清洁低碳转型、确保如期实现“双碳”目标的关键战略。在新型电力系统的背景下,新能源正逐渐由电源的辅助地位演进为主力电源,而燃煤机组在这一转变中扮演更为灵活的“兜底保供”和“灵活调节”角色。该文以实际工程应用为基础,系统分析燃煤发电机组在新型电力系统中的灵活运行现状,针对锅炉、汽轮机、发电机三大主机设备,从运行安全性、低负荷经济性等方面详细梳理机组灵活运行所面临的问题及原因,分析了现有解决方案及不足。进一步,从锅炉系统的超低负荷稳燃燃烧器、新型锅炉结构和全负荷脱硝3个层面以及汽轮机发电系统的新型汽轮机结构、新型叶片、寿命监测系统、新型发电机结构和动态调相5个层面提出机组灵活运行的新技术,并展望未来的研究与发展方向,以期为我国燃煤发电清洁低碳、安全高效、灵活智能转型发展提供一定指导。

支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术:燃煤耦合储能系统及智能控制系统

我国清洁低碳安全高效的能源体系正逐步建立,以新能源为主体的新型电力系统对燃煤发电机组的灵活运行与优化调控提出了更严格的要求。燃煤发电机组耦合储能系统是提升机组调峰能力与支撑水平的有效途径。灵活运行为智能控制赋予现实需求,智能控制为灵活的实现提供技术支撑,发展智能控制系统是提升机组调峰能力与支撑水平的着手点。该文梳理灵活燃煤发电中燃煤耦合储能系统及控制系统的研究进展,对比各类燃煤耦合储能系统的特征、应用领域与存在问题,同时阐述燃煤发电机组控制系统智能化建设中状态检测、自动控制、运行优化等应用中感知、分析、决策、控制各环节的现状与挑战。分别从储能系统中熔盐储热热力系统重构、关键部件设计、非电伴热3个层面,以及智能控制系统泛在感知、智能控制与智能运行3个层面归纳出支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术,并对燃煤发电机组未来的发展方向进行展望,可为燃煤发电机组的灵活性运行和智能化建设提供一定参考。

新型配电网构建及其关键技术

新型配电网是新型电力系统的重要组成部分,是实现新型电力系统建设目标的基础和关键。该文系统阐述构建新型配电网涉及的发展形态、基本要求、典型特征、发展思路、关键技术等核心重大问题,分析配电网有源化趋势加速、向资源高效配置平台转变、新兴业态不断涌现和数智化深度融合的4个形态内涵,揭示互动化、绿色化、柔性化、数智化4大典型特征,提出了构建过程中应当遵循的重大发展思路,并针对构建新型配电网所依赖的智慧互动、绿色节能、柔性组网和市场机制4方面关键技术问题进行探讨。

“双碳”目标下未来电网形态发展模式及演变路径初探

构建新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”战略目标、确保能源安全转型的关键路径。总结和分析了我国未来电力格局发展态势,进而针对我国电网形态当前和未来可能面临的问题,基于交流系统和直流系统自身技术特点,探讨如何构建适应于能源转型需求的新型电网形态。结合交直流耦合模式以及欧洲的电网发展和海上电网形态研究,从电网形态发展概念设计的角度,针对我国西部电网和海上电网两种情景分析了对应的发展模式及演变路径,提出了我国未来电网形态总体发展路径与思考建议,为“双碳”目标下新型电力系统的构建提供基础参考。

复合金属锂负极的定量模型新进展

锂金属具有极高的比容量和极低的氧化还原电极电势,是二次电池领域最核心的能源材料之一。然而,金属锂负极面临着体积膨胀和不均匀锂沉积等挑战。在金属锂负极中引入三维骨架构建复合锂负极,是缓解体积膨胀、调控锂沉积的有效方法。复合金属锂负极成分和结构复杂,影响电化学反应的因素强耦合。随着物理化学模型进步和计算水平的大规模提升,采用数值模型分析可以有效研究复合锂负极中的物理化学机制。本文首先总结了复合金属锂负极中发生的核心过程机理,回顾了物理化学模型的发展进程。随后介绍了复合锂负极表面电场、离子场等电化学传质过程的定量模型,综述了基于相场模型或有限元模型对锂沉积形貌动态演变机制分析和调控策略的进展,最后从力-电化学场的角度分析了复合锂负极在循环过程中的结构稳定性。这些定量模型工作揭示了锂负极的电化学原理,推动了复合锂负极的高效筛选和优化设计。

能源安全格局下新型电力系统发展战略框架

构建新型电力系统是实现碳达峰、碳中和战略目标,确保能源安全转型的关键路径;电力系统作为当前规模最大、层次复杂、强非线性的人造系统,是未来能源转型的核心,而新能源发电的波动性、随机性将使电力系统安全面临严峻挑战。本文结合我国能源安全转型面临的新形势、新挑战,明确了能源安全涉及的供给、环境、经济、科技等方面的内涵;探讨了能源转型的发展目标与战略路径,阐述了新型电力系统对于能源安全的重要性;剖析了影响新型电力系统安全发展的电源、电网、负荷、储能、市场、技术等关键环节。研究认为,需从应急预警、共享互济、安全防御3个层面着手,构建新型电力系统安全发展所需的核心体系;进一步提出了新型电力系统发展路径研究的基本思路,以期为新型电力系统构建及安全发展研究提供基础参考。

基于类沸腾理论的超临界CO_(2)水平管内强制对流传热特性

该文开展超临界二氧化碳10mm水平圆管内强制对流传热的实验研究,实验参数范围为:质量流速为240.12~1020.34kg/m^(2) s;热流密度为30.24~352.64kW/m^(2);压力为7.542~15.427MPa。基于类沸腾理论解释了实验结果:用类液相雷诺数的大小表征类液相层流效应的强弱,解释传热系数随热流密度的非单调性变化,为超临界流体正常传热与传热恶化划分了边界;用弗劳德数解释类两相区内顶底壁面的传热差异,工质在类气类液区的传热符合单相工质特征。研究结果验证了类沸腾理论模型的实用价值,可为超临界流体传热提供新的研究思路。

受限空间内超临界流体相分布的尺寸效应

许多研究表明,超临界流体具有不均匀的分子结构.本文采用分子动力学方法,模拟了受限空间内类液(Liquid-Like,LL)、类两相(Two-Phase-Like,TPL)和类气(Gas-Like,GL)区超临界流体(Supercritical Fluid,SF)结构特征和相分布规律,分析通道尺寸和壁面润湿性对不同状态SF相分布的影响.研究表明,不同状态SF均在超疏水表面近壁区形成GL膜,随着壁面润湿性的增强,气膜逐渐消失,原子逐渐在润湿性较强的壁面聚集;润湿性较强的TPL流体的通道中部会形成明显的空隙及局部低密度的GL区,近壁区会形成LL膜.尺寸效应对近壁区原子密度振荡范围的影响可忽略不计,但随着通道尺寸减小,LL相近壁区流体的密度则呈现出增大趋势,该现象在GL相消失.不同通道尺寸对应含气率随温度的变化趋势一致,壁面润湿性对含气率的影响较小,随着润湿性的减弱,含气率均呈现出先增大后减小的变化规律,且不同通道尺寸对应不同的转折点.结合三维原子快照,从能量角度对SF的相分布特征进行分析,较大势能束缚原子运动,易形成高密度的LL区,而较低势能区原子易发生逃逸,形成低密度的GL区.本工作将有助于理解纳米通道内SF的结构及相分布规律,为SF微尺度设备设计和应用提供一定的理论基础.

新型电力系统构建的若干基本问题

如何构建新型电力系统是实现“双碳”目标的首要问题,当前正处于加快推进的关键阶段,亟需厘清新型电力系统构建的基本问题,为新型电力系统的深入研究与建设提供参考与指引。该文刻画了新型电力系统电源、电网、负荷与储能形态的重大变化;在此基础上,从平衡理论,稳定机理,成本分析、优化与疏导等方面提出新型电力系统构建的科学问题与经济学问题;最后,提出了支撑新型电力系统构建的关键技术方向。

质子导体型可逆固体氧化物电池材料的研究进展

质子导体型可逆固体氧化物电池(P-RSOCs)具有质子传导活化能低、工作温度低和燃料灵活的特点,鉴于其在化学能和电能转化方面的效率与成本优势,被认为是一种极具发展潜力的能量转化和存储装置。本综述总结了P-RSOCs的研究进展,重点介绍了近5年的突破性工作,对电解质和电极的材料体系及制备技术进行了梳理与讨论,分析了P-RSOCs的应用前景和未来研究方向。钙钛矿氧化物多样化的组成与改性方式使其成为P-RSOCs的关键材料,多燃料特性、电解质与电极的界面性能和电池长期稳定性是当前面临的关键挑战。