超临界CO_(2)水平管内动态冷却传热特性数值模拟研究EI北大核心CSCD

该文利用有限元与CFD的方法建立一维和三维模型,对超临界CO_(2)的动态冷却传热性能进行研究。该文比较了两种模型在外部热流密度发生扰动时的动态响应与反馈,并探讨浮升力效应对管内超临界CO_(2)动态流动换热影响。结果表明:超临界CO_(2)动态冷却的三维动态模拟与一维动态模拟所得出口参数的响应时间具有较大差距;三维模型和一维模型的出口参数动态响应时间在温度接近临界区且管径较大的时候有着较大的差异,浮升力作用是造成两者差异的主要原因之一;浮升力效应通过理查德森数进行量化,在相同管径条件下,Ri越大,三维模型和一维模型之间的差距越大,在Ri大于0.1时,三维动态和一维动态之间响应时间差距较为明显。     

600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器设计及传热特性研究EI北大核心CSCD

为对超临界二氧化碳循环预冷器进行概念设计并探究其传热特性,构建了印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)预冷器的变结构分段设计模型,对600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器开展设计计算和传热特性研究,在定换热量条件下分析冷热侧质量流量与预冷器设计参数的变化关系,探讨其内部传热特性,并给出预冷器设计方案。结果表明:预冷器内S-CO_(2)拟临界工况使温度呈非线性变化,热侧工质物性变化对预冷器整体传热性能的影响更加明显;热侧单通道入口质量流量增加3倍能使平均传热系数提高54.21%,但最小温差值降低53.38%,冷侧单通道入口质量流量的增加仅能强化冷侧传热;设计时可优先选取体积为优化目标以确定截面通道数及热侧入口参数,冷侧水量选取应权衡尺寸及压降关系;最终,该方案选取预冷器内冷热侧单通道入口质量流量分别为2.2和0.75g/s,与已有结果相比该预冷器体积可减小10.50%,夹点温差提高1℃。     

超临界CO_(2)腐蚀对耐热材料力学性能影响研究进展EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳循环系统为清洁能源发展提供了新途径,但高温与含碳环境对耐热材料力学性能和抗腐蚀性能等提出了新的挑战。温度过高时,结构材料在抗氧化性和结构完整性等方面性能要更优异,超临界CO_(2)环境下腐蚀与渗碳综合作用会使耐热钢形成碳化物,造成其抗氧化性和力学性能降低。因此,建立安全稳定超临界CO_(2)循环发电系统的前提是明确在超临界CO_(2)环境中候选材料的最高长时使用温度,以及确定腐蚀与渗碳的综合作用对候选材料的蠕变性能与抗渗碳能力的影响。该文总结国内外关于超临界二氧化碳腐蚀对耐热钢、镍基合金等耐热材料力学性能影响的研究现状,分析合金成分、温度、压力、杂质等因素对耐热材料力学性能的影响规律,讨论渗碳对于裂纹生长以及裂纹扩展等的影响机理,并提出目前实验以及分析的不足之处及未来的发展方向。     

压缩机透平分轴布置的超临界CO_(2)简单回热循环动态特性EI北大核心CSCD

超临界CO_(2)布雷顿循环发电系统配合高温颗粒储热系统,被认为是新一代光热发电机组的重要技术路线之一。深入研究超临界CO_(2)布雷顿循环动态特性,是实现新一代光热发电机组高效、灵活设计和运行的重要基础。该文以西安热工研究院有限公司耦合颗粒换热器的超临界CO_(2)布雷顿循环机组为对象,构建了动态仿真模型,并进行动态仿真计算。该机组采用透平压缩机分轴布置的形式。结果显示:相对于颗粒/循环冷却水入口温度阶跃变化的工况,系统在颗粒/循环冷却水流量阶跃变化工况中响应更快、能够更快地达到新的稳定状态。压缩机转速扰动对系统流量影响迅速且明显,压缩机转速调节可以作为系统流量控制的重要手段。透平在不同流量下最优转速不同,当透平转速变化后更接近最优转速时机组循环净效率增高,反之降低。     

耦合超临界二氧化碳储能循环燃煤机组动态特性仿真EI北大核心CSCD

为提高燃煤机组灵活性,该文提出燃煤机组集成超临界二氧化碳储能(compressed supercritical carbon dioxide energy storage,SC-CCES)循环的热力发电系统。基于机理建模法在MATLAB平台建立耦合SC-CCES系统的燃煤机组动态数学模型,利用仿真实验研究系统的耦合特性,获取SC-CCES系统在储能阶段、释能阶段关键参数的动态响应曲线,并开展参数动态特性研究。结果表明:系统在设计点运行时,降负荷范围可达2.53%Pe(Pe为额定负荷),该范围降负荷速率较快,可达25.735%Pe/min;升负荷范围可达0.71%Pe,该范围内升负荷速率可达5.31%Pe/min,同时升负荷阶段利用锅炉送风与SC-CCES系统耦合可使燃煤机组节约煤耗5.05g/(kW·h)。所构建的热耦合热力系统在改善燃煤机组灵活性方面有较好应用前景,可为SC-CCES系统的工程应用奠定理论基础。     

超临界二氧化碳涡轮转子非线性涡动的密封动力特性EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明:不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。     

基于神经网络的燃气–超临界CO_(2)联合循环变工况特性快速预测及优化EI北大核心CSCD

燃气–超临界CO_(2)联合循环清洁高效、结构紧凑,因系统部件中间容积较小,变负荷调节速率较高,具有良好的灵活性,通过其快速变负荷运行有利于大规模消纳可再生能源电量。该联合循环采用具有超–跨串级结构的超临界CO_(2)底循环实现燃机余热梯级利用。为解决其快速变负荷中循环特性快速预测及优化问题,该文提出基于面心立方设计和反向传播神经网络的变工况特性求解方法。采用粒子群优化算法确定该联合循环变负荷过程的最优滑压运行策略。结果表明:基于神经网络的循环变工况特性预测方法具有良好的精度,并有效缩短仿真计算时间。与流量比例调节法对比,最优滑压运行策略使循环变工况过程具有更优的循环效率及可行运行区间,可以快速准确地为燃气–超临界CO_(2)联合循环提供变工况运行参考。     

超超临界汽轮机补汽结构流动特性与损失分布EI北大核心CSCD

针对超超临界汽轮机补汽装置内复杂流动和效率低下的问题,采用计算流体力学软件CFX建立高压缸两级补汽流动模型,分析补汽装置的性能与损失。对比4种补汽结构内流场的流动特性、气动特性以及流动损失分布,揭示补汽结构流动特性和损失机理,得到性能较好的补汽结构。结果表明:补汽过程中腔室内始终存在位置、大小不同的涡流。中间进汽弯小管的压力分布较为均匀,总压损失较小,腔室内的粘性损失也最小。侧边进汽弯小管的管内粘性损失最小,中间进汽弯小管的管内粘性损失小于中间进汽直小管。中间进汽弯小管的流动效率较好,补汽结构的总体损失较小。     

小容量燃煤S-CO_(2)发电系统热力学构建路径分析EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环具有灵活、紧凑的特点,小容量燃煤S-CO_(2)电厂可作为分布式能源系统的调节电源。该文以小容量燃煤S-CO_(2)发电系统热力学构建为目标,从循环结构和主汽温压参数的选择出发,提出以下系统构建路径:1)结合燃煤热源特点,从系统高效和技术经济性出发选取循环结构;2)通过主汽压力对循环热效率的敏感性分析,选取最优压力;3)从材料高温强度的角度出发,避免S-CO_(2)锅炉受热面超温过热,进而在材料边界条件下,选取主汽温度。基于此路径,提出更适合于燃煤热源的三压缩末级部分压缩循环(tri-compressions with last-stage partial compression,PTC),并且增加一次再热(reheating,RH)措施,推荐PTC+RH为小容量机组基本循环,选取25MPa/605℃为小容量机组主汽温压参数,最终完成了50MW耦合锅炉模型的燃煤S-CO_(2)系统设计,系统发电效率达到41.15%。该研究结果对小容量S-CO_(2)系统构建具有一定指导意义。     

预热型S-CO_(2)布雷顿循环(火用)效率分析与优化EI北大核心CSCD

预热型超临界二氧化碳布雷顿循环在燃气轮机余热回收应用领域中具有较高的发展潜力,对其开展性能分析与优化研究具有重要意义。应用有限时间热力学理论,建立变温热源条件下存在有限温差传热、不可逆压缩、不可逆膨胀等不可逆因素的预热型超临界二氧化碳布雷顿循环模型,并对其进行数值模拟;分析工质质量流率、压缩机和透平效率、压比、换热器热导率以及分流系数对循环(火用)效率的影响;在总热导率一定的约束下,以(火用)效率最大为目标对预热器、加热器、回热器和冷却器的热导率分配比进行优化。结果表明:随着工质质量流率的增大,可通过降低加热器和回热器热导率、提高冷却器和预热器热导率的方式提升循环(火用)效率,且在考虑4个换热器热导率分配比的情况下,(火用)效率最大所对应的工质质量流率范围在92~95kg·s^(-1),功率可达到11.8~12.05MW;经由优化后,循环(火用)效率相比于初始设计点可提高17%以上,其所对应的循环热效率可达到34%以上,循环净功率可达到10.98MW以上。模型具有一定的普适性,研究结果可为实际工程装置的设计与运行提供理论指导。     

管内周向不均匀流动对超临界锅炉膜式水冷壁温度分布的影响及简化计算EI北大核心CSCD

对于半周受热的超临界锅炉膜式水冷壁,管内工质温度和对流换热系数的周向分布具有较强的不均匀性。文中选取SST k-ω湍流模型,在使用实验数据校验了模型后,对半周受热的鳍片管内超临界水的换热和通过管壁的导热进行耦合计算。计算结果表明在拟临界区外,工质温度和换热系数的周向不均匀性对壁温分布的影响很明显;在拟临界区内,周向不均匀性的影响则可忽略。采用周向均匀假设进行简化计算时,换热系数应该选取向火侧中点处的值,这样能保证在拟临界区内、外都能准确地预测向火侧的温度场以及危险点的位置和温度。此外,结果还表明可以使用基于全周加热实验数据得到的换热关联式和水动力计算标准JB/Z201-83来预测危险点的壁温,计算偏差在±10K以内。     

基于冷却除湿混合技术消除白烟热交换系统的传热性能分析EI北大核心CSCD

燃煤电厂湿法脱硫后排出的白烟会造成视觉污染、水分和余热浪费等问题,因此有效治理白烟、推广烟气消白技术具有十分重要的工程意义。以湿法脱硫后形成的白烟污染问题为研究对象对其消除白烟热交换系统进行分析,探究不同工况下对其热交换系统温度、绝对湿度降低和冷却水热回收的影响。基于冷却除湿混合烟气技术方法,在冬季环境条件下对热交换系统进行实验研究,并使用摄像机拍摄混合区出口是否产生白烟。结果发现:当供气引风机和空气-水热交换器同时运行(工况3)时,废气和供气的温度变化最为显著,而且混合区出口温度和绝对湿度大幅度降低,降低约74.1℃和0.0879kg/kg。通过白烟可视化结果,证实白烟的产生机理因工况不同而不同,而且白烟产生量随不同工况的温度和绝对湿度降低而逐渐减少。     

基于有机胺构效关系优选燃煤烟气CO_(2)吸收剂EI北大核心CSCD

化学吸收法是现阶段燃烧后CO_(2)捕集唯一可大规模应用的技术路线,由于缺乏高性能的有机胺吸收剂,该技术的工业推广受到极大限制。基于构效关系,优选出结构上含有1个仲氨基(NH)、1个羟基(OH)、碳链长3~6的直链有机胺,具有低反应热、高解吸速率、低挥发、高吸收速率、高吸收容量和低粘度等较优性能。结合CO_(2)鼓泡吸收、热解吸、粘度测量等实验以及再生能耗评估,优选出N-乙基乙醇胺(ethylaminoethanol, EMEA)/N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone,NMP)是较有潜力的CO_(2)吸收剂。与30%MEA相比,EMEA/NMP的吸收速率提高30%,解吸速率提高60%,再生能耗降低42%。可知,EMEA/NMP是较有潜力的低能耗少水胺吸收剂,可应用于燃煤电厂等烟气CO_(2)捕集。     

不均匀热流下特超蒸发冷却器中过冷水的阻力特性试验研究EI北大核心CSCD

为研究聚变堆偏滤器拱顶冷却结构的流动阻力特性,在系统压力为2.7,3.2,3.7MPa、质量流速为2000~5000kg·m^(-2)·s^(-1)、试验段等效单侧辐射热流密度2~5MW·m^(-2)的参数范围内,对类单侧加热条件下,竖直上升的特超蒸发冷却器中的过冷水进行流动阻力试验。详细分析了系统压力、质量流速、试验段等效单侧辐射热流密度对流动阻力的关联和影响,结果表明:在单相区,流动阻力随主流体温度的变化不明显;而在过冷沸腾区,流动阻力会随着流体温度的升高而迅速增大。在单相流动区,压力对阻力的影响不明显,但在较低压力的工况下会更早的进入过冷沸腾区,阻力曲线的斜率在较低的主流体温度下就开始增大;质量流速越高,则流动阻力越大;在单相区,热流密度越高,则阻力越小。用试验数据对典型阻力关联式进行了评估,结果表明,已有关联式无法良好地预测该试验工况下的流动阻力。所以,拟合出了适用于受到单侧加热的高热流密度下特超蒸发冷却器的阻力公式,该公式对该试验数据的预测精度较高,算术平均误差和均方根误差分别达到0.72%和4.33%。试验结果对偏滤器拱顶冷却结构的设计具有工程上的参考价值。     

基于改进相变模型的重力热管传热特性数值模拟EI北大核心CSCD

基于改进相变模型和工质饱和蒸汽压关系式对重力热管相变传热过程进行数值模拟,通过与文献结果和该文实验数据的对比,分析了冷凝过程质量转换时间松弛因子(冷凝系数)和相变判据对模拟结果的影响。结果表明:通过对冷凝系数的优化促进了热管启动过程的热质平衡,合理控制冷凝系数的变化速率可显著降低计算域质量偏差,并提高管壁温度模拟精度;饱和温度对热管蒸发段壁面温度影响最大,对冷凝段壁面温度影响最小,同等条件下低于合理取值的饱和温度将导致更大的管壁温度模拟偏差;采用工质饱和蒸汽压关系式作为相变判据能获得合理的饱和温度,模拟结果与实验值具有良好的一致性;基于改进模型的数值模拟结果直观再现了热管内部相变传热传质过程。结果可为热管相变传热数值模型的优化改进提供指导,有助于加深对热管内部传热机理的认识。     

基于Aspen Plus对Selexol分离CO_2流程的分析EI北大核心CSCD

整体煤气化联合循环发电系统可采取燃烧前捕集CO2的方法,处理的合成气量少,能耗低,且能够实现CO2的近零排放,在CO2脱除方面具有很大的优势。文中基于Aspen Plus对CO2/H2S联合脱除和分别脱除流程建立了模型,对2流程的能耗、CO2及H2S的脱除效率以及Selexol溶液的再生性能进行了分析。得出:在出口CO2纯度相同的情况下,CO2/H2S联合脱除流程的能耗仅占CO2/H2S分别脱除的21%左右,CO2脱除效率高于分别脱除流程,2流程Selexol溶液的再生性能相差不大,且H2S脱除效率也可达到95%以上,因此CO2/H2S联合脱除流程更经济。     

O_(2)/CO_(2)和O_(2)/N_(2)气氛下单颗粒煤火焰碱金属光谱辐射特性EI北大核心CSCD

不同气氛条件对煤颗粒反应特性有着很大的影响,因此本文研究了O_(2)/CO_(2)和O_(2)/N_(2)气氛对单颗粒煤燃烧过程火焰面积、火焰温度及碱金属(Na^(*)和K^(*))光谱辐射特性的影响。基于煤颗粒可视化滴管炉,结合火焰光谱诊断系统,捕捉了火焰图像并采用多波段辐射法计算不同氧浓度为30%、40%和50%下的火焰温度。结果表明,随着反应的进行,火焰温度增加而火焰面积先增加后减小。O_(2)/CO_(2)气氛下,煤颗粒周围出现一层薄薄的“火焰层”,而在O_(2)/N_(2)气氛下没有观察到类似的现象,这源于CO_(2)较高的热容值。随着氧浓度的增加,火焰中Na^(*)和K^(*)的辐射峰值强度增加。另外,O_(2)/N_(2)气氛下Na^(*)和K^(*)峰值强度和火焰温度高于O_(2)/CO_(2)气氛,且Na^(*)和K^(*)峰值强度的与火焰温度呈正相关,可以用碱金属原子辐射光谱来表征火焰温度。     

基于密度峰值层次聚类的短期光伏功率预测模型EI北大核心CSCD

针对传统聚类算法不易选取初始聚类中心、对噪声值较敏感、收敛速度慢及易陷入局部最优等问题,提出一种基于密度峰值的层次聚类算法对天气类型进行聚类。首先确定气象数据的密度峰值参数,采用分层聚类算法将气象数据划分为不同类别,然后利用支持向量机(SVM)对未知天气类型进行识别,最终采用径向基(RBF)神经网络建立光伏发电短期功率预测模型。仿真结果表明,该方法能有效提高气象类型的分类精度、加快寻优速度,提高离群样本点分离的鲁棒性,证明了其在小样本的情况下具有较高的精度,且在天气波动较大时仍能较好地实现功率值的预测。     

适用于湿法再生的CO_(2)吸附膜材料性能优化与分析EI北大核心CSCD

湿法再生CO_(2)捕集技术利用水的蒸发自由能实现吸附剂的再生,可解决传统变温吸附CO_(2)再生能耗高的难题,在空气CO_(2)直接捕集领域受到广泛关注。针对湿法再生CO_(2)捕集材料种类少、性能差的现状,该文采用相转化法制备异相CO_(2)吸附薄膜,通过膜材料微观结构表征,对比分析聚醚砜(polyether sulfone,PES)分子量、聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)分子量及PEG与PES配比对膜材料内部微观结构及比表面积、孔体积等性能参数的影响。结果表明:采用分子量较小的PES–3200p制备的膜材料,其内部的孔径及孔的数量明显增加,比表面积增大,有利于CO_(2)在膜材料中扩散。加入分子量较大的PEG–4000时,膜材料内部孔隙率明显增加,具有更大的比表面积及孔体积。随膜材料中PEG添加量增加,膜材料比表面积逐渐减小,表面孔径呈先增大后减小趋势。CO_(2)吸附性能测试结果表明:所制备膜材料的CO_(2)半吸附时间仅为3~6min,动力学性能得到大幅提升。研究结果可为湿法再生吸附材料性能优化及湿法再生技术的大规模应用提供指导。     

基于IGCC的燃烧前CO_2捕集抽蒸汽策略研究EI北大核心CSCD

为了降低燃烧前CO2捕集对IGCC蒸汽动力系统出力的不利影响,并保证CO2捕集系统的稳定运行,CO2捕集消耗的蒸汽需要合理的从IGCC系统内部抽取。采用仿真模拟软件,研究了CO2捕集对IGCC系统中燃气轮机、余热锅炉和汽轮机负荷的影响。提出了两种水–气变换反应加湿蒸汽抽汽方案,通过对比这两种加湿蒸汽抽汽方案对汽轮机出力的影响,确定了最优的向CO2捕集系统供汽策略。其中,水-气变换反应加湿蒸汽从气化炉汽包抽取,CO2分离过程消耗的低压加热蒸汽将根据负荷情况由余热锅炉低压蒸汽系统或汽轮机低压缸抽取。