热能动力工程杂志

热能动力工程杂志2018年第1期

• 化学链燃烧中基于密度泛函理论的铁基载氧体研究进展

  梁志永,覃 吴,王建业,董长青

  摘 要：化学链燃烧技术中，铁基载氧体由于成本低、环境良好、热稳定性高和机械性能优良等优点，被认为是最有前景的载氧体之一。但其反应活性相对较低，提高其反应活性成为了研究的重点。在阅读50余篇相关文章的基础上，对密度泛函理论用于铁基载氧体微观反应机理研究进行了3方面的综述：(1） 铁基载氧体表面的电子结构特性及其与燃料分子（CO、H2、CH4和煤等）的氧化还原反应和形成积碳的机理；(2） Al2O3、MgO、TiO2和ZrO2等惰性载体以及Co和Pb等掺杂组分对Fe2O3反应性能的协同作用机理；(3） 化学链燃烧过程中，S和Hg等杂质对铁基载氧体反应性能的影响。据此指出：密度泛函理论在煤和生物质等固体燃料化学链燃烧的研究中应用较少，以煤为主的固体燃料化学链燃烧中固-固反应机理以及灰分与Fe2O3的相互作用机制尚不清楚。此外，多组分铁基载氧体的分子结构设计及性能调控等方面有待进行深入研究。

• 火电机组烟水复合回热系统节能解析

  蒋晓锋,曹雷鸣,闫百涛,孙帅军

  摘 要：针对采用新型烟气余热深度利用技术的烟水复合回热系统，以600 MW超临界汽轮机组为例，运用热量平衡、火用平衡两种手段进行了节能分析。优化系统设置了空预器烟气旁路,布置高、低压换热器加热给水，设置回收低品位余热的前置空预器。通过定功率全系统热力计算表明，优化系统深度利用锅炉排烟余热，主蒸汽流量减少，供电标准煤耗率减小5.13 g/(kW·h)。优化系统锅炉传热火用损失、回热加热器火用损失减少。机组总火用损失减少，效率提高。工程应用表明，改造后机组实际供电标准煤耗降低了6.78 g/（kW·h）。

• 多级轴流氦气压气机流动失稳实验研究

  苏 洋,黄伟光,张靖煊,朱郁波

  摘 要：利用闭式循环实验台，分别使用氦气和空气工质，对多级轴流氦气压气机的流动失稳进行实验研究。实验结果表明，在不同转速下，氦气压气机的流动失稳呈现出不同的特征：在高转速下，流动失稳呈现出大尺度、高振幅、低频率的喘振特征；在低转速下，流动失稳表现为小尺度、高振幅、高频率的旋转失速特征；而在中间的过渡转速，则表现为大尺度和小尺度扰动同时出现。基于相似准则的空气工质实验所表现的流动失稳特征与氦气工质实验所表现的特征一致，且相应的B参数亦接近，说明流动失稳特征与工质无关，是压缩系统特性的表现。

• R141b气液两相喷射器性能研究

  杨 航,黄惠兰,李 刚,刘特臣

  摘 要：考虑实际流体性质、混合室阻力和喉部激波现象，采用等压混合模型，根据质量守恒、动量守恒和能量守恒建立中心进气两相喷射器一维模型。以R141b为工质，研究在不同入口参数和混合室截面积变化比（混合室喉部截面积与混合室入口截面积之比）下喷射器的升压特性以及入口参数和混合室截面积变化比对喷射器出口压力和喷射系数的影响。结果表明：在一定工况下，入口主蒸汽压力每增加0.5 MPa，喷射器出口压力提高约0.002 MPa；入口引射液体压力每增加0.1 MPa，出口压力约升高0.6 MPa。相对于入口主蒸汽参数的变化，入口引射液体参数变化对喷射器的升压特性影响更大。另外，随着混合室截面变化比的增大，升压效果下降。在入口引射液体参数为0.1 MPa/299 K和0.2 MPa/321 K的条件下，混合室截面积比分别增至0.6和0.4时，出口处蒸汽不能完全凝结。研究结果适用于大部分工质，为喷射器的设计和运行提供理论指导。

• 新型横纹螺旋盘管强化传热的数值模拟

  吴孟丽,王驰宇,李世伟,周 蕊

  摘 要：为了增强螺旋盘管的传热性能，对现有的普通螺旋盘管进行优化设计，提出一种管壁向内凸起形成环肋的异型管，称为横纹螺旋盘管。通过数值模拟方法对横纹螺旋盘管和普通盘管内部流动和传热过程进行模拟。应用场协同原理对其速度场和温度场的协同作用进行分析。实验数据与仿真结果的误差在5%以内，验证了数值模拟方法的正确性。在不同Re(雷诺数)条件下，计算两种盘管的Nu(努塞尔数)，进而与Gnielinski（格尼林斯基）修正公式计算结果进行比较，误差在10%以内。结果表明：环肋结构通过工质旋转流动破坏边界层厚度，改善了管内速度场与温度场的协同程度，从而实现了强化传热。在较高的Re范围内，横纹螺旋盘管的Nu为普通盘管的1.29~1.43倍。因此，横纹螺旋盘管具有更好的传热性能，为异型螺旋盘管的研究及工程应用提供一定的理论依据。

• 间接空冷机组空冷塔塔群内空气流动及传热性能研究

  郭永红,杜小泽,杨晓茹,杨立军

  摘 要：由于具有巨大的节水优势，间接空冷机组在我国富煤少水区域得到广泛应用。研究环境风对间接空冷系统的影响机理对指导电厂运行具有重要意义。以某电厂间接空冷机组为基础，构建水平布置散热器的空冷塔群物理和数学模型，通过数值模拟方法分析环境风对塔内空气流场及空冷散热器换热性能的影响。结果表明：环境风对空冷系统塔内空气流场影响较大，进而影响空冷散热器的散热性能。随着风速的增加，空冷塔的换热性能不断恶化。在临界风速时额定负荷下，下游空冷塔换热量比上游空冷塔减少2.5%。

• 微型燃气轮机可变论域自适应模糊PID控制

  张宏伟,陈 洁,孙 明,赵军超

  摘 要：微型燃气轮机是一个多变量、非线性的复杂系统，采用常规的控制方法仅能在其稳定运行时有较好的控制效果，而在负荷变化或特定工作点运行时，由于多种耦合限制的存在，往往难以取得令人满意的控制效果。基于微型燃气轮机发电系统的动态特性，在仿真平台上建立了含微型燃气轮机及发电系统完整的数学模型，并在模型中加入了可变论域自适应模糊PID(比例、积分、微分控制)控制环节，在燃气轮机孤网带载运行状态下，研究了燃气轮机的转速、燃料量、排气温度和机械转矩等动态特性。仿真结果表明:当负荷突变时，转速能够快速达到稳定且超调量不超过1.9%,燃料量在满载时能维持在1 p.u. 附近，满足燃气轮机运行要求，具有稳态性能好、动态响应快和鲁棒性强的优点。

• 背压微增条件下汽轮机出力的简化计算

  文 乐,薛志恒,王伟锋,杨新民

  摘 要：为获得准确的背压微增条件下汽轮机出力特性，分析背压变化时机组热力系统变工况实际运行特性，基于对热力系统的合理假设和相关经验公式的应用，在忽略汽轮机本体结构和内部级组热力参数变化的前提下，提出了汽轮机背压微增出力特性的简化计算方法。以某300 MW湿冷机组和660 MW间冷机组的变背压工况性能试验数据为例进行验证，结果表明，简化计算获得的微增出力特性曲线的斜率和试验结果偏差在3%以内，是一种行之有效的背压微增出力特性高精度计算方法。

• 分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

  罗 红,李 春,阳 君,郝文星

  摘 要：针对风力机存在尾流效应问题，通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法，建立分形叶片三维实体造型，进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析，得出叶片绕流流场数值模拟结果，重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明：分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内，分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片；当攻角大于原始叶片失速攻角时，这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低：在攻角大于原始叶片失速攻角时，分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍，升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。〖

• 基于Monte Carlo方法的叶片顶部间隙不确定性分析

  吴 昕,聂 俊,王维萌,徐桂芝

  摘 要：以燃气轮机压气机叶片Rotor 37的叶片为研究对象，分析了叶片顶部间隙的不确定性对叶片性能的影响。基于Monte Carlo方法中伪随机数的产生方法、正态分布变量产生方法以及均匀抽样方法，采用C++语言完成了Monte Carlo方法的编程并进行验证。采用该程序抽取了满足正态分布的顶部间隙样本，利用商用CFD（计算流体力学）软件NUMECA计算分析顶部间隙的不确定性对叶片绝热效率的影响。结果表明：在该样本条件下，计算得出的叶片绝热效率基本满足正态分布且叶片绝热效率随着前缘间隙的增大而降低。

• 基于CEEMDAN与CBBO-SVM的汽轮机转子故障诊断研究

  石志标,葛春雪,曹丽华,赵 军

  摘 要:利用CEEMDAN对转子振动信号进行分解，提取PE（排列熵）作为故障特征值，并构造特征向量；其次将混沌理论引入到BBO（生物地理学优化算法）中，得到CBBO，通过CBBO优化SVM得到诊断模型的最优参数。最后通过ZT-3转子试验台模拟汽轮机转子故障，利用得到的4种状态下的试验数据验证优化模型的有效性与先进性。结果表明：CBBO优化SVM模型可以准确、高效地对汽轮机转子进行故障诊断；与CPSO（混沌粒子群算法）优化SVM模型相比，该方法的故障诊断准确率和识别效率更高。

• 燃用煤泥的20 t/h循环流化床锅炉系统设计与运行

  姬 鹏,任与非,黄振祥,刘建国

  摘 要：为解决煤泥大多被废弃和焚烧带来的资源浪费和环境污染等问题，提出并设计一种以煤泥为燃料的循环流化床锅炉，主要介绍了煤泥作为燃料的预处理及给料输送方式，并对这种煤泥循环流化床锅炉的炉型设计、燃料设计、受热面设计进行阐述。以1台20 t/h新建煤泥循环流化床锅炉运行为例，介绍了锅炉点火过程及运行情况，从运行情况可知，下料层温度及风箱压力是需要观察控制的主要参数，运行时宜控制下料层温度在950 ℃以下，风箱压力控制在8 500 Pa左右。同时，该型流化床锅炉可以很好的适应纯煤泥燃料燃烧，锅炉运行稳定，当锅炉负荷大于70%时，锅炉燃烧效率可达85%，且烟气污染物排放满足国家环保排放要求，实现了煤泥的资源化利用。

• Ni-Zn-P镀层在黏液形成菌中的结垢和腐蚀特性

  徐志明,孔令巍,王 迪,刘坐东

  摘 要：利用化学镀层对换热面常用的碳钢材料进行表面改性，得到晶胞细致的NiZnP镀层。将得到的NiZnP试样与碳钢试样、NiP试样进行比较。在黏液形成菌菌悬液中进行微生物污垢和腐蚀实验，进而分析3种试样的抗微生物污垢特性和腐蚀特性。利用称重法记录3种试样的污垢沉积变化情况和光电比浊法记录黏液形成菌的生长情况。利用扫描电镜观察试样在污垢静置实验后的表面形貌，分析比较实验前后表面形貌的变化。利用电化学方法研究试样在黏液形成菌菌悬液中的腐蚀情况。实验结果表明，NiZnP镀层抗微生物污垢特性和耐腐蚀性稍好于NiP镀层，NiZnP镀层表面微生物污垢附着量相较于NiP镀层和碳钢分别减小24.1%和67.7%，NiZnP镀层表面腐蚀失重量相较于NiP镀层和碳钢分别减小5%和84.6%。由于NiZnP镀层的保护，碳钢表面抗微生物污垢特性和耐腐蚀性得到明显提高。

• 地震强度对小型风力机动力学响应影响研究

  邹锦华,杨 阳,李 春,刘中胜

  摘 要：为研究地震强度与小型风力机塔架动力学响应之间的关系，以AOC 50 kW风力机为研究对象，采用Wolf理论建立土-构耦合模型，基于FAST（多体动力学仿真软件）预留数据接口，开发地震载荷计算模块，建立了湍流风与地震实时耦合的动力学仿真模型。通过比例缩放ASCE（美国土木工程师协会）标准地震反应谱，得到了20种不同强度的PSA（设计加速度），从而计算不同地震与湍流风联合作用下的风力机结构动力学响应。结果表明：PSA为0.6 g（g为9.806 65 m/s2）时，塔基弯矩增大133.3%，但地震强度对塔顶弯矩影响较小。随着地震强度的增大，塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性，塔架不同高度处的最大剪切力与高度之间的关系维持线性。此外，在地震载荷与风载荷共同作用下，IEC（国际电工委员会）和AWEA/ASCE（美国风能协会/美国土木工程师协会）载荷预估模型结果偏大。本文提出了一种新的高精度预估模型，可为小型风力机地震载荷预估和预防地震风险提供一定的参考

• 多孔介质金属泡沫的渗透率研究

  陈 凯,潘 阳,钱维扬

  摘 要：基于真实金属泡沫内部结构的特征，建立了与真实多孔介质形态相近的十四面体模型及相对应的代表性单元体。采用分形理论得到真实多孔介质的孔隙率和渗透率，由十四面体的结构特征得到了相应的孔隙率和渗透率，根据流动一致性原理，确定十四面体模型的结构参数。通过十四面体的结构特征得到渗透率的表达式，并且将模型渗透率的计算结果和现有的实验数据进行对比，结果存在良好的一致性，说明渗透率表达式的有效性。

• 不同氧气浓度下CH4旋流燃烧器燃烧特性的数值模拟

  何泾渭,黎亚洲,徐洪涛,韩守鹏

  摘 要：对一种新型强制鼓风式燃烧器在不同O2浓度下的燃烧特性进行了研究，O2浓度分别为21%、23%、25%、27%、29%和31%。对燃烧器测试炉的炉膛内部温度分布和NOx生成情况进行了分析，并通过实验验证了模拟方法的准确性。研究结果表明：随着O2浓度的增加，测试炉膛内部火焰温度升高，炉膛温度分布均匀性变差，火焰最高温度位置前移，火焰整体长度增加，测试炉膛内部NOx浓度相应升高；当O2浓度低于27%时NOx的增长速率较为缓慢，当O2浓度高于27%时NOx的增长速率变大。因此，对于该燃烧器将O2浓度控制在27%以下可以有效地减少NOx的排放。

• 单桩柱式海上风力机与船舶碰撞的动力响应特性分析

  周红杰,李 春,丁勤卫,郝文星

  摘 要：研究单桩柱式海上风力机受船舶碰撞后的动力响应特性，建立基于国内某单桩柱式的3 MW风力机整机模型，运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法，通过有限元分析软件LS-DYNA模拟不同质量的船舶以不同速度撞击风力机的碰撞过程。结果表明：在保证碰撞船舶质量（速度）不变的情况下，碰撞持续的时间随着船舶速度（质量）的增加而增加；碰撞结束后，质量一定的船舶回弹动能与初始动能之比随着初始动能的增加而减少；在初始动能较小时，最大接触力与船舶质量和速度都具有显著的线性关系，初始动能相同时，碰撞的最大接触力也基本相同。

• 多孔介质太阳能吸热器性能分析

  黄月明,黄 威,杨 昆

  摘 要：采用4种多孔骨架中辐射传输模型，包括：忽略多孔骨架内部辐射模型（模型A）、Rosseland模型（模型B）、均匀内热源模型（模型C）与吸热器中辐射传输满足Beer定律的模型（模型D），推导得到了局部非热平衡条件下4种模型所对应的吸热器中多孔骨架温度、空气温度和吸热器热效率的解析解，分析了多孔骨架孔隙率、导热系数和孔隙直径对吸热器性能的影响。结果表明，对模型A和模型B，吸热器中最高温度位于吸热器进口处；对模型C，吸热器中最高温度位于吸热器出口处；而在模型D中，吸热器中吸热器内部或吸热器的出口处温度最高。吸热器效率取决于多孔骨架导热系数、孔隙率和孔隙直径等参数，当吸热器中内热源均匀分布时，吸热器效率是最高的。

• 漂浮式风力机半潜式平台摇荡运动混沌特征分析

  黄致谦,李 春,丁勤卫,袁全勇

  摘 要：针对漂浮式风力机半潜式平台在复杂海洋环境下的摇荡运动所表现出的复杂非线性特征，建立半潜式平台的NREL 5 MW漂浮式风力机模型，基于辐射/绕射理论并结合有限元方法得到了平台摇荡运动时间序列数据。基于混沌理论，应用功率谱分析、相空间重构及最大Lyapunov指数3种方法从定性和定量的角度，对摇荡运动时间序列数据进行了混沌特征分析。结果表明：平台摇荡运动时间序列数据具有明显的混沌特征，其最大Lyapunov指数不同（在0.05~0.09之间小幅变化）；平台摇荡运动时间序列数据具有短期可预测性，且其最大可预测时间不同，最大可预测时间均不超过17 s。

• 阀门泄漏故障特征量提取技术及其工程应用

  高倩霞

  摘 要：针对阀门泄漏特别是早期泄漏，其故障特征提取困难的问题，结合火力发电厂阀门前后压差明显及其特有泄漏噪声特性，发现一种具有自适应滤波功能专门针对工程应用的泄漏声发射信号除噪方法—频率鉴别、幅度鉴别和阀前阀后差值法相结合，并将该方法应用于某电厂1号机组除氧器溢流电动门泄漏检测试验。结果表明：基于该滤波去噪模块所开发的阀门泄漏故障检测系统滤波能力强，信号处理快捷、准确、可靠，可以有效应用于实际工程之中。

• 煤粉锅炉微富氧燃烧技术应用研究

  陈 彬,彭小兰,阮芮彬,刘志强

  摘 要：为研究煤粉锅炉微富氧燃烧改造的可行性，本研究对某企业热电事业部1台200 t/h高压煤粉锅炉进行了微富氧条件下的热力计算、数值模拟以及经济性分析。其中，数学模型的可靠性通过对比炉膛温度的测试数据与模拟数据（相对误差小于5%）进行了验证。研究结果表明：采用微富氧燃烧可以提高锅炉效率，在最大通氧率下锅炉效率提升了0.408 7%；煤的燃烧更加充分，炉膛内燃烧温度提高但不会烧坏燃烧器；采用工业流程中富余氧气进行微富氧燃烧改造可以降低锅炉运行成本，预计年节省开支104.53万元。总之，煤粉锅炉微富氧燃烧改造费用较低，易于实施，对于提升现有煤粉锅炉性能具有重要作用。