热能动力工程杂志

热能动力工程杂志2023年第3期

• 叶片整圈振动特性分析及调频优化

  靳泽龙，于剑锋，赵俊波，孙 丹

  为了避免叶片在运行过程中发生共振现象，针对某汽轮机低压次末级动叶片，采用全三维有限元分析方法对整圈叶片-叶轮模型进行振动特性分析。结果表明：初始围带厚度下1阶8节径振型在工作转速范围内出现“三重点”共振，不满足频率避开率要求，容易发生共振，需要进行调频改进；通过改变叶片围带厚度和围带接触面长度进行调频优化，并通过试验验证了调频后“三重点”转速与工作转速避开率满足要求，调频方案有效。

• 涡轮叶片综合冷却效率实验的缩尺效应

  孙国庆，吴 昌，戴 韧

  基于简化叶片的传热实验，研究缩尺模化对综合冷却效率的影响，得到缩尺效应随主流雷诺数和流量比的变化情况，以及毕渥数和热障涂层厚度对综合冷效缩尺效应的影响规律。采用一维传热模型，量化分析了缩尺模化对综合冷却效率的影响，并在实验中得到验证。结果表明：缩尺比例为1.5时，缩尺叶片综合冷却效率相对基准叶片增加10%，且增幅随主流雷诺数和流量比增加；基准叶片导热系数由17 W/(m〖DK〗•K) 增加至50 W/(m〖DK〗•K)，缩尺叶片平均综合冷却效率差异由13.71%降至0.34%；热胀涂层厚度等比例缩尺可减小缩尺效应的影响，使缩尺叶片综合冷却效率差异由13.07%降至2.98%。

• 熵函数法在航空发动机涡轮效率计算中的应用

  陈 航

  为提高涡轮效率计算精度，将熵函数法引入到涡轮效率计算过程中，借助变比热法等熵绝热过程基本方程，准确求解涡轮进出口截面理想等熵焓差，进而得到涡轮效率。利用该方法，对某型核心机的变比热涡轮效率进行计算，得到不同因素对涡轮效率的影响规律，并完成敏感性分析。分析结果表明：熵函数法能够将涡轮效率计算误差减小到1%～2%之间；压气机引气量的增加会导致涡轮效率计算值偏高，而压气机出口漏气量越小、高压轴效率越高，涡轮效率计算值越低；压气机出口漏气量对涡轮效率的影响最大，而高压轴效率敏感度最低。

• 汽轮机末级湿蒸汽凝结流动模型差异性研究

  吴 涛，杨爱玲，陈二云，彭姝璇

  以汽轮机末级叶片为研究对象，采用计算流体力学方法对单流道几何模型进行数值计算，研究了湿蒸汽平衡与非平衡凝结流动模型之间的特性差异，并基于非平衡凝结探讨表面张力修正系数（NBTF）在定常分析中对湿蒸汽参数的影响。结果表明：非平衡凝结模型主要影响液滴数目及颗粒直径，速度场分布与平衡凝结模型有较大差异；基于非平衡凝结模型对表面张力进行修正的模型会降低级内热力学损失，总-静效率比未修正表面张力的原型增加0.16%，相较平衡凝结模型降低3.26%；在主频下，修正模型动叶所受轴向激励力相较于平衡凝结模型减少52.76%，切向激励力减少57.12%，但轴向力与切向力载荷均方根值分别增加1.59%和0.21%。

• 尾气颗粒对可变混流涡轮增压器喷嘴环冲蚀磨损特性的数值模拟

  於克良，温华兵，刘红丹，刘 扬

  可变涡轮增压器在运行过程中其涡轮喷嘴环会受到尾气颗粒的冲蚀磨损，造成喷嘴环叶片失效和涡轮运行效果下降。借助CFD软件对可变混流涡轮内部的气固两相流进行数值模拟计算，分析喷嘴环开度的变化和颗粒粒径对喷嘴环磨损规律的影响。结果表明：喷嘴环处于不同开度下时，磨损率和磨损区域均有所不同，磨损区域主要集中在喷嘴环压力面的中后段区域，随着开度的增大，磨损率和磨损区域均减小，压力面的磨损程度明显大于吸力面；尾气中的小颗粒因惯性较小对气流的跟随性较好，主要撞击喷嘴环前缘，且开度对喷嘴环前缘的磨损影响较小；尾气中大颗粒的运动轨迹趋于直线，主要撞击喷嘴环压力面的中后段区域；由于涡轮进气涡壳结构的周向不对称性，使得涡轮内部流场沿周向分布不均匀，导致不同周向位置的喷嘴环磨损率和磨损区域有所不同，且随着开度的增大，各喷嘴环之间的磨损差异也增大。

• 盘腔封严流对主流影响的瞬态POD分析

  刘春辉，陈二云，杨爱玲

  盘腔封严冷气泄漏流与主流的相互干涉对燃气轮机效率有重要影响。基于带有叶片的转静系盘腔模型的瞬态数值解，采用本征正交分解（POD）方法对主流场进行分解，分析瞬态流场的湍流能量、模态系数与湍流结构，研究封严泄漏流与主流场的干涉以及轴向封严间隙与径向封严间隙对泄漏流的影响。结果表明：在不同相对叶高处湍流能量占比存在差异，在相对叶高50%处，径向封严比轴向封严湍流能量高19.74%，相对差值达到最大；在相对叶高30%处，径向封严比轴向封严湍流能量高15.93%，绝对差值达到最大；主要湍流结构和次要湍流结构在模态系数频域特性、模态湍流结构上表现出差异，径向封严对盘腔流体与主流流体交互作用的阻碍强化了封严间隙对主流的干扰。

• 波瓣形混合器加力燃烧室冷态流场特性分析

  王定奇，屈霁云

  以某波瓣形混合器加力燃烧室三维模型为研究对象，采用CFD方法对模型进行数值分析，建模时重点对波瓣形混合器和环形火焰稳定器进行网格加密。以飞行试验工况点获取的低压涡轮后总温、总压结合Gasturb软件计算出加力燃烧室出口的总温、总压作为整体流场CFD计算的边界条件进行计算。计算结果表明：经过波瓣形混合器后，内、外涵气流能够在较短轴向距离充分混合，总压恢复系数最大为0.984；在接近出口处热混合效率达到0516；气流经过环形火焰稳定器后，形成明显的低压回流区，且在出口处截面静压分布均匀，因此该加力燃烧室模型具有非加力状态流阻小的特点。通过对该型加力燃烧室流场特性分析，为加力燃烧室加力接通前内部参数获取提供技术支撑。

• 掺混燃油在离心喷嘴内的流动与雾化特性研究

  于浩洋，刘爱虢，成胜军，李恒文

  燃料性质的改变会导致雾化特性的变化，针对乙醇掺混航空煤油在离心式压力雾化喷嘴内的流动与雾化特性开展了研究。通过耦合流体体积法（VOF）和离散相模型（DPM），研究了不同乙醇掺混体积分数下掺混燃油在离心式喷嘴中的内部流动和外部雾化过程。研究结果表明：在压差不变时，喷嘴内空气芯直径随着掺混燃油内乙醇体积分数的增加而增大；而液膜厚度则与空气芯直径成反比，随着乙醇体积分数的增加而减小。喷嘴出口的速度随着乙醇体积分数的增加而增大；在油膜表面的波动及气动力的共同作用下，油膜失稳形成液滴，获得了不同比例下掺混燃油在喷雾外流场内的喷雾粒径分布特征，随着掺混乙醇体积分数的增加，液滴的平均直径逐渐减小。

• 一种流股分流动态调节的换热网络优化策略

  汪豪，崔国民，徐玥

  现有的节点非结构模型（Nodewise nonstructural superstructure，NWNSS）在优化换热网络时需要预设固定的节点分流数量，难以满足结构进化过程对于求解空间和计算效率的需求，易造成换热单元生成空间受限，影响算法全局优化性能。本文提出一种流股分流动态调节策略，该策略基于实时结构的整型变量分布信息，动态增加结构进化所需的必要分流并减少无效结构对优化的阻碍，辅助算法以更高的效率跳出局部极值，提升优化质量。将策略应用于16SP、20SP算例，分别得到年综合费用为6 653 940和1 711 886 $/a的最优换热网络结构，较文献最优结果降低了3 140和3 202 $/a。

• 综合能源系统运行优化设计与运行策略研究

  廖柏睿，吴晓南，苏要港，李 爽

  综合能源系统能整合协调各异质能源，是提高能源利用率和降低运行费用的有效途径。提出了两种运行策略及一种基于穷举法的优化策略方法，建立了包括小型燃气轮机系统、地源热泵、电制冷机、吸收式制冷机、换热器的综合能源系统能量转换模型。在案例研究中，提出了以典型日费用最小为目标的综合能源系统优化方案，对以电定热、以热定电两种运行策略下的场景进行了优化分析，确定设备的最佳容量和运行参数，给出了运行策略对比分析结果。结果表明：以电定热策略的整体经济性优于以热定电策略约10%；与传统供能系统在经济性上的适用性进行对比发现，综合能源系统成本节省比例在5%~30%之间。

• 基于KNN-LSTM的区域热负荷短期预测及在机组热电可行域的应用研究

  刘立巍，周建新，刘培栋，司风琪

  为了准确预测热电联产机组的热负荷进而确定机组的热电可行域，使用互信息法筛选预测模型的输入参数。搭建了基于粒子群(PSO)参数寻优的最邻近节点（KNN）模型和长短期记忆神经网络（LSTM）模型对电厂的单日供暖热负荷进行预测，并提出将两种预测方法相结合的KNNLSTM模型，通过对比发现该混合预测模型在处理短期热负荷异常波动问题时提高了预测模型的鲁棒性。在搭建热电联产机组热力仿真模型的基础上，根据热负荷短期预测结果和机组深度调峰限制条件确定机组的最低运行电负荷，提高了机组预测最低运行电负荷的能力。

• 基于改进粒子群算法的火储联合调频优化储能控制策略研究

  陶 鑫，刘志成，祝建飞，印 伟

  为了解决火储联合调频协同控制效果与储能系统成本回收的问题，提出一种改进粒子群算法的储能优化控制策略，通过引入自适应权重调整全局搜索方向，并解决储能电荷状态与出力状态的耦合性问题，建立火储联合调频综合性能指标进行储能控制策略研究。案例仿真结果表明：本文所提算法比传统算法在收敛效果方面具有明显优越性，避免了局部最优解问题；当储能系统电荷状态设置在57.5%和42.5%时，提高了机组调频响应效果，延长了储能设备的使用寿命。

• 基于Smith预估控制和遗传算法优化的燃油蒸汽锅炉燃烧控制

  毛宇涵，李来春，张 亮，白 钰

  为解决蒸汽锅炉燃烧控制效果不佳的问题，提出一种基于Smith预估控制和遗传算法优化的燃油蒸汽锅炉燃烧控制方法，使用模糊控制输出变偏置双交叉限幅燃烧控制方法中的偏置函数，对控制器采用遗传算法进行参数优化，并使用Smith预估控制法搭建控制回路。在仿真中以常用蒸汽压力3.8和5.6 MPa两个工况升降负荷为例，对传统的变偏置双交叉限幅燃烧控制方法和改进的燃烧控制方法进行了对比，并进行鲁棒性分析。仿真结果表明：控制系统的快速性、稳定性均有所改善，且改进后的系统具有良好的鲁棒性。

• 130 t/h循环流化床飞灰残炭炉设计与运行

  黄乐平，宋国良，杨 召，牛玉奇

  煤气化工艺产生的气化残炭挥发分极低，固定碳含量高，水分几乎为零，常规燃烧技术难以利用，利用循环流化床实现气化残炭高效洁净燃烧是一种有效途径。针对中国科学院工程热物理研究的残炭燃烧技术建立的130 t/h气化残炭循环流化床锅炉开展性能测试，通过考察沿炉膛高度方向的温度分布和变化规律、旋风分离器差压、残炭炉的燃烧效率以及NOx原始排放数据分析了残炭炉的运行特性。结果表明：130 t/h飞灰残炭炉在床温超过850 ℃时可实现气化残炭稳定燃烧，整个底部床面进行预热燃料，在二次风的分级配风下直接燃烧，床温分布均匀，燃烧效率可达97%以上；一次风当量比为0.3的条件下，残炭炉可稳定运行，负荷80%以上尾部烟道飞灰含碳量低于6%；残炭炉运行中炉内NO的转化率较低，NOx原始排放小于100 mg/m3。

• 开孔式SK型直接接触换热器混合与换热特性研究

  赵 爽，张 霞，耿 健，黄峻伟

  为了进一步强化流体在SK型静态混合器中换热效率，对SK型静态混合器进行3，6和9孔的开孔设计，并将开孔式SK型静态混合器应用于直接接触蒸发器中，以高沸点导热油作为直接接触换热器中的连续相，以低沸点的有机工质作为直接接触换热器的分散相，运用ANSYS软件进行数值模拟，研究30，50和70 ℃ 3种低温差情况下，不同开孔数量对流动和换热特性的影响。结果表明：3孔式SK型静态混合器的混合特性最稳定，在3种温差下混合效果分别是传统式SK型静态混合器的1.5，3.3和1.6倍；湍流强度分别为传统式SK型静态混合器的33，38和1.3倍。在SK型静态混合器上合理的开孔可以提高气态工质在直接接触换热器内的停留时间，从而使传热得到强化，达到了节约能源的目的。

• 半圆柱空间异形孔板换热器热工水力性能的数值模拟

  费凤繁，陈亚平，吴嘉峰，苏金栋

  为研究半圆柱空间异形孔板换热器的流动与传热特性，建立换热器简化物理模型，运用ANSYS软件建立CFD模型进行数值模拟，分析了开孔形状与板间距的影响，并对比了半圆柱空间异形孔板换热器与弓形板换热器的联系与区别。研究结果表明：半圆柱异形孔板换热器壳侧流体呈纵向流动，壳侧流体通过孔隙形成射流冲刷管壁，具有强化传热作用；板间距一定，开孔面积相近时，开孔形状对壳侧压降的影响较小，对换热性能的影响稍大；板间距越小壳侧换热系数越高但其综合性能指标越小；圆头三角孔板换热器在板间距30 mm时的壳侧换热系数比40及50 mm方案分别高5.62%，10.06%，综合性能指标低1.44%，2.07%；异形孔板换热器的综合性能指标比弓形折流板换热器平均约高27.89%。

• 直条缝翅片管换热器传热与流动阻力性能研究

  刘 闯，欧阳新萍

  为了解翅片间距、翅片厚度、翅片材料和基管材料对直条缝翅片管换热器的传热和流阻性能的影响，以及获得通用的换热与流动阻力计算关联式，对一种直条缝翅片管换热器进行了实验研究。通过风洞试验台共进行了7个试件的试验，试验过程中管内水的进口温度和速度保持60 ℃和1.5 m/s不变，进风温度保持21 ℃，入口风速为1.5~4.5 m/s。结果表明：在管外空气侧雷诺数Rea为2647~8143范围内，随着翅片间距的增大，对流换热系数先增大后减小，存在一个峰值；翅片间距对阻力的影响与管外空气侧雷诺数有关，当Rea≤5 000时翅片间距越小摩擦系数越大，当Rea>5 000时，翅片间距越小，摩擦系数越小；翅片厚度的增加会增加对流换热系数和摩擦系数；紫铜(T2)翅片的对流换热系数高于8011铝合金(AL8011)翅片，但摩擦系数较低；T2基管的对流换热系数最高，铁白铜(B10)基管次之，316L不锈钢(316L)基管最低；不同的基管材料对摩擦系数没有影响。

• 管板式PV/T组件结构参数优化

  彭 浩，寿春晖，代彦军，纪培栋

  以无玻璃盖板管板式PV/T组件为研究对象，采用Trnsys软件仿真与实验测试相结合的方法，从发电角度确定吸热板厚度、换热管数量及换热管管径；从成本角度提出适用于不同效率组件、不同光资源区域工况下的最佳设计参数。结果表明：换热管管间距、吸热板厚度和换热管内径对管板式PV/T组件发电性能的影响程度依次减小；以实现PV/T发电性能不低于传统PV组件为目标，换热器结构参数建议为吸热板厚度0.4 mm、换热管管径6 mm及换热管管间距不大于99.2 mm；以全生命周期内总投入最低为目标，Ⅱ类光资源地区最佳管间距为70.86 mm，Ⅲ类和Ⅳ类光资源地区的最佳管间距为82.67 mm；优化后PV/T组件的太阳能利用率达到42.75%~48.69%，发电效率比传统PV高1.17%~2.08%。

• 冷水相变能热泵系统的性能系数与经济性分析

  杨玉娟，吴荣华，岳远博

  冷水相变能热泵系统是一种清洁能源供热供冷系统，性能系数和经济性是冷水相变能热泵系统的主要问题。根据冷水相变能热泵系统的运行原理，采用控制变量法实验分析了冰层厚度、冷水流量以及蒸发冷凝温度对系统能效比的影响，提出了一种冷水相变能热泵系统的运行调控方案并计算其经济性。研究表明：结冰厚度为8 mm时，系统有效能效比最大；系统制热量为744 kW时，相变机结冰期冷水流量应控制在70 t/h，排冰期冷水流量应控制在80 t/h；根据不同时间段的冷热负荷进行系统运行调控，与传统运行方式相比，冬季运行成本降低了472％，夏季运行成本降低了29.96％，系统能效比提高了5.6％；系统投资回报率为15.27％，投资回收期为7.67年，具有良好的经济性与节能性。

• 共享设备的恒压喷水压缩空气储能系统性能

  吕浩男，陈亚平，吴嘉峰

  提出一种新型恒压喷水压缩空气储能系统，利用废弃煤矿等地下洞穴，在水下布置尼龙布管储存压缩空气，形成以地下洞穴为下库，地面水池为上库的水力辅助恒压压缩空气储气体系；膨胀与压缩过程采用单级多缸随转式膨胀压缩两用机实现，导热油蓄能和放能过程采用共享设备原路返回方案。通过建立系统的热力学模型，分析了在空气入口处喷水控制压缩空气出口温度，以及由地下洞穴深度确定的压缩段出口空气压力，环境温度等因素对系统性能的影响。分析表明：在压缩机出口压力及温度为10 MPa和320 ℃、环境温度25 ℃、换热端差10 ℃和膨胀压缩两用机等熵效率0.85的工况条件下，储能系统转换效率达到66.6%。

• 基于深度学习的汽水分离再热数字孪生系统故障诊断研究

  王克璇，邢天阳，朱小良

  针对汽水分离再热系统等复杂工业系统，为解决传统故障诊断模型准确率受限于故障样本稀缺和故障数据时间维度与变量维度耦合的问题，提出一种基于深度学习的故障诊断方法。首先，构建汽水分离再热数字孪生系统，用以建立故障诊断数据仓库，解决数据样本层面稀缺性的问题。其次，进一步构建基于深度残差网络的故障诊断模型，用以诊断汽水分离再热系统典型故障，包括流量不均、破口、传热恶化和阀门特性变化，从而解决数据变量层面时变、多维度的问题。结果表明：数字孪生系统能够实现汽水分离再热系统稳态、动态和故障工况的精确仿真，满足后续深度学习模型的数据需求；基于深度残差网络的故障诊断模型能够实现时变、多维工业数据的故障诊断；采用T分布随机邻域嵌入(TSNE)方法对模型可视化，可对不同故障类型的数据进行明显区分。

• 基于AHC-GP混合模型的火电机组报警数据过滤方法

  吴 铮，张 悦，董 泽，封官斌

  针对火电机组设备工况复杂、报警系统效率低下及“报警泛滥”现象频发等问题，提出了基于AHCGP混合模型的火电机组报警数据过滤方法，消除冗余性报警。首先，采用近邻传播算法(AP)结合类间类内划分指标(BWP)确定最佳聚类数目，再使用凝聚式层次聚类算法(AHC)进行聚类，区分各类复杂工况。其次，利用高斯过程模型(GP)结合后验报警概率估计值实现机组冗余性报警数据的准确过滤。最后，采用某电厂1 000 MW机组在3种典型故障下的实际主蒸汽温度、主蒸汽压力等报警数据作为实验数据集，验证所提方法有效性。结果表明：AHCGP混合模型相较于单一高斯过程模型，冗余性报警数据的过滤准确率提高了10.7%，误判率降低了50.1%，证明了模型的有效性；与支持向量机和梯度提升决策树等成熟算法相比，漏检率、误判率均较低，具有良好的报警数据过滤性能，可准确定位冗余性报警数据，减少“报警泛滥”问题的发生。