高比例可再生能源增加了电力系统的负荷波动性和不确定性,需要热电联产系统具备更强的灵活性,熔盐储热设备的应用能够提升热电联产系统的此性能。针对某耦合熔盐储热设备的“4炉2机”母管制热电联产系统,基于EBSILON仿真软件建立供电、供热的机理模型,分析熔盐储热设备对热电联产系统性能的影响,研究耦合系统的优化调度方式。研究结果表明:热电联产系统耦合熔盐储热设备可以增加系统调峰容量,扩大系统运行范围,拓宽机组运行区域;经过估算,一天内煤量可节省约4.16 t,碳排放量下降约8.25 t,污染物排放量下降约1.76 kg,熔盐储热设备提高了系统的经济性和环保性。
为建设大容量灵活性调节电源,并解决燃煤机组冬季调峰供暖两难兼顾的问题,在传统火电(CFPP)基础上,利用太阳能和熔盐储热提出了6种兼顾冬季供暖的新型“光火储”一体化发电系统。通过EBSLION软件对该系统进行建模,从储热负荷和用电负荷2个角度对各方案的热力性能、调峰性能等方面进行了比较分析。采用“抽汽+电加热”储热方案显著提升了火电机组的调峰能力;在各方案中,方案W1展现出最大的调峰深度为92.71%;而方案W6则表现出最低综合度电煤耗仅为178.15 g/(k W·h),日节约标准煤量可达182 t;此外,方案W2最高循环热效率达到55.2%;用“光煤”共储的方案充分提升了超临界二氧化碳(S-CO_2)系统备用容量,“抽汽储热”后驱动“小透平”辅助S-CO_2系统后供暖,实现了冬季调峰供暖的双重目标。此类系统不仅拓宽了燃煤机组调峰能力,保障了民生供暖,同时充分利用太阳能资源,降低度电煤耗,并提升S-CO_2系统备用容量及发电小时数,为大容量灵活性调节电源建设提供了理论和工程指导。
在再热再压缩循环系统中,高压二氧化碳流体在高温回热器出口温度较高,导致工质进入热源加热器中吸热量不足。对此,利用Aspen Plus软件建立了超临界二氧化碳(S-CO_2)循环光煤互补发电系统模型,在再热再压缩循环系统的基础上,提出了新型双路S-CO_2循环光煤互补发电系统,并采用?分析方法,对比了2个系统的性能。结果表明:新型双路S-CO_2循环光煤互补发电系统?效率可达40.578%,比相同参数下再热再压缩循环系统高3.494百分点,其中,S-CO_2循环子系统?效率提高了11.853百分点;循环子系统?效率提高是由于新型双路S-CO_2循环路径布局使三级透平充分利用高温回热器回热做功,减少了主压缩机与高温回热器的?损失;同时,新型双路S-CO_2循环光煤互补发电系统中太阳能提供的产出?占比从9.846%提高至10.059%,太阳能的贡献更大。
针对目前风电、光伏发电波动性大和典型区域消纳困难的问题,将出力可靠、爬坡迅速的地热发电纳入混合能源系统,提出了一种地热发电促进风光消纳的新型混合能源系统优化调度方法。综合考虑运行成本和运行风险,以机组物理特性为约束条件,建立新型混合能源系统多目标优化调度模型;提出滚动修补策略修复种群初始值,基于自适应均衡模型和非支配排序遗传算法求解模型。本算法相较于传统算法更适合解决高维度、高复杂度的约束问题,且收敛速度较快。通过西藏某区域冬季典型日2种场景计算实例对比分析发现,地热发电使风光消纳率分别上升了8.0%、7.9%,同时系统运行成本和风险指数分别下降了2.5%、7.1%。证实地热发电可促进风光消纳和提高电力系统可靠性,为混合能源系统的决策调度提供理论支撑。
传统储能系统投资成本高、回收期长且无法大规模在园区级的系统中应用。针对此问题,首先建立了含电动汽车、空调与热网管道等混合虚拟储能的园区综合能源系统,并分析了系统的运行机理,构建了系统及虚拟储能的相关模型;其次,基于峰谷差率与外网交互规模等修正指标,提出了考虑动态分时价格的混合虚拟储能激励机制;然后,在垃圾焚烧热电联产-烟气处理-P2G的碳循环机制下,构建了以收益最大化为目标的园区综合能源系统低碳运行优化模型;最后,以某一区域的综合能源系统为例展开算例分析。算例结果表明:考虑混合虚拟储能进行运行优化能降低外网交互成本;考虑动态分时价格的混合虚拟储能激励机制能提高虚拟储能主体响应系统调度的积极性;考虑垃圾焚烧热电联产-烟气处理-P2G的碳循环机制能提高净收益。
设计了一种基于烟气内循环和分级燃烧的轴切旋流低氮燃烧器,并通过工业试验和数值模拟研究了负荷、燃料分级以及烟气内循环对燃烧和NO_x排放特性的影响。结果表明:负荷和燃料分级比例对NO_x生成具有协同作用,在中、低负荷工况下,NO_x排放随二次燃料比例的上升而单调上升,在值班火焰区域有大量NO_x生成;在满负荷工况下,存在最佳一/二次燃料比例(88:12),使NO_x排放质量浓度最低,当二次燃料比例低于12%时,主火焰区域主导了NO_x的生成;一次燃料混合管长度的变化可使燃料与空气混合位置发生改变,从而影响NO_x的生成,当缩短一次燃料混合管相对长度至0.74时,主燃区向炉膛上游移动,主火焰被锚定在炉膛中部,使炉膛尾部温度分布更均匀,NO_x排放质量浓度在各负荷下下降了10%~20%(NO_x以NO_2计),且均低于30 mg/m~3(O_2体积分数3.5%)。
为了确保绝热-等温压缩空气储能系统连续稳定运行,提出了一种耦合缓冲罐的绝热-等温压缩空气储能方法,建立了耦合缓冲罐系统的动态热力学模型,并搭建实验平台对模型进行了验证,揭示了缓冲罐内空气温度及压力的动态演化机理,探究了缓冲罐设计参数对系统性能的影响规律。研究结果表明:耦合缓冲罐的绝热-等温压缩空气储能系统表现出较好的等温性能,循环过程中空气温度最大温差为30 K;耦合缓冲罐后,储能系统压缩机组的绝热效率提高8百分点;敏感性分析表明,储能功率的变化对储气室内空气热力学参数影响较小,缓冲罐体积随系统储能功率的增大而减小;储能规模的变化对储气室内空气热力学参数影响较小,储气室内空气温度变化呈周期性波动;为保持系统连续稳定运行,增大系统储能规模,缓冲罐体积会随之增加。研究为绝热-等温压缩空气储能系统连续、稳定和高效运行提供了新的方案。
有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)发电系统可以将低温(<150℃)热能转换为机械能进而发电。为提高小型ORC发电系统运行性能,搭建了涡旋膨胀机直连发电机形式的ORC实验台,在24k W变温热源与工质五氟丙烷(R245fa)条件下,分析了负载电阻在50~200Ω与热源温度在75~95℃变化对ORC系统性能的协同影响。结果表明:ORC系统输出轴功与热效率随负载电阻增加呈现出先增加再减少的趋势,即存在最优负载电阻使系统输出轴功或热效率最大化,且最优负载电阻值会随热源温度变化;当热源温度为95℃时,系统输出轴功和热效率在负载电阻100Ω时达到最大,分别达722 W,2.30%;然而,当热源温度在75℃时,系统输出轴功则在负载电阻200Ω达到最大,为532 W,系统热效率在负载电阻150Ω达到最大,为1.7%;负载电阻与热源温度变化均会引起涡旋膨胀机转速变化,并进而影响系统流量,导致负载电阻与热源温度同时变化,产生协同作用。该研究结果强调了ORC发电系统热源温度与电力负载协调匹配的重要性,为ORC发电系统设计优化提供了指导与实验数据。
由于光热电站日常启停的特点,光热电站的启动能耗较大。为此,建立了50MW槽式光热电站的准稳态模型,提出了通过夜间低负荷运行替代光热电站启停过程的日运行优化方式,通过理论推导获得了临界停机时间指标,即优化运行方式和常规运行方式发电量相同时的机组停机时间,并以此作为判断使用优化运行方式能否增加发电量的条件。结果表明:在4个典型气象日下,随着光热电站在低负荷时的发电功率从额定功率的25%降至10%,机组使用优化运行方式的全日额外发电量增加了16.3~26.3 MW·h;随着储热系统的初始储热时长从0增至3.0h,光热电站的全日额外发电量可以增加7.3~8.1MW·h;光热电站在低负荷发电功率为额定功率的15%时,其临界停机时间为14.0 h,在机组的实际停机时间低于临界停机时间时,使用优化运行方式才能降低能耗;对光热电站进行全年生产模拟,使用优化运行方式可使其全年发电量增加0.9%。
涡旋压缩机作为空气源热泵的关键部件,其热力学性能对热泵系统有着重要的影响。建立了涡旋压缩机三维瞬态仿真模型,通过实验验证了模型的准确性;基于计算流体力学方法,探究了切向泄漏流影响下涡旋压缩机内部流场非均匀分布流动特性;探讨不同工况参数对涡旋压缩机热力学性能的影响;采用敏感性分析法,讨论涡旋压缩机热力学性能对于不同工况参数的敏感性。结果表明:随着压比的增大,等熵效率先增大后减小,制热量降低,时均排气温度最大增幅为11.26K;吸气温度增至311.65K时,等熵效率增长了16.72百分点;转速的增大会弱化回流现象并降低排气温度,当转速升至4 500 r/min时,容积效率和等熵效率分别增至为86.61%和46.86%。
液态金属堆的螺旋管蒸汽发生器一次侧为液态金属工质、二次侧为水工质,其热工水力特性相比传统压水堆的自然循环饱和式蒸汽发生器有较大区别。提出将螺旋管蒸汽发生器等效为流动网络系统的方法,将螺旋管束分为流动回路、压力节点等元件;基于质量守恒、动量守恒、能量守恒等方程,建立了计算蒸汽发生器螺旋管回路的压降、流量和温度等热工水力参数的数学模型和管束金属壁温计算的数学模型;通过对流动回路未知流量、压力节点组成的非线性方程组进行直接求解,最终得到了螺旋管束内流量分配、压降、工质温度变化、出口汽温分布、壁温分布、干度及换热系数等变化情况,获得了蒸汽发生器螺旋管束流动传热特性,开发了除RELAP5外的一维系统分析计算程序,并完善了液态金属堆螺旋管束蒸汽发生器热工水力计算分析手段。
针对W火焰锅炉在低负荷运行时再热汽温不达标问题,对某台W火焰锅炉低负荷燃烧调整进行了数值模拟研究。从空气预热器(空预器)进口抽取总烟气量的16%作为再循环烟气引入炉膛,增大烟气量,提高对流受热面的换热量,数值模拟分析了再循环烟气喷入位置和有无贴壁风对炉内速度场和温度场的影响规律。研究结果表明:再循环烟气从SOFA风喷口喷入炉膛,对下炉膛主燃区的温度影响较小,有利于低负荷时煤粉燃烧的稳定性;将40%再循环烟气作为贴壁风从下炉膛的侧墙送入炉膛能够降低侧墙烟气温度,同时把侧墙烟气变成氧化性气氛,降低侧墙结焦和高温腐蚀的可能性。
可再生能源发电的间歇性和波动性对电网的消纳能力提出了巨大挑战,基于热泵和有机朗肯循环的余热耦合卡诺电池被认为是潜在的解决方案之一,但其电-电转换效率受热源温度影响较大。为解决这一问题,提出了一种在充、放电模块分别应用了补气增焓和抽气回热技术的新型高效卡诺电池系统。基于所建立的热力学模型,研究了该系统在不同运行参数下的循环性能,并分析了其在广州、南京、哈尔滨3座典型城市中的能耗表现和经济性。结果表明:卡诺电池系统的电-电转换效率随热源温度的升高、环境温度的降低而增大,且新系统在充放电过程均存在最优中间压比使效率达到最佳;与传统卡诺电池系统相比,新系统在广州、南京、哈尔滨3座城市的日平均电-电转换效率分别提升了21.8%、22.5%和23.6%,年净收入分别提升了45.6%、52.8%和50.2%。该研究为卡诺电池系统的提效提供了理论指导。
通过数值模拟研究主辅机共塔间接空冷塔系统在夏季常规工况下不同环境风向、风速对机组流动换热特性的影响。结果表明:环境风速从4 m/s增至16 m/s,迎风扇段压力增加,两侧扇段则压力降低,背风扇段内侧压力升高形成高温区,并在风速大于8m/s时高温区会减少,外侧压力降低,迎风背风段的压力变化大于两侧扇段,主机扇段总换热量降低,辅机扇段缓慢增加且受环境风影响较小;在不同环境风向下,当风向角为0°和180°时被遮挡的塔换热量会大幅升高,风向角为45°和135°时,两塔之间的部分扇段被阻挡,被遮挡的塔换热量会相对小幅降低,主机扇段的换热量最大值出现在环境风被完全遮挡的方位,辅机扇段换热量最大值出现在环境风向角90°处,即正对辅机扇段的方位。
火电机组超期服役成为趋势,但汽轮机转子钢疲劳裂纹却严重影响机组运行安全。转子钢疲劳裂纹扩展试验数据缺失,随机模型建模与求解计算量大使得疲劳裂纹剩余寿命(RUL)预测受限。在对已有疲劳裂纹扩展试验及随机模型分析基础上,提出了基于整体趋势扩散(MTD)技术的高斯隶属度信息扩散(GMIE)样本域的方法生成虚拟样本,运用期望分位数回归(ER)与极限学习机(ELM)神经网络模型相结合预测疲劳裂纹扩展的RUL。对特定循环周次下疲劳裂纹扩展的RUL进行预测,通过与已有数值分析方法的RUL概率密度函数(PDF))曲线和疲劳裂纹扩展曲线对比,得出平均绝对百分比误差(δ_(MAPE))为2.78%,验证了所提方法的有效性,为汽轮机转子系统安全运行提供了有力支持。
为考察掺混比例对污泥水热炭和生活垃圾混燃特性的影响规律,揭示2种物料混燃的交互作用,利用热重分析仪测试污泥水热炭、生活垃圾以及混合样品的燃烧特性,并采用Coats-Redfern法对样品的燃烧动力学特性进行分析。基于混合样品实际燃烧特性与理论燃烧特性的差异,揭示2种物料混燃过程中的交互作用。研究结果表明:随着污泥水热炭掺混比例的增加,混合样品的着火温度和燃尽温度降低,但样品的燃烧速率也随之下降,导致综合燃烧特性指数减小;污泥水热炭的掺混比例从0增加到80%,样品的综合燃烧特性指数减小71.8%;污泥水热炭掺混比例的增加使混合样品挥发分燃烧阶段的活化能减小,而焦炭燃烧阶段的活化能增加;污泥水热炭与生活垃圾混燃存在显著的交互作用,对挥发分的燃烧起到抑制作用;在污泥水热炭掺混比例20%~80%,交互作用使混合物综合燃烧特征指数平均降低12.9%。该结论可为生活垃圾焚烧厂掺烧污泥水热炭的工况调控以及ACC自控系统的设计,提供数据参考和理论依据。
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