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中国电机工程学报
2009年 29卷 26期
刊出日期 2009-09-15
热能工程
工程热物理
动力机械与工程
热工自动控制
可再生能源发电
 
热能工程
1 韩中合 钱江波 田松峰
在线测量汽轮机排汽湿度的微波谐振腔结构优化
基于谐振腔微扰测量汽轮机排汽湿度，谐振腔起传感器的作用，谐振腔结构对测量的准确性和精确性具有重要影响。根据汽轮机内湿蒸汽特点，分析确定谐振腔类型及其工作模式和基本工作频率。利用ANSOFT HFSS9.0软件，对用于汽轮机排汽湿度测量的微波谐振腔的腔体结构、腔体两端分隔器及谐振腔与波导的耦合结构进行了仿真设计及优化。椭圆孔具有最好的耦合效果，端部采用三圆环网格分隔器结构最优。计算及测试表明，谐振腔具有良好电磁特性，其空腔品质因数可达到12′104。模拟分析了谐振腔及其连接件对湿蒸汽两相流场的影响，优化确定谐振腔迎风端结构。谐振腔入口壁面制成楔形有利于提高测量的精度。
2009 Vol. 29 (26): 1-6 [摘要] ( 617 ) [HTML 1KB] [PDF 613KB] ( 342 )
7 胡南 王巍 姚宣 杨海瑞 吕俊复
38 m/54 m高循环流化床床内流体动力特性研究

利用白马电厂300 MW循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉现有的结构和设备，搭建提升管内径240 mm，高度分别为38和54 m的循环流化床冷态实验台，研究提升管高度、系统物料量及流化风速对物料浓度分布的影响。实验结果表明，当风速大于临界风速时，上部气固流动达到饱和携带状态，炉膛高度及床料量不会改变上部气固浓度和循环流率的大小。但高度增加后达到饱和空隙率的临界床料量增加。对于正在研发中的炉膛高度为54 m的600 MW超临界循环流化床锅炉，该结果表明只需要适当增加系统床料量，就可以得到足够高的循环流率，满足炉膛上部和循环回路中受热面布置得要求。
2009 Vol. 29 (26): 7-12 [摘要] ( 489 ) [HTML 1KB] [PDF 284KB] ( 343 )
13 周旭 杨冬 肖峰 邵国桢
超临界循环流化床锅炉中等质量流速水冷壁流量分配及壁温计算

超临界循环流化床锅炉将循环流化床(circulating fluidized bed，CFB) 燃烧技术与超临界蒸汽压力循环的优点相结合。水冷壁流量分配是超临界循环流化床锅炉运行的一个主要技术关键。该文建立了计算复杂流动网络系统回路流量及节点压力的数学模型，并对非线性方程组采用迭代方法进行求解。对一台600 MW中低质量流速超临界循环流化床锅炉水冷壁流量分配及壁温分布进行计算，分析中低质量流速在超临界循环流化床中应用的优点。结果表明在锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating, BMCR)、50%BMCR及30%BMCR负荷下，水冷壁的流量偏差和热偏差较小，流量偏差最大为6.6%。各负荷下管壁温度均处于管子材料的允许温度之内。该文可为超临界CFB 锅炉的设计提供参考。
2009 Vol. 29 (26): 13-18 [摘要] ( 615 ) [HTML 1KB] [PDF 275KB] ( 389 )
19 李建锋 吕俊复
热力塔系统用于空冷发电余热利用研究

通过对热力塔系统进行全面的热力学分析，得出热力塔系统热力学数学描述。计算表明，对于一定的塔底涡轮进口温度，热力塔效率随着塔高度的增加而增加，但达到一定高度后增幅减缓。在有限高度范围内，当塔底涡轮进口温度达到40 ℃以上时，涡轮进口温度的增加对提高塔效率贡献不大。分析同时证明，热力塔系统的涡轮效率以及塔体的保温水平对系统效率的影响较大。当热力塔系统用于600 MW空冷火电机组的余热再发电时，能够提高约3%的机组效率，相当于增加约30 MW发电的容量。对热力塔的经济性估算表明，它在经济上是可行的，但对于具体的实施项目，详细的经济性核算是必要的。
2009 Vol. 29 (26): 19-24 [摘要] ( 489 ) [HTML 1KB] [PDF 261KB] ( 317 )
25 周云 陈晓平 梁财 孟庆敏 鹿鹏 蒲文灏 许盼
煤粉平均粒径对高压密相气力输送的影响
在输送压力可达4 MPa的气力输送实验台上，进行氮气–煤粉密相输送实验，研究不同平均粒径煤粉质量流量与注入速度的关系，分析不同平均粒径煤粉在水平管、垂直管、水平弯管、垂直弯管内输送时的压降变化规律。结果表明：随着进入发料罐内风量的增加，平均粒径小的煤粉较之平均粒径大的煤粉质量流量先达到峰值，其最佳注入速度低于平均粒径大的煤粉；在相同质量流量下，平均粒径大的煤粉，其压降要高于平均粒径小的煤粉，但当管道内煤粉浓度较高时，平均粒径小的煤粉压降有接近于平均粒径大的煤粉的趋势；相同质量流量下，垂直管内的压降高于水平管，水平弯管的压降也高于水平管。
2009 Vol. 29 (26): 25-29 [摘要] ( 557 ) [HTML 1KB] [PDF 225KB] ( 341 )
30 周昊 李国能 陈君榜 岑可法
CO2/O2气氛下黎开型燃烧器热声不稳定特性

为研究CO2/O2气氛下黎开(Rijke)型燃烧器的热声不稳定机理，在Rijke型燃烧器热声不稳定特性试验台架上测量了不同燃烧功率Pc(氧化剂流率qox=qo2+qco2为83.3、116.7和150mL/s),不同氧气浓度XO2(25%和30%)和不同化学当量比F(0.6、0.7、0.8、0.9和1.0)下的温度分布、燃烧完全性和热声压力脉动特性。Rijke型预混燃烧器下端封闭，上端开口，为直径40mm，管长1066mm的不锈钢圆管。稳燃体位于燃烧器1/4管长处，为致密堇青石材质的多孔介质，CO2/O2/CH4的预混气体在稳燃体上方燃烧。试验发现， Rijke型燃烧器的燃烧温度与Pc和F有重要关系，CH4未燃尽率呈现出良好的线性度，随着F的增大而减小。CO2/O2气氛下的热声不稳定频率特性与空气气氛下存在明显区别，其共振频率低于空气气氛下的类似工况结果，当qox=83.3或116.7mL/s时，F£0.6的工况不能激发热声不稳定；当qox=150mL/s时，F£0.7的工况不能激发气热声不稳定。
2009 Vol. 29 (26): 30-35 [摘要] ( 422 ) [HTML 1KB] [PDF 361KB] ( 304 )
工程热物理
36 吕洪坤 杨卫娟 周俊虎 周志军 刘建忠 岑可法
添加H2对选择性非催化还原影响的实验与模拟研究
在一管式石英反应器上采用实验结合模拟的方式详细研究添加H2对选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)过程中NOx、N2O、NH3排放以及N2转化率的影响，实验采用氨水作为还原介质。随着H2添加量的增加，实验与模拟结果均表明：脱硝温度窗口、最佳脱硝温度持续向低温方向移动，最佳脱硝效率有所降低，而脱硝温度窗口宽度则呈现出先增大后减小的趋势；N2O生成峰值逐渐升高，其生成的温度窗口主要向低温侧扩展，同时，NH3泄漏曲线也向低温方向偏移；扣除N2O影响的N2转化率最大值将低于对应的最佳脱硝效率，但达到最大N2转化率时的温度将比相应的最佳脱硝温度要略高。通过CHEMKIN软件对添加H2后的脱硝反应机制进行了分析，认为反应H2 + OH = H + H2O的加强是引起脱硝特性改变的起始原因；H的大量存在间接促使了NO2作为中间产物的生成，而NO2对于脱硝效率的提高以及N2O排放的控制都是不利的。
2009 Vol. 29 (26): 36-42 [摘要] ( 703 ) [HTML 1KB] [PDF 408KB] ( 318 )
43 刘辉 朱舒扬 曹庆喜 吴少华 孙德智
混合过程对选择性非催化还原反应的影响

分别采用柱塞流反应器模型和Zwietering反应器模型对携带流反应器上完成的选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)反应进行反应动力学模拟。模拟与实验结果比较表明：Zwietering反应器模型可以较好地描述携带流反应器中心射流和环形射流的混合过程；温度低于900 ℃时，化学反应速率较低，SNCR反应主要受反应动力学因素控制，混合过程对SNCR反应影响较小；温度高于950 ℃时，化学反应速率增加，混合过程对SNCR反应的制约明显；混合特征时间的增加，高于950 ℃时SNCR反应脱硝效率降低，SNCR反应温度窗口变窄。
2009 Vol. 29 (26): 43-47 [摘要] ( 559 ) [HTML 1KB] [PDF 247KB] ( 372 )
48 秦翠娟 沈来宏 郑敏 肖军
不同气化介质下CaSO4载氧体的煤化学链燃烧实验研究

采用流化床反应器并以CaSO4为载氧体，研究不同CO2–水蒸气气化介质条件下燃料反应器内煤化学链燃烧反应特性。实验结果表明：在950 ℃下，不同CO2/水蒸气体积配比气化介质下燃料反应器出口气体产物均无H2、CH4；随着CO2/水蒸气体积比的增大，煤气化–CaSO4还原反应速率下降，CO累积率单调递增，CO2捕集效率单调递减；CO2/水蒸气体积比1:3时SO2累积量出现最大值；CO生成率随时间呈单峰特性，而SO2生成量显现出多拐点与不对称的特性；在30 min内煤–水蒸气、煤–CO2气化的碳转化效率分别为94.4%、92.5%，而与之对应的燃料反应器内CO2捕集效率为95.8%、62.0%。
2009 Vol. 29 (26): 48-55 [摘要] ( 508 ) [HTML 1KB] [PDF 404KB] ( 406 )
56 陈琪 刘石
电容层析成像对火焰的介电感应机制及实验验证

电容层析成像方法(electrical capacitance tomography，ECT)用于燃烧监测已经被证明是完全可行的，然而，ECT对火焰的介电感应机理以及ECT测量结果与火焰宏观参数之间的关系，研究者们未做探讨。文中在考虑带电粒子运动与电磁场之间耦合作用的基础上，建立等离子体中带电粒子运动方程，推导了与火焰微观特性相关的复等效介电系数表达式。在适当假设的前提下，提出了火焰复等效介电系数的理论模型，并对其进行了实验验证。该文的研究结果可为火焰的ECT监测提供理论参考。
2009 Vol. 29 (26): 56-62 [摘要] ( 574 ) [HTML 1KB] [PDF 319KB] ( 351 )
63 闫云飞 张力 高振宇
低压旋流雾化喷嘴内液固两相流动的数值研究

针对目前压力式液固两相流雾化喷嘴所需雾化压力较高，且雾化效果难以保证等问题，利用旋流技术改善低压下喷嘴内的流动及喷雾特性。根据连续介质理论和液固两相之间的相互作用，利用k-e/RNG两方程模型，应用SIMPLE方法对低压旋流雾化喷嘴内液固两相的流动特性进行了数值研究。研究结果可以较好地反映石灰石浆液在低压喷嘴内的流动特性；4槽旋流喷嘴最利于石灰浆液的低压雾化。喷嘴旋流室内壁面附近颗粒浓度远大于中心区域，喷嘴渐缩段中部受磨损最快。喷嘴内沿径向CaO颗粒相分布的转折点位置相同，壁面附近过高的CaO颗粒浓度也不利于浆液的雾化。液固两相存在较为明显的速度滑移，且流速越大滑移速度也越大。在渐缩段与喷孔段，液体相速度比颗粒相速度变化的更快。
2009 Vol. 29 (26): 63-67 [摘要] ( 885 ) [HTML 1KB] [PDF 368KB] ( 366 )
动力机械与工程
68 蓝吉兵 谢永慧 张荻
低压高负荷燃气透平叶片边界层分离转捩数值模拟与流动控制

采用剪切应力输运(shear-stress-transport，SST)湍流模型耦合g -Req 转捩模型，通过求解三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)对典型的低压高负荷燃气透平叶片PakB吸力面边界层分离转捩流动进行数值模拟，计算结果显示，该方法能较准确地预测低压高负荷叶片吸力面边界层的分离转捩发展过程。此外在PakB叶片吸力面发展了一种展向呈矩形的被动控制结构。研究表明，该控制结构可以使叶片吸力面边界层分离泡的分离点和再附点向上游移动，并使边界层提前转捩，减小了分离泡的尺度，从而降低叶片的总压损失系数。
2009 Vol. 29 (26): 68-74 [摘要] ( 485 ) [HTML 1KB] [PDF 417KB] ( 383 )
75 赵振宙 郑源 徐小韵 刘文明 胡国祥
螺旋形S型垂直轴风轮结构优化设计

提出了扭角180°的两叶片螺旋形S型风轮，采用k-e数学模型从偏心系数G、封盖直径D0、内隔板数N、螺距P 4个关键结构参数，对其结构进行优化设计。结果显示：当G=0.19或封盖直径与风轮直径比(D0/D=1.1)或N=6或P=6.0时，风轮性能分别达最佳；当G=0.19、D0/D=1.1、N=6和P=6.0时，螺旋形S风轮的风能利用率，在叶尖速比0.75时达0.21。对试验工况进行模拟，试验值与计算值吻合良好，说明计算值可信。
2009 Vol. 29 (26): 75-78 [摘要] ( 570 ) [HTML 1KB] [PDF 297KB] ( 395 )
79 叶学民 李俊 王松岭 李春曦 骞宏伟
动叶可调轴流式通风机叶片安装角异常工况下的气动特性

动叶可调轴流式风机因具有较宽的高效区而得到广泛应用。以OB–84型带后导叶的动叶可调轴流风机为对象，采用Fluent对单个动叶安装角处于3种异常状况下的叶轮内流特征进行了数值模拟，并分析了安装角异常变化对风机全压和效率特性曲线的影响。研究表明：随异常叶片安装角的增大，异常叶片后缘处的尾迹损失增加，压力面压力梯度从前缘到后缘逐渐减小，而吸力面压力梯度增大并在后缘产生旋涡；叶轮出口的低压区范围扩大而总压值减小，异常叶片引起的流动损失主要集中在叶高中部位置；风机全压呈现先增大后减小的趋势，当异常叶片安装角增加为6°、12°和18°时，风机内效率下降分别为2.9%、4.8%和9.1%。
2009 Vol. 29 (26): 79-84 [摘要] ( 564 ) [HTML 1KB] [PDF 2486KB] ( 430 )
85 贺广零 李杰
基于物理机制的风力发电高塔系统旋转样本功率谱研究

为考虑桨叶的旋转效应，研究风力发电高塔系统旋转样本谱问题。首先，针对风力发电机旋转坐标系推导固定点风速功率谱物理模型，构建旋转样本谱源谱。在掌握旋转样本谱物理机制的基础上，对相干函数进行Fourier展开，借助d 函数的性质，从频域的角度出发建立一种旋转样本谱物理模型，有效解决了旋转桨叶荷载施加问题。以典型的1.25 MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统为例进行分析。研究表明，与经典紊流风谱相比，旋转样本谱的能量分布发生了根本的变化，其能量由低频向高频移动，在高频段曲线会出现多峰情况。随着计算点半径的增加，能量转移现象趋于显著。平均风速的增加会导致能量在各频率处分布更为均匀，谱峰形状趋于丰满。
2009 Vol. 29 (26): 85-91 [摘要] ( 490 ) [HTML 1KB] [PDF 412KB] ( 324 )
92 李军 苏明
采用运动圆柱模拟动叶的涡轮静叶栅二次流研究

采用CFD软件Fluent数值求解大转折角涡轮静叶栅的三维流动，详细分析叶栅沿流向各截面的二次流发展及叶栅气动特性，并进行网格无关性论证。研究发现，叶栅通道内逐渐增大的横向压力梯度引起沿流向叶栅总压损失的增大和出口角的波动。高损失区首先在近壁区产生，随着流动向下游发展，高损失区沿叶高方向扩大，引起吸力面附近端壁附面层不断壮大且在后部卷起，导致沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化。随后发现叶高的减小及攻角的增大会极大提高叶栅的二次流损失。采用位于静叶栅前后的运动圆柱列替代静叶栅上下游动叶。发现圆柱尾迹进入叶栅流道的位置不同，对叶栅总压损失有较大影响。叶栅后圆柱列的位置不同也对静叶斜切口的流动特性产生影响。对涡轮内部流场的研究和优化提供有益的参考。
2009 Vol. 29 (26): 92-100 [摘要] ( 509 ) [HTML 1KB] [PDF 581KB] ( 340 )
热工自动控制
101 寇攀高 周建中 何耀耀 向秀桥 李超顺
基于菌群–粒子群算法的水轮发电机组PID调速器参数优化

为解决水轮发电机组调速器PID参数优化问题，引入菌群优化(bacterial foraging optimization，BFO)算法。考虑到BFO算法收敛速度慢，而粒子群优化(paticle swarm optimization，PSO)算法具有较好的收敛性，提出BFO-PSO算法。以描述菌体间相互吸引、相互排斥、相互学习的Jcc指标与综合ITAE指标之和构成一种新型适应度函数。数值计算结果表明：与BFO算法、PSO算法相比，BFO-PSO算法收敛速度快，能有效改善水轮机调节系统空载工况和孤网运行条件下过渡过程的动态性能。
2009 Vol. 29 (26): 101-106 [摘要] ( 600 ) [HTML 1KB] [PDF 297KB] ( 403 )
107 文贤馗 钟晶亮 钱进
电网低频振荡时汽轮机控制策略研究

低频振荡一直是影响电力系统安全稳定运行的重要问题，安装电力系统稳定器对于负阻尼机制起到了很好的抑制作用，但是对于共振机制还没有很好的对策。目前国内处理方法为减小线路潮流、提高电压，花费时间长并且有时没有效果、最终造成机组跳闸解列。通过对汽轮机控制策略的分析、建立相应模型和仿真实验可以证明，汽轮机控制系统主控制器和功率反馈回路发生故障而造成电网发生共振机制的低频振荡时，切为“阀位控制”是迅速平息低频振荡的最简单而快速有效的办法，并能够避免汽轮机组跳闸解列对电网造成的冲击。
2009 Vol. 29 (26): 107-111 [摘要] ( 520 ) [HTML 1KB] [PDF 235KB] ( 398 )
112 姚兴佳 张雅楠 郭庆鼎 井艳军
大型风电机组三维模糊控制器设计与仿真
为提高风电机组的响应速度，获得最大功率，现有大型风电机组普遍采用变速变桨距控制机构。但由于风速的随机性、风电机组参数的时变性和系统的非线性，造成风电机组输出功率的不稳定。根据传统PID控制系统的局限性和风电机组的特性，提出了三维模糊控制器，但多维模糊控制复杂的规则会严重影响系统的实时性。为了达到多维控制系统的控制品质，控制规则以表达式的形式给出，同时结合三元函数的Lagrange插值法，使系统输出的离散变量转变成连续精确的控制变量以提高控制精度。运用SIMULINK的仿真结果表明，三维模糊控制器显著地提高了系统的控制品质，其鲁棒性也明显优于PID控制系统。
2009 Vol. 29 (26): 112-117 [摘要] ( 572 ) [HTML 1KB] [PDF 235KB] ( 852 )
可再生能源发电
118 董信光 李荣玉 刘志超 周新刚 殷炳毅
生物质与煤混燃的灰分特性分析

以麦秆、杨木屑、酒糟和烟煤在不同配比下混合燃烧的灰分作为研究对象，分别在实验室和大型电站锅炉上测试。实验室中，根据生物质配比，灰化温度分别选取550、650、750和800 ℃，对灰样进行灰分特性分析，包括组分分析、熔融特性分析和结渣指数的计算分析；然后在大型电站锅炉实际燃烧，对锅炉飞灰作相同的特性研究，与实验室结论比较分析，并记录分析了前屏过热器上灰沉积过程和形态。研究表明：灰化温度应根据生物质配比选取不同的温度；提高生物质的掺入比总体上会使灰熔融温度降低；掺烧磷和钾元素含量高的生物质，掺配比应小于10%。
2009 Vol. 29 (26): 118-124 [摘要] ( 575 ) [HTML 1KB] [PDF 336KB] ( 492 )
 
 
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