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中国电机工程学报
2010年 30卷 17期
刊出日期 2010-06-15
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 丘纪华 邹春 刘敬樟 李刚 李曼丽 郑楚光
旋流型O2/CO2煤粉燃烧器的流动及燃烧试验研究

O2/CO2循环燃烧技术可以提高烟气中的CO2浓度(90%以上)，被认为是一种效率高、风险低的CO2捕集方式，易于在现有火力发电锅炉技术的基础上进行应用或改造。对旋流型O2/CO2煤粉燃烧器进行了冷态流场试验，并在 0.3 MW的热态试验台上进行了该燃烧器的空气气氛和O2/CO2气氛下的煤粉燃烧实验。研究结果表明，沿该燃烧器出口圆周上的速度分布比较均匀，在流场中心有回流区形成，回流区的相对长度L=1.38~1.70，相对宽度为B=0.39~ 0.53，扩张角b=36°~50°。该燃烧器形成的流场能够较好地满足煤粉在空气条件、O2/CO2气氛条件下着火燃烧的需要。煤粉在O2/CO2气氛，O2浓度为23%时，其着火性能优于常规空气，且燃烧后的烟气中CO2浓度可以达到90%以上。
2010 Vol. 30 (17): 1-5 [摘要] ( 436 ) [HTML 1KB] [PDF 306KB] ( 355 )
6 张晋 袁益超 刘聿拯 刘亚 杨震 郭琴琴
分隔屏布置对四角布置切圆燃烧锅炉水平烟道空气动力场的影响

为改善四角布置切圆燃烧锅炉水平烟道烟气偏差，以某600 MW级锅炉为研究对象，就分隔屏布置对其炉膛上部及水平烟道空气动力场的影响进行了冷态模化试验及计算流体力学数值模拟研究。通过分析气流流动特性和水平烟道速度偏差的形成机制，得到分隔屏布置对炉膛上部气流分布及水平烟道速度偏差的影响规律。结果表明：布置分隔屏使得水平烟道内气流相对于无分隔屏时更加贴近壁面，局部区域速度偏差有较大的增加；分隔屏可在一定程度上减小炉膛出口两侧速度偏差，但效果不明显。
2010 Vol. 30 (17): 6-11 [摘要] ( 384 ) [HTML 1KB] [PDF 492KB] ( 298 )
12 朱润孺 朱卫兵 邢力超 孙巧群
矩形喷动床混合特性的三维数值研究
应用三维离散单元法，采用标准k-e 模型和Beer & Johnson表达式考虑湍流和滚动摩擦的影响，对矩形喷动床内颗粒轴、径向均分混合过程进行了模拟。利用Lancy混合指数分析了喷射区、环隙区和喷泉区内颗粒混合速度，以及三区混合速度与全床混合速度之间的关系，同时讨论了喷动气速变化对颗粒混合速度的影响。结果表明：轴向均分混合速度快于径向；矩形喷动床内混合过程分为2个阶段：快速段和慢速段，前者主要是初期环隙区内混合区域迅速扩大的结果，后者则主要是斜底近壁区的混合；环隙区的混合速度控制全床的混合速度；喷动气速的增加未能使矩形喷动床内颗粒混合到达动态平衡的时间减少。
2010 Vol. 30 (17): 12-16 [摘要] ( 462 ) [HTML 1KB] [PDF 326KB] ( 296 )
17 王春华 仲兆平 李睿 鄂加强
喷动流化床最小喷动流化速度智能拟合
在三维冷态试验台架上对喷动流化床最小喷动流化速度进行实验研究，分析喷动流化床主要工作参数，如静止床高、颗粒粒径、颗粒密度、喷口直径、流化气率对最小喷动流化速度的影响。在实验研究的基础上，利用最小二乘支持向量机对最小喷动流化速度与喷动流化床主要设计参数之间的数值关系进行智能拟合，并利用自适应遗传算法优化最小二乘支持向量机的参数。通过15个预测样本的检验，最小二乘支持向量机模型的拟合性能优于常用的经验公式以及神经网络。
2010 Vol. 30 (17): 17-21 [摘要] ( 390 ) [HTML 1KB] [PDF 258KB] ( 354 )
工程热物理
22 胡笑颖 董长青 杨勇平 张俊姣
烟气成分及NH3对生物质气再燃还原N2O的影响
在小型立式流化床反应管中采用化学反应动力学模型，考察生物质气化气再燃还原减少烟气中N2O排放的过程。通过改变反应条件(初始O2浓度、初始H2O(g)浓度、初始N2O浓度、NH3浓度)，分析了烟气组分及NH3选择性非催化对N2O还原分解的影响。结果表明，烟气初始含H2O(g)量和NH3与N2O摩尔比的升高均会抑制N2O的还原和分解，当烟气初始含H2O(g)量在0%~20%内增大，NH3与N2O摩尔比在0.5~1.5内增大时，N2O的还原分解率均降低。
2010 Vol. 30 (17): 22-26 [摘要] ( 467 ) [HTML 1KB] [PDF 371KB] ( 331 )
27 张亮 禚玉群 杜雯 陶叶 陈昌和 徐旭常
非碳基改性吸附剂汞脱除性能实验研究

使用固定床反应器对6种非碳基载体担载多种活性物质后在N2气氛下140℃时的汞吸附性能进行了研究。非碳基载体本身具有较差的汞物理吸附性能，但经改性后部分吸附剂的汞脱除率高于美国商用活性炭Norit Darco LH的汞脱除率。非碳基改性吸附剂的汞吸附性能是载体和活性物质共同作用的结果，其中经NaI、CuCl2、CuBr2和FeCl3改性后的吸附剂具有较高的汞脱除率。皂土载体具有较好的离子交换性和层间吸附性能，使大部分皂土改性吸附剂具有一定的汞脱除率。氧化铝载体在担载CuCl2和CuBr2后达到了接近100%的汞脱除率，具有较好的应用前景。
2010 Vol. 30 (17): 27-34 [摘要] ( 426 ) [HTML 1KB] [PDF 428KB] ( 359 )
35 吕洪坤 杨卫娟 周俊虎 刘建忠 张明 李凤瑞
尿素溶液高温热分解特性的实验研究
在一管式石英反应器上实验研究了尿素溶液的高温热分解特性以及添加Na2CO3后对相关因素的影响，实验结果表明：保持很高的尿素有效分解率时所能达到的HNCO水解率很低；尿素初始浓度、氧含量对尿素有效分解率无显著影响，而氧含量对热解气中NH3或HNCO比例也无明显影响；氧气在高温下将部分热解气体氧化成了NO，而在一定温度时的自身选择性非催化还原作用产生了部分N2O；Na2CO3可以有效地促进HNCO的水解，添加Na2CO3时，停留时间的延长，提高了HNCO的水解率，降低了HNCO水解反应所需的温度，并且停留时间越大，温度对HNCO水解率的影响就越小，而较低温度工况HNCO水解率对停留时间的敏感度相对更大。
2010 Vol. 30 (17): 35-40 [摘要] ( 422 ) [HTML 1KB] [PDF 344KB] ( 857 )
41 刘妮 轩小波 李菊 刘道平
温度扰动促进CO2水合物生成特性的实验研究
根据水合物相区CO2气体溶解度的双重特性，在小型实验装置上研究了温度扰动对CO2水合物生成特性的影响。结果表明，纯水体系中实施温度扰动可以有效促进水合物的快速生成，气体压降提高了30%。在含0.3%十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，SDS)添加剂体系中采用温度扰动的促进效果更加明显，且生成量增多，反应更彻底。反应结束时的剩余气体压力非常接近设定温度下的的相平衡压力，系统的气体压降是未扰动的2.6倍。研究还发现，选择合适的温度扰动时机能够在很大程度上进一步缩短水合物的生成时间。
2010 Vol. 30 (17): 41-44 [摘要] ( 412 ) [HTML 1KB] [PDF 215KB] ( 335 )
45 廖敏 郭庆华 梁钦锋 袁海平 倪建军 于广锁
气化条件下煤灰高温物相变化及其对黏度的影响
为掌握高温条件下不同温度段的煤灰熔融过程的物相变化规律，试验选取具有代表性的低灰熔点清水营煤和高灰熔点青龙矿煤为原料，采用FactSage6.1计算软件中的Equilib模型进行数值计算，利用高温黏度计对2种煤灰进行黏度测试。结果表明，Al2O3和SiO2含量较高的青龙矿煤灰在熔融的过程中产生大量的莫来石，这决定了青龙矿煤灰的高灰熔点。清水营煤的低灰熔点主要是由于钙长石和石英的低温共融主导熔融过程，赤铁矿在高温熔渣中下起到助熔的作用。钙长石和赤铁矿助熔矿物能降低灰渣的黏度，莫来石的存在则会增加灰渣黏度。数值计算的结果与试验结果基本一致，表明化学热力学反应平衡分析方法是研究灰渣熔融特性一种有效手段。
2010 Vol. 30 (17): 45-50 [摘要] ( 458 ) [HTML 1KB] [PDF 265KB] ( 364 )
51 顾海明 吴家桦 郝建刚 沈来宏 肖军
基于赤铁矿载氧体的串行流化床煤化学链燃烧试验

建立1 kW级串行流化床反应器系统，以赤铁矿为载氧体进行了煤化学链燃烧试验。验证载氧体的持续循环能力，讨论燃料反应器温度对气体产物组成及CO2捕集效率的影响。在连续10h的试验中，载氧体展现出良好的稳定性和反应活性；随着温度由900℃升到985℃，燃料反应器中CO和CO2浓度迅速增加，空气反应器中CO2浓度则呈线性下降；较高的温度有利于提高CO2捕集效率。用BET比表面积、扫描电子显微镜和X-射线衍射对使用前后的载氧体进行表征，结果表明：表面轻微的烧结导致使用过的载氧体比表面积和空隙容积都有所下降；载氧体仍保持多孔结构，这有利于其与气体之间的反应。由于喷动床高速射流的存在，载氧体颗粒之间没有团聚现象。该种赤铁矿是实现煤化学链燃烧比较理想的载氧体。
2010 Vol. 30 (17): 51-56 [摘要] ( 409 ) [HTML 1KB] [PDF 446KB] ( 335 )
57 李金旺 邹勇 程林
环路热管毛细芯热物性实验研究
采用粉末冶金的方法，使用不同成型压力和不同造孔剂添加量制备了孔隙率为45%~80%的环路热管毛细芯。采用瞬态平面热源法，研究了毛细芯的导热系数、热扩散系数和单位体积热容。总结得到了热物性参数与孔隙率以及制备这些毛细芯所使用的成型压力和造孔剂添加量之间的关系。结果表明，随着孔隙率的增大，导热系数呈现出单调下降的趋势，但热扩散系数和单位体积热容却与孔隙率的关系并不明显。含水毛细芯的导热系数和单位体积热容均比相同参数下干态的要大，但热扩散系数的情况却不一样。随着成型压力的增大，毛细芯的导热系数显著增大，热扩散系数和单位体积热容变化情况不一。随着造孔剂添加量的增大，毛细芯的导热系数和单位体积热容显著减小，热扩散系数明显增大。
2010 Vol. 30 (17): 57-61 [摘要] ( 449 ) [HTML 1KB] [PDF 190KB] ( 387 )
62 施艳艳 董峰 谭超
两相流测量中环形电导传感器特性研究
环形电导传感器在两相流参数测量中具有广泛的应用价值，研究两相流场中环形电导传感器的敏感场分布和响应特性，对于明确传感器感应机制、提高参数测量的精度具有重要的意义。针对气液两相流相含率的测量问题，应用有限元数值分析方法确定了环形电导传感器结构；通过物理模拟静态标定实验，验证了典型两相流动状态下液相含率的无量纲电压值表示形式与理论推导一致；并通过实际流动状态下实验测试，得出传感器测量的相含率无量纲电压值与入口处液相含量测量值基本一致，相对误差±10%。
2010 Vol. 30 (17): 62-66 [摘要] ( 467 ) [HTML 1KB] [PDF 451KB] ( 327 )
动力机械与工程
67 伍伟 何立东 俞龙 张强
铝蜂窝密封结构设计及性能研究
开发了一种不易产生摩擦火花的铝蜂窝密封。运用ANSYS和CFX软件，确定铝蜂窝密封的最小壁厚，在此基础上研究了壁厚单独变化以及壁厚、蜂窝对边距、蜂窝深度3者联合变化对其密封性能的影响，并从密封压力降的角度分析了由上述参数的变化导致铝蜂窝密封泄漏量改变的机制。计算结果表明：铝蜂窝密封的壁厚应不小于0.5 mm；铝蜂窝密封的压力降随着壁厚的增加而减小，这导致其泄漏量随着壁厚的增加而增大；为了使泄漏量趋于最小，对应于不同的壁厚，铝蜂窝密封应具有不同的蜂窝深度与蜂窝对边距的最优比值。设计并制造了2种铝蜂窝密封。
2010 Vol. 30 (17): 67-73 [摘要] ( 380 ) [HTML 1KB] [PDF 385KB] ( 378 )
74 毛雪平 陆道纲 徐鸿 张立殷 王岗 薛飞 余伟炜
应变控制下具有保持时间的镍基合金C276高温低周疲劳实验研究

由于高的热效率和简单的系统组成，超临界水堆已经被选为第4代反应堆概念机组。实现超临界水堆的关键之一是重要部件尤其是燃料组件包壳材料的高温力学性能。该文以镍基合金C276为研究对象，对其进行应变控制下具有保持时间的高温低周疲劳实验研究。实验温度为650℃，对称梯形波，最大拉压应变保持时间分别为0，30 s和60 s，应变范围均为±0.3%~±0.5%。对镍基合金C276在有应变保持情况下的循环应力特征、应力松弛规律、控制应变与循环应力的关系、应变与寿命的关系进行了分析。实验结果表明：Ni基合金C276为循环硬化材料，应变保持强化了循环硬化效应；给出了有保持情况下的频率修正循环应力–应变关系公式和有应变保持的频率修正应变–寿命公式。
2010 Vol. 30 (17): 74-78 [摘要] ( 377 ) [HTML 1KB] [PDF 257KB] ( 323 )
79 于锦禄 赵罡 何立明 王育虔 陈鑫
横向槽横向宽度对气膜孔冷却性能影响的数值研究
采用数值模拟的方法，研究带横向槽的气膜孔冷却结构槽横向宽度对气膜孔下游平均冷却效率的影响规律。对通过气膜孔次流的流场、垂直于主流截面上的局部速度矢量和温度分布、近壁面的冷却效果和气膜孔下游平均冷却效率进行了分析，发现槽横向宽度越小，气膜孔对冷流的束缚作用越强，使冷流以较大动量从孔中喷射出，导致冷流的贴壁性较差，气膜孔下游的平均冷却效率越低；槽横向宽度越大，冷流在气膜孔出口处有一定的膨胀，减小了其向上喷射的动量，使冷流的贴壁性更好，气膜孔下游的平均冷却效率也越高。
2010 Vol. 30 (17): 79-84 [摘要] ( 387 ) [HTML 1KB] [PDF 420KB] ( 275 )
85 祝贺 徐建源 滕云 齐宏伟
风力机风轮气动性能三维流场数值模拟

数值试验方法可为选择最佳形状风轮翼型和风轮尺寸，使风力机具有优异的空气动力特性提供试验依据。完善并依据计算流体动力学理论和相似理论，以风力机风轮作为研究对象，研究数值试验技术。建立考虑地形和风剪切效应影响的风电场风速湍流数学模型，利用相似理论构建风电场三维数值试验，并通过计算流体动力学软件Fluent实现，用户自定义函数(user-defined function，UDF)技术定义风力机动态风速及数值试验边界条件。研究风力机风轮的气动性能，模拟风轮在空气动力作用下的风轮表面压力、风轮转速、力矩时程等气动力作用参数。研究结果表明：利用数值试验和现场实测2种方法得到的风轮气动动态特性随时间的变化趋势具有相似性。
2010 Vol. 30 (17): 85-90 [摘要] ( 407 ) [HTML 1KB] [PDF 626KB] ( 561 )
热工自动控制
91 顾燕萍 赵文杰 吴占松
基于最小二乘支持向量机的电站锅炉燃烧优化

高效、低污染是电站锅炉燃烧优化的目标。该文基于最小二乘支持向量机，建立了电站锅炉燃烧模型，实现了飞灰含碳量、排烟温度、NOx 排放量等参数的软测量和锅炉效率的预测；对比了最小二乘支持向量机和BP神经网络模型的性能，对比结果表明，最小二乘支持向量机具有训练时间短、泛化能力高等优点。提出2种锅炉燃烧优化方式，并以所建立的燃烧模型为基础，采用遗传算法对锅炉运行工况进行寻优，为分散控制系统基础控制层提供最佳的操作变量设定值。算例表明，文中所提出的燃烧优化方案可以有效提高电站锅炉效率和降低NOx 排放量。
2010 Vol. 30 (17): 91-97 [摘要] ( 451 ) [HTML 1KB] [PDF 380KB] ( 412 )
可再生能源发电
98 张睿智 罗永浩 刘春元 段佳
生物质气化再燃技术中焦油的利用
针对生物质气化再燃技术路线中焦油的价值及利用开展研究。通过热重–质谱联用仪分析典型农业废弃物在热解、气化过程中焦油组分的析出情况，并在管式流动实验台上研究焦油在生物质气化气还原NO中的作用以及焦油还原NO受当量比、温度等因素的影响规律，最后建立了甲苯还原NO的机制模型，并以停流动实验台的实验结果进行了验证。结果表明：苯、甲苯、苯乙烯和苯酚是具有代表性的焦油组分；焦油对生物质气化气还原NO有积极的作用；焦油组分还原NO存在最佳的当量比，并要求合适的温度窗口，需要关注聚合反应；甲苯还原NO机制(NO reduction by toluene，NRT)模型与实验结果拟合良好，模型的生成速率和消耗速率分析显示HCCO和C2H在焦油还原NO中具有重要作用。
2010 Vol. 30 (17): 98-103 [摘要] ( 395 ) [HTML 1KB] [PDF 314KB] ( 346 )
104 谭勋琼 吴政球 周野 钟浩 李军军
固体氧化物燃料电池的集总建模与仿真
在考虑浓差极化电压、活性极化电压以及欧姆电压损失的基础上，推导出单个固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)的电压、各种气体分压及电流的数学关系。以集总的思维方式，依据SOFC电池堆内部气体摩尔流量的动态守恒方程，得出各种气体分压和电流的函数关系。在此基础上构建SOFC的Matlab集总模型。由于具有可调的动态参数，该模型能够灵活且较准确地模拟实际的SOFC系统。通过对稳态电压电流特性和动态单步负荷跟踪特性进行实验仿真，表明该模型的特性能够较好地吻合分布式模型及实测数据所表征的特性。在分布式燃料电池发电系统研究中，具有一定的应用价值。
2010 Vol. 30 (17): 104-110 [摘要] ( 408 ) [HTML 1KB] [PDF 259KB] ( 347 )
111 李文安 杨立军 杜小泽 杨勇平
阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能的影响
建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型，运用数值方法计算了阳极入口气体不同加湿情况下，电池阴阳极侧水沿流道方向的分布，并得到不同工况下的燃料电池极化曲线。计算结果表明，有效的阳极加湿能提高电池性能，但阳极含水过高会使阴极反扩散受到抑制，从而使阴极含水量过多，甚至出现电极溢流现象，可见阳极加湿过量会加剧高电流密度下电池的浓差极化。
2010 Vol. 30 (17): 111-116 [摘要] ( 460 ) [HTML 1KB] [PDF 363KB] ( 350 )
 
 
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