新型核能系统S-CO2布雷顿循环特性研究

根据中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)概念设计,完成了CiADS与超临界二氧化碳(SCO_2)布雷顿循环的设计分析.分析了再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环关键参数对S-CO_2布雷顿循环系统热力学性质的影响.计算结果表明,汽轮机入口温度、系统循环压比、冷凝器热端出口温度、高低温回热器端差等循环参数对循环热效率有显著影响.利用遗传算法优化计算CiADS与S-CO_2结合最高效率为35.932%,与其他采用超临界二氧化碳布雷顿循环的核电站相比,加速器驱动嬗变研究装置的热效率不是最高的,但其热效率随着反应堆出口温度的升高而提高.证明了CiADS与S-CO_2结合进行发电是一种可行的设计.     

船用低速柴油机烟气余热S-CO2布雷顿循环系统优化

针对远洋船舶节能减排和高效营运的需求,从提高船用低速柴油机总效率出发,对其烟气进行余热回收,搭建三种布置形式的超临界二氧化碳布雷顿循环.将实测的6EX340EF-UA型船用低速柴油机不同工况烟气参数作为输入,以系统总效率和净输出功为目标,对系统循环参数进行优化.结果表明,再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环的烟气余热回收系统...     

基于开源求解工具的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器流动传热特性数值研究

超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环中印刷电路板式微通道换热器(printed circuit heat exchanger, PCHE)作为连接主压缩机、透平等涡轮机械的关键设备之一,其换热能力是否满足系统设计的工况要求,以及其运行的稳定性,对于整个发电循环的效率和安全性都有着重要的影响。采用流体-固体强耦合传热模型,对换热器内部超临界二氧化碳的流动和流固耦合传热过程进行数值分析。在稳定运行工况下,采用努塞尔数衡量换热器内部的换热不均匀性,得出沿着冷、热通道对流传热强度变化等指标。在非稳态工况下,不仅研究了流动传热特性,还研究了由于PCHE内部换热能力不均匀分布可能导致的部分二氧化碳工质偏离超临界态的风险区域,为超临界二氧化碳发电循环的设计优化和实验验证提供了参考。基于开源的流体力学及传热求解软件,通过测试开源求解工具对于PCHE流动传热特性分析的能力,为基于开源求解工具开发PCHE及超临界二氧化碳发电循环的数值分析专用工具平台,建立针对超临界二氧化碳发电设施的数字孪生系统奠定基础。     

熔盐反应堆堆芯动态特性的计算分析

基于点堆动力学和热平衡原理建立熔盐堆堆芯仿真模型,模拟了熔盐实验堆MSRE入口温度恒定工况下,引入50 pcm阶跃反应性后的功率瞬态及温度瞬态.计算结果表明,在小的正反应性引入情况下,堆芯功率一开始将快速增长,但由于负的温度反应性反馈,堆芯功率很快又会下降,并最终维持在比原先功率略高的新功率水平;熔盐温度的变化趋势与堆芯功率类似：由于石墨的温度主要来自熔盐向石墨的传热,因此在反应性引入后,石墨的温度一直上升并逐渐稳定在新的温度水平.本文计算结果与ORNL的结果在趋势上吻合较好,验证了物理模型和数值方法的正确性,为开展熔盐堆系统瞬态特性研究奠定了基础.     

两种水煤比控制策略下调峰机组的能耗特性

为研究热工控制策略对燃煤机组瞬态变负荷过程能耗特性的影响,以660 MW超临界机组为研究对象,建立了机组全系统动态模型,研究了煤跟水和水跟煤两种控制策略下,不同变负荷瞬态过程中燃煤机组主要参数及其能耗特性的变化规律。结果表明:变负荷瞬态过程中,采用煤跟水控制方式较水跟煤控制更有利于主汽压力的稳定,主汽压力的累计偏差较小,但主汽温度的控制效果不如水跟煤控制方式,主汽温度的累计偏差更大。煤跟水控制方式使机组在变负荷过程中更能充分利用自身的蓄热能力,相比水跟煤控制方式,机组具有更高的能量转换效率,平均发电标准煤耗率增量更小,研究范围内最大相差0.69g·kW-1·h-1。     

废气再循环瞬态修正控制策略对重型柴油机排放性能的影响

针对重型柴油机瞬态工况(特指恒定转速、转矩瞬增工况)空气系统响应迟滞造成的排放恶化问题,设计了废气再循环(EGR)瞬态修正控制策略,从EGR阀预控制和瞬态需求空气量两方面进行EGR瞬态修正:当判定发动机处于瞬态工况时,将EGR阀预控制开度设定为0,加快EGR阀关闭速度;依据瞬态程度修正需求空气量,使实际进气量更早满足需求空气量,实现EGR阀适时开启。试验结果表明:经过EGR瞬态修正,改善了瞬态工况排放恶化、发动机动力性响应不及时等问题;在WHTC(world harmonized transient cycle)瞬态循环中加入EGR瞬态修正后,氮氧化物(NO_x)排放降低了4.7%,碳烟排放降低了46.4%,碳氢化合物和一氧化碳排放分别降低了8.5%和30.3%,但二氧化碳排放增加了0.3%,油耗增大了0.6%。EGR瞬态修正控制策略虽然牺牲了0.6%的油耗,但是显著改善了NO_x、碳烟、碳氢化合物和一氧化碳等有害气体的排放,因此可为重型柴油发动机排放性能的改善提供借鉴。     

考虑环境温度和功率的燃气轮机进口可转导叶控制策略优化

针对联合循环中燃气轮机变工况运行时排气温度控制这一重要环节,以某型联合循环燃气轮机为研究对象,介绍了燃气轮机进口可转导叶(IGV)温度控制的作用和原理.在变负荷和环境温度扰动2种变工况的情况下,对比分析了纯反馈、单前馈-反馈和双前馈-反馈3种不同IGV温度控制策略的燃气轮机性能参数动态响应过程.结果表明:相比于其他控制策略,采用负荷和环境温度的双变量前馈-反馈控制策略在变负荷和环境温度扰动时具有更好的控制效果.     

CO_2-H_2O双循环燃煤发电系统仿真研究

为了提高燃煤发电效率,基于已运行的燃煤机组,提出一种煤基CO_2-H_2O双循环联合发电系统,开展了双循环联合发电系统的概念设计并构建了双循环联合发电系统的仿真模型。首先对煤基超临界CO_2布雷顿再压缩循环、CO_2-H_2O双循环背压式以及双循环凝汽式方案进行热力仿真计算和分析论证,优选出最优双循环组合方案;然后对双循环系统(凝汽式)进行敏感性分析,研究了冷凝器出口温度和排气压力对双循环系统的总循环效率的影响;最后结合冷凝器出口温度的变化探讨了双循环(凝汽式)联合发电系统的运行模式。结果表明:CO_2-H_2O双循环系统(凝汽式)方案热经济性最优;随着冷凝器出口温度的升高,双循环系统的效率逐渐下降,并且随着排气压力的降低,循环效率受冷凝器出口温度的影响越明显;当冷凝器出口温度低于排气压力对应的饱和温度时,双循环系统应开启下位循环,联合机组以双循环系统模式运行,反之则关闭下位循环,联合机组以凝汽式机组模式运行。     

回热型S-CO2布雷顿循环的㶲效率分析与优化

回热型超临界二氧化碳布雷顿循环在燃气轮机余热回收利用领域具有较大的发展和应用潜力,对其开展性能分析与优化具有重要意义。文中应用有限时间热力学理论,建立了变温热源条件下存在有限温差传热、不可逆压缩、不可逆膨胀等不可逆因素的回热型超临界二氧化碳布雷顿循环模型,分析了工质质量流率、压缩机与透平效率、总热导率对循环■效率与循环压比特性关系的影响,然后在总热导率一定的条件下以■效率最大为目标,对加热器、冷却器和回热器的热导率分配比以及循环压比、工质质量流率进行优化。结果表明：在文中取值范围内,经优化后的■效率可比初始设计点提高37.96%。文中还给出了不同工质质量流率下■效率达到最大时所对应的设计参数。     

核动力船舰超临界二氧化碳循环系统建模与性能分析

为探究以超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO_2)布雷顿循环耦合核反应堆所构成的新型船舰动力装置的系统性能,选取4种高效紧凑的S-CO_2循环(再压缩、内冷、部分冷却及再热)耦合4种典型船用核反应堆(铅冷快堆、高温气冷快堆、钠冷快堆及压水堆),构建了16种核动力船舰S-CO_2循环动力系统及其热力学模型,研究分流比、透平入口压力、压缩机入口压力和循环最低温度对循环效率的影响.结果表明:存在最佳分流比及压缩机入口压力使循环效率达到最高;各系统循环效率随透平入口压力的提高,呈先迅速增长后趋于稳定趋势;S-CO_2再热循环应用于上述4种典型船用核反应堆二回路系统时效率最高,分别为46.6%、50.8%、 44.5%及32.5%;根据高温气冷快堆S-CO_2再热循环系统热力性能最佳,提出了其整体系统布置方案.     

面向火电运行灵活性的钢球磨煤机制粉系统控制优化研究

针对双进双出钢球磨煤机制粉系统变出力过程风粉温度波动幅度大、瞬时磨煤出力偏差大等问题,提出考虑热一次风风温前馈和变出力过程料位差压设定值优化的控制策略。以BBD4360型钢球磨煤机为对象开展机理建模和瞬态扰动试验研究,建立并验证钢球磨煤机内料位差压、出口风粉温度等关键参数计算模型。基于磨煤机动态模型研究获得原有及优化后的控制策略对磨煤机出口风粉温度、磨煤出力和制粉单耗的影响规律。研究结果表明：在制粉系统变出力过程中,优化后的控制策略可降低磨煤机出口风粉温度偏差2℃以上,制粉系统磨煤出力累积偏差降低50%以上,制粉单耗降低5%以上,综合提升了制粉系统的关键参数控制效果。钢球磨煤机制粉系统优化控制策略有利于缓解机组调峰过程中由于燃料量供给偏差引起的气温、气压偏差大等问题,保障了燃煤发电机组的运行灵活性和高效性。     

以液化天然气为冷源的超临界CO_2-跨临界CO_2冷电联供系统

为了提高超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)的低温余热回收效率,采用跨临界CO2循环(TCO2循环)作为底循环对再压缩式SCO2循环进行余热回收,并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝,建立了以LNG为冷源的再压缩式SCO2-TCO2冷电联供系统,以同时输出电量和制冷量。对系统进行火用分析比较,并研究了关键热力参数对系统净输出功率、制冷量、系统热效率和系统火用效率的影响。结果显示:使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环的冷凝温度,提高了低温回收热效率,系统的热效率(动力)在给定的条件下达到54.47%;提高LNG的入口温度,可以减小系统火用损;高温回热器换热效率增加,系统热效率和火用效率均增加;SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但火用效率增加;TCO2透平进口压力升高,系统热效率和火用效率均呈现先减小再升高后减小的变化趋势;随着冷凝温度升高,系统热效率降低,但火用效率先减小后增加。     

S-CO2煤粉锅炉NOx超低排放设计与优化

为了实现超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环燃煤发电的NO_x超低排放,首先对一台1 000 MW级S-CO₂煤粉锅炉进行了热力系统分析与燃烧数值试验,以获得尾部烟道温度分布以及炉膛出口烟气特性;在此基础上,构建了NO_x超低排放设计方案,采用数值模拟与正交试验相结合的方法研究了结构参数对脱硝性能的影响规律,并对SCR脱硝系统的内部结构进行优化.结果表明,S-CO₂煤粉锅炉炉膛出口温度比传统水蒸气锅炉高,需将该锅炉的空气预热器分为2级,将SCR脱硝反应器置于2级空气预热器之间,SCR脱硝反应器前端的空气预热器吸热量为215.83 MW.催化剂上游结构对催化层入口速度偏差影响最大.优化后的脱硝系统第1层催化剂入口相对标准偏差系数为10.19%.     

直燃型双效溴化锂制冷机扰动工况的动态仿真

针对直燃型双效溴化锂吸收式制冷机在扰动工况下的工作特点，建立了各个部件及系统的动态仿真模型，编制了通用仿真软件。利用仿真软件研究了制冷机在扰动工况下的动态特性，得出了为保持稳定的冷媒水出口温度，燃料输入量随着冷却水及冷媒水进口温度而变化的关系式。     

应用SCR后处理实现车用柴油机国IV排放

 选择性催化还原（SCR）技术是实现柴油机超低NOx排放最有效的后处理方法之一。本研究采用一台电喷单体泵柴油机,通过燃烧优化使PM排放满足国IV排放要求。为降低原机较高的NOx排放,采用开环控制策略开发一套电控单元控制尿素溶液喷射,通过将32.5%的尿素溶液定量喷射到排气管,提供还原剂,与柴油机排气中的NOx发生选择性还原反应,生成N2和H2O,实现降低NOx排放的目的。由于选择催化还原方法的NOx转化效率高,通常采用开环控制即能实现国IV排放。本研究通过标定实验获得发动机的原机NOx排放、排气温度、排气流量、单位尿素溶液流量的NOx降低量等脉谱,并将其写入电控单元。通过这些脉谱和当前的发动机转速、负荷信号及催化器进出口的温度信号,电控单元可计算出当前工况需要的尿素喷射量。采用该方法,在稳态和瞬态循环工况,研究了SCR后处理的NOx转化效率、氨泄漏及尿素溶液消耗量特性。结果表明,稳态循环ESC、瞬态循环ETC中,NOx平均转化效率分别达到65.2%、65.3%,氨排放小于5ppm;可溶性有机成分（SOF）,实验表明,PM减少主要是由于SOF在氧化单元中发生氧化反应;对ETC循环中尿素消耗量的分析表明,采用本研究开发的尿素溶液计量单元及配套本实验使用的发动机的柴油车,运行100km大约消耗32.5%尿素溶液2L。     

多台冷水机组非均匀负荷匹配运行控制策略

以制冷量非均匀匹配的冷水机组群为研究对象,考虑制冷量自平衡特性,构建多台冷水机组并联运行热力特性模型,研究变负荷下的非均匀负荷匹配冷水机组并联运行特性,提出了基于能效基准的多台冷水机组控制策略,并与均匀负荷匹配冷水机组进行了对比分析,讨论了变冷冻水出水温度条件下非均匀负荷匹配控制策略的适用性.结果表明:在制冷量自平衡条件下,多台冷水机组并联运行时存在能效基准,冷水机组群按照能效基准所对应的控制策略运行可实现能效比最大化,本算例中的空调系统负荷率分别在14%～39%、43%～100%范围内变化时,冷水机组群平均能效比EER≥5,最大EER达5.43;在变冷冻水供水温度运行条件下,冷水机组控制策略不随冷冻水出水温度改变而改变,具有良好的适用性;在实际工程中进行冷水机组选型搭配时,以较少的冷水机组并联运行台数实现较高总体运行性能运行的非均匀负荷匹配方式应优先考虑.     

在煤富氧燃烧下的超临界CO_2再压缩循环的热力学分析

为了降低发电系统碳捕集的能耗以及提高电站整体供电效率,提出了一种基于煤富氧燃烧的超临界CO_2再压缩循环复合发电系统,并对系统进行了热力学分析与参数敏感性分析。结果表明,通过空分装置与热力系统集成可以使系统供电效率提高到43.75%,比无集成系统提高1.93%。锅炉损占总损的比例(82.29%)最大,回热器损占总损的比例(8.85%)次之。通过参数敏感性分析可以得到最佳透平出口压力是由循环最低温度所决定的,最佳透平出口压力曲线与CO_2饱和压力曲线基本重合;透平出口压力处于最佳值时,压比越大,供电效率越高。利用遗传算法对系统进行优化并与采用冷端优化后的超超临界燃煤机组进行对比,结果表明,在平均冷却水温度低于27℃的区域,该系统具有更高的供电效率以及更好的热经济性。     

深层页岩气水平井井筒瞬态温度场研究与应用

深层页岩气水平井钻井过程井筒瞬态循环温度对旋转导向工具的选择具有重要作用。基于井筒与地层间的对流换热机理及能量守恒原理，建立了井筒瞬态温度场模型；分析了循环时间、排量、水平段长度和入口温度对井筒瞬态温度的影响；优选了页岩气水平井轨迹控制方法，提出了降低井底循环温度的工程措施。结果表明，上部井段环空钻井液循环温度随循环时间和排量的增加而增加，而下部井段环空钻井液循环温度反而降低；随着水平段长度增加，环空钻井液循环温度增加，水平段越长，循环降温效果越低；随着钻井液入口温度增加，钻井液出口温度增加，下部井段环空钻井液循环温度随入口温度的变化较小。当垂深超过4 000 m后，水平段较短时，可采用旋转导向钻井工具；水平段较长，井底循环温度高于135℃后，推荐采用螺杆配LWD测量工具。采用增加循环时间、排量及边循环边下钻的方式可降低井底循环温度，以确保旋转导向工具和LWD工具处于安全工作温度内。     

超临界水冷堆辐照考验回路多尺度热工水力学分析

作为第四代核能系统中唯一的水冷反应堆,超临界水冷堆(SCWR)具有系统简单、热效率高、经济和安全性好等优点.中国和欧盟联合发起了第七框架研究计划国际合作项目"超临界水冷堆燃料性能验证实验(Supercritical Water-cooled Reactor Fuel Qualification Test, SCWR-FQT)",该实验将对超临界水环境下的小型燃料组件进行性能测试,为实验回路进行设计、分析和验证,并为其设计分析和安全许可申请提供支持.本文从计算流体力学、子通道、系统安全角度出发,对整个系统进行多尺度的热工水力安全分析.本文还对子通道程序COBRA和系统程序ATHLET中的传热模型、摩擦阻力模型和湍流交混模型等进行了修改,使其适用于超临界水冷堆模拟.另外,本文通过交换堆芯出口压力、冷却剂进口温度、堆芯进口冷却剂流量、活性区的产热和摩擦因子等参数实现程序耦合,以得到更为精细的热工水力行为.结果表明,修改过后的程序适用于超临界水回路瞬态分析,现有的安全系统设计可保证组件实验段在事故情况下得到有效冷却. CFD计算结果表明,绕丝对棒束流体传热有较大影响;子通道结果表明角通道堵塞条件下包壳温度最高.同时,计算也证实了多尺度耦合程序可精准预测事故进程和参数分布.     

一种新型变浓度热泵系统的实验研究

为了解决空气源热泵系统冬季制热量不足的问题，提出了一种新型变浓度容量调节热泵系统，使用环保型工质R32／R134a进行了固定工况下变浓度稳态实验和变工况下定浓度和变浓度稳态性能对比实验．实验结果表明：固定工况下系统的制热量、压缩机耗功量和性能系数均随着低沸点质量分数的增加而增加；变工况下的变浓度运行比定浓度运行能更好地抑制制热量的下降，当蒸发器进口温度为-14℃时可使系统的性能系数提高5％，表现出相对于常规系统更节能的优势．实验结果验证了提出的实验装置具有调节系统循环工质浓度和随负荷变化调节系统容量的调节特性．