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基于DDPG的锅炉NO_(x)排放和屏式过热器超温的多目标优化

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第8期57卷 787-797页

作者：王赫阳刘骁樊昱晨刘欣张超群天津大学机械工程学院天津300350 烟台龙源电力技术股份有限公司烟台264006

锅炉空气分级燃烧技术的使用虽降低了NO_(x)排放,但同时造成了炉内高温火焰上移,导致位于炉膛上部的屏式过热器吸热量增加和超温加剧,影响机组的安全运行.因此,锅炉亟需一个可对NO_(x)排放和屏式过热器超温进行协调优化的多目标控制策略... 详细信息

锅炉空气分级燃烧技术的使用虽降低了NO_(x)排放,但同时造成了炉内高温火焰上移,导致位于炉膛上部的屏式过热器吸热量增加和超温加剧,影响机组的安全运行.因此,锅炉亟需一个可对NO_(x)排放和屏式过热器超温进行协调优化的多目标控制策略.针对目前基于机器学习的锅炉优化模型普遍局限于针对单一锅炉运行目标的优化,提出了基于深度强化学习的锅炉多目标优化模型,包括预测模型和优化模型:预测模型采用深度神经网络构建锅炉运行参数与NO_(x)浓度和屏式过热器温度的非线性映射;优化模型采用深度确定性策略梯度(DDPG)算法训练策略网络,通过优化运行参数实现锅炉的多目标协同控制.对某600MW锅炉的研究结果表明,通过锅炉配风和过热器减温水量等参数的调整,可实现NO_(x)排放和屏式过热器超温率的协同优化,NO_(x)排放平均降低22.6 mg/m^(3),屏式过热器超温率平均降低0.161.

关键词：燃煤锅炉 NO_(x)排放屏式过热器多目标优化深度确定性策略梯度

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煤种对氨煤混燃NO生成特性影响

中国电机工程学报 2024年

作者：王耿辉谢妍李君刘欣张文振张超群李明牛涛王赫阳天津大学机械工程学院烟台龙源电力技术股份有限公司

该文通过模拟一维炉内烟煤和无烟煤混氨燃烧的NOx生成过程，研究了煤种对氨煤混燃NOx生成特性的影响。结果表明，烟煤混氨燃烧的NO排放随混氨比例增加呈先降低后升高趋势，而无烟煤混氨燃烧的NO排放随混氨比例增加呈先上升后降低趋势，... 详细信息

该文通过模拟一维炉内烟煤和无烟煤混氨燃烧的NOx生成过程，研究了煤种对氨煤混燃NOx生成特性的影响。结果表明，烟煤混氨燃烧的NO排放随混氨比例增加呈先降低后升高趋势，而无烟煤混氨燃烧的NO排放随混氨比例增加呈先上升后降低趋势，并且明显高于烟煤。尽管两种工况的NO生成特性存在显著差异，但控制机制是一致的，即炉内NH3的NO生成与还原反应路径在不同O2环境中的持续竞争关系决定了氨煤混燃最终的NO净生成量。在本文模拟工况中，NH3晚于煤粉通入炉膛，使得NH3燃烧晚于挥发分。挥发分的燃烧改变了NH3的反应环境，进而影响了NO生成。由于烟煤和无烟煤的挥发分含量存在显著差异，挥发分燃烧后形成的O2浓度分布各不相同，导致NO生成和还原反应路径之间的相对竞争关系截然不同，从而造成了烟煤和无烟煤不同的NO生成与排放特性。

关键词：烟煤无烟煤氨煤混燃 NO 排放量数值模拟

氨煤混合比例对氨的NO生成/还原反应路径影响

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中国电机工程学报 2024年

作者：韩静洋谢妍李君刘欣张文振张超群李明牛涛王赫阳天津大学机械工程学院烟台龙源电力技术股份有限公司

混氨比例(RNH3)是影响燃煤机组二氧化碳(CO2)减排效果的重要参数，虽然高RNH3有利于CO2减排，但可能会导致氮氧化物(NOx)排放的大幅升高，从而制约氨煤混燃技术的应用。为探究RNH3对NO排放的影响机制，搭建了氨煤混燃一维炉的反应器网... 详细信息

混氨比例(RNH3)是影响燃煤机组二氧化碳(CO2)减排效果的重要参数，虽然高RNH3有利于CO2减排，但可能会导致氮氧化物(NOx)排放的大幅升高，从而制约氨煤混燃技术的应用。为探究RNH3对NO排放的影响机制，搭建了氨煤混燃一维炉的反应器网络模型，采用NH3的详细化学反应机理研究了RNH3对NH3的NO生成和还原反应路径的影响机理。模拟结果再现了实验观测到的NO排放随RNH3增加先上升后下降的变化趋势。研究结果表明，影响NO生成的主要基元反应为含N中间体组分HNO/N与H/OH自由基间的反应。低RNH3下，含N组分HNO/N浓度随RNH3增加而上升是NO排放随RNH3增加而上升的主要原因。然而，在高RNH3下，NH3的脱氢反应消耗了大量的H/OH自由基，使H/OH自由基浓度显著降低，抑制了HNO/N与H/OH自由基的NO生成反应，使NO排放随RNH3增加而降低。因此，NO生成随RNH3增加先升后降趋势的根本原因是NO生成反应路径的初始步骤与最终步骤对H/OH自由基的竞争。此外，研究结果表明，氨煤混燃的NO排放随主燃区当量比?升高而降低，这是由于?升高，主燃区O2量减少，降低了H和OH自由基浓度，从而抑制了NH3的NO生成反应路径的正向进行。研究表明，RNH3和?主要是通过H/OH自由基浓度变化影响NO的生成/还原反应路径。

关键词：氨煤混燃混氨比例 CO 减排 NO 化学反应动力学

混氨比例及温度对氨煤混燃NO生成特性影响实验研究

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中国电机工程学报 2024年

作者：谢妍王耿辉刘佳宁李君刘欣张文振张超群王赫阳天津大学机械工程学院烟台龙源电力技术股份有限公司

氨煤混燃是减少燃煤电厂CO2排放的一种可行方法。然而，高NOx排放将是氨煤混燃所面临的主要挑战。为研究NOx控制策略，在可灵活控制氨燃烧反应环境的一维氨煤混燃实验炉中对混氨比例(RNH3)、燃尽风率和炉膛温度对氨煤混燃NOx生成特性的... 详细信息

氨煤混燃是减少燃煤电厂CO2排放的一种可行方法。然而，高NOx排放将是氨煤混燃所面临的主要挑战。为研究NOx控制策略，在可灵活控制氨燃烧反应环境的一维氨煤混燃实验炉中对混氨比例(RNH3)、燃尽风率和炉膛温度对氨煤混燃NOx生成特性的影响进行了实验研究。通过对O2、NOx等组分沿炉膛分布的监测，揭示了氨煤混燃炉内的NOx生成过程。结果表明，在NH3与煤粉预混投入方式下，NOx排放随RNH3增加呈先上升后降低趋势，在RNH3～ 15%达到最大值；燃尽风率增加使NOx排放显著降低；炉内O2浓度分布对NOx生成起着关键作用，氨煤混燃的NOx生成主要由燃烧初期富氧条件下NO的大量生成和燃烧后期乏氧条件下残余NH3对NO的还原这两个过程构成。炉膛温度升高促进了煤粉燃烧对O2的消耗，使NH3燃烧发生在相对乏氧的环境，降低了氨煤混燃的NOx排放。本文的研究结果对全尺寸燃煤锅炉氨煤混燃系统的设计和运行有重要意义。

关键词：氨煤混燃 NO 氨逃逸碳减排

燃煤锅炉三维CFD数值模型水冷壁热边界条件设定方法

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热能动力工程 2022年第1期37卷 143-149页

作者：牛涛尹珩宇刘欣王赫阳烟台龙源电力技术股份有限公司山东烟台264006 天津大学机械工程学院天津300350

目前,燃煤锅炉三维CFD数值模拟中对炉膛水冷壁传热分布的预测大都基于给定的壁面温度边界条件。然而,此方法无法体现锅炉运行状态对壁面传热与壁温分布的影响。提出了一种基于锅炉烟气侧放热与汽水侧吸热间热平衡关系的壁面传热计算方法... 详细信息

目前,燃煤锅炉三维CFD数值模拟中对炉膛水冷壁传热分布的预测大都基于给定的壁面温度边界条件。然而,此方法无法体现锅炉运行状态对壁面传热与壁温分布的影响。提出了一种基于锅炉烟气侧放热与汽水侧吸热间热平衡关系的壁面传热计算方法,并重点讨论了壁面传热系数的物理意义及取值方法。研究发现,壁面传热系数基本由壁面结渣状态决定,因此可根据壁面渣层的传热系数确定。本文方法将影响壁面传热的关键因素合理地体现在计算过程中,同时在模型复杂性与工程适用性之间保持了合理的平衡。采用此方法对一台320 MW锅炉的燃烧与传热分布进行了数值模拟,水冷壁吸热量的预测结果与锅炉运行数据吻合良好。

关键词：燃煤锅炉水冷壁数值模拟传热计算结渣

亚临界锅炉汽温提升受热面改造方案数值模拟研究

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热能动力工程 2022年第10期37卷 145-155页

作者：杨雨刘欣李文甲王赫阳天津大学机械工程学院天津300072 烟台龙源电力技术股份有限公司山东烟台264006

为降低亚临界机组的供电煤耗和碳排放,提出了一种在保持机组亚临界蒸汽压力前提下将锅炉主/再热蒸汽温度从540℃提升至600℃的锅炉受热面改造方案,并以某330 MW亚临界四角切圆锅炉为研究对象,采用三维CFD数值模拟方法对此锅炉的改造方... 详细信息

为降低亚临界机组的供电煤耗和碳排放,提出了一种在保持机组亚临界蒸汽压力前提下将锅炉主/再热蒸汽温度从540℃提升至600℃的锅炉受热面改造方案,并以某330 MW亚临界四角切圆锅炉为研究对象,采用三维CFD数值模拟方法对此锅炉的改造方案进行了验证。结果表明,仅需将炉膛折焰角以下3.6 m高度的炉墙水冷壁替换为墙式过热器,即使不对再热器进行改造,锅炉的主/再热蒸汽温度也可同时提升至600℃水平。此改造方案可最小程度地改造锅炉受热面,大幅降低锅炉的改造成本和风险。

关键词：亚临界机组蒸汽温度煤燃烧数值模拟

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炉内烟气成分对富氧燃烧锅炉传热特性的影响

燃烧科学与技术 2022年第3期28卷 283-291页

作者：谢妍王赫阳赵军刘欣张超群天津大学机械工程学院天津300072 中低温热能高效利用教育部重点实验室(天津大学) 天津300350 烟台龙源电力技术股份有限公司烟台264006

针对炉内烟气成分及其物性在不同燃烧方式下的变化对富氧燃烧锅炉炉内流动、温度及传热特性的影响进行了研究.研究表明,除烟气质量流量m外,不同燃烧方式间烟气成分的差异使烟气的物性有明显的不同,如密度、比热容和气体辐射吸收系数等,... 详细信息

针对炉内烟气成分及其物性在不同燃烧方式下的变化对富氧燃烧锅炉炉内流动、温度及传热特性的影响进行了研究.研究表明,除烟气质量流量m外,不同燃烧方式间烟气成分的差异使烟气的物性有明显的不同,如密度、比热容和气体辐射吸收系数等,将显著影响炉内的流动、温度及传热分布.首先,炉内烟温取决于mc_(p)的共同作用,由于CO_(2)、H_(2)O与N_(2)比热的差异,富氧燃烧烟气的比热明显高于空气燃烧,使富氧燃烧锅炉烟气质量流量在显著低于空气燃烧条件下才可获得与之相近的炉内烟温分布;其次,由于CO_(2)、H_(2)O与N_(2)辐射性质的差异,富氧燃烧烟气的吸收系数明显高于空气燃烧,不利于炉内高温火焰与壁面的辐射换热,因此富氧燃烧需在更高炉内烟温下才可获得与空气燃烧相近的壁面传热量.因此,在设计新型富氧燃烧系统或改造现有空气燃烧系统时,需综合考虑烟气流量与成分及物性变化的影响.

关键词：富氧燃烧烟气成分烟气再循环辐射传热

基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络模型

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力学学报 2023年第10期55卷 2405-2416页

作者：韦昌樊昱晨周永清刘欣张超群王赫阳天津大学机械工程学院天津300072 烟台龙源电力技术股份有限公司山东烟台264006

物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINN)由于嵌入了物理先验知识,可以在少量训练数据的情况下获得自动满足物理约束的代理模型,受到了智能科学计算领域的广泛关注.但是,PINN的离散时间模型(PINN-RK)无法同时近似多个... 详细信息

物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINN)由于嵌入了物理先验知识,可以在少量训练数据的情况下获得自动满足物理约束的代理模型,受到了智能科学计算领域的广泛关注.但是,PINN的离散时间模型(PINN-RK)无法同时近似多个物理量相互耦合的偏微分方程系统,限制了其处理复杂多物理场的能力.为了打破这一限制,文章提出了一种基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络(multi-output physics-informed neural networks based on the Runge-Kutta method,MO-PINN-RK),MO-PINN-RK模型在离散时间模型的基础上采用了并行输出的神经网络结构,通过将神经网络划分为多个子网络,建立了多个神经网络输出层.采用不同输出层近似不同物理量的方式,MO-PINN-RK模型不仅可以同时表征多个物理量,而且还能够实现求解偏微分方程系统的目的.另外,MO-PINN-RK克服了PINN离散时间模型仅适用于一维空间的局限性,将其应用范围扩展到了更为普遍的多维空间.为了验证MO-PINN-RK的有效性,文章对圆柱绕流问题进行了流场预测和参数辨识研究.测试结果表明,与PINN相比,MO-PINN-RK在流场预测问题中的准确性获得了提升,其精度至少提高了2倍,而在参数辨识问题中,MO-PINN-RK的相对误差降低了一个数量级.这凸显了MO-PINN-RK在流体动力学领域的卓越能力,为解决复杂问题提供了更准确、更有效的解决方案.

关键词：多输出神经网络龙格库塔法流场预测参数辨识

墙式锅炉屏式过热器低负荷热偏差特性数值模拟研究

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动力工程学报 2023年第10期43卷 1268-1275,1293页

作者：杨雨刘岗刘欣张超群李文甲王赫阳天津大学机械工程学院天津300072 国家能源集团安徽铜陵发电有限公司安徽铜陵244153 烟台龙源电力技术股份有限公司山东烟台264006

为缓解热偏差造成的锅炉屏式过热器超温爆管现象,研究了某600 MW超临界墙式对冲燃烧锅炉屏式过热器的热偏差特性,分析了此锅炉屏过热偏差的形成机理并给出优化方案。为克服燃烧器与锅炉间巨大尺寸差异的限制,使计算结果准确体现燃烧器... 详细信息

为缓解热偏差造成的锅炉屏式过热器超温爆管现象,研究了某600 MW超临界墙式对冲燃烧锅炉屏式过热器的热偏差特性,分析了此锅炉屏过热偏差的形成机理并给出优化方案。为克服燃烧器与锅炉间巨大尺寸差异的限制,使计算结果准确体现燃烧器设计对炉内流动与热偏差分布的影响,首先提出一种分别模拟计算燃烧器与锅炉,以燃烧器出口平面计算结果作为锅炉燃烧器入口边界条件的计算方法,并提出了降低中层燃烧器风量及调整锅炉左右侧燃烧器风量的方法,以降低屏过高热偏差区域的烟气通量。结果表明:由于相邻燃烧器旋流相互作用,在炉内形成2束较为集中的烟气流,使高温烟气在流经屏过时形成左低右高的双峰形吸热分布,这是形成屏过双峰形热偏差分布的主要原因;所提出的2种风量调整方法均可有效降低屏过热偏差峰值,大幅降低屏过超温爆管的风险。

关键词：墙式对冲燃烧旋流燃烧器屏式过热器热偏差低负荷