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Impacts of Startup,Shutdown and Load Variation on Transient Temperature and Thermal Stress Fields within Blades of Gas Turbines

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Journal of Thermal Science 2022年第3期31卷 727-740页

作者： CAI Liuxi HOU Yanfang LI Fang LI Yun wang shunsen MAO Jingru School of Chemical Engineering and Technology Xi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering Xi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China

Based on the actual operation parameters and temperature-dependent material properties of a gas turbine unit,composite cooling blade model and corresponding reliable boundary conditions were established.Transient thermal-fluid-solid coupling simulations were then comprehensively conducted to analyze the transient flow and the temperature field of the blade under startup,shutdown,and variable loads condition.Combined with the obtained transient temperature data,the non-linear finite element method was exploited to examine the effect of these transient operations on the turbine blade thermal stress characteristics.Results show that the temperature and pressure on the blade surface increase with the load level and vice versa.As the startup process progresses,the film cooling effectiveness and the heat convection of airflows inside the blade continuously grow;high-temperature areas on the pressure surface and along the trailing edge of the blade tip gradually disappear.Locally high-temperature zones with the maximum of 1280 K are generated at the air inlet and outlet of the blade platform and the leading edge of the blade tip.The high thermal stresses detected on the higher temperature side of the temperature gradient are commonly generated in places with large temperature gradients and significant geometry variations.For the startup/shutdown process,the rate of increase/decrease of the thermal stress is positively correlated with the load variation rate.A slight variation rate of the load(1.52%/min)can lead to an apparent alteration(41%)to the thermal stress.In operations under action of the variable load,although thermal stress is less sensitive to the load variation,the rising or falling rate of the exerted load still needs to be carefully controlled due to the highly leveled thermal stresses.

关键词： composite cooling blade thermal-fluid-solid coupling method transient temperature field load variation thermal stress

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面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

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西安交通大学学报 2024年第2期58卷 43-55页

作者：姜悦茂王顺森吴杰鹏颜晓江宋立明西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力... 详细信息

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

关键词：余热回收超临界CO_(2)动力循环多目标优化热经济分析高级[火用]分析

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电解水制氢储能与Allam循环发电集成系统的热力学特性分析

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西安交通大学学报 2023年第9期57卷 1-9页

作者：李喆王可可王顺森李博颜晓江王江峰西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

为充分利用可再生能源和提高发电系统效率,提出了一种基于固体氧化物的电解水制氢储能与Allam循环发电的集成系统。将高效率的Allam循环应用于电解水制氢储能系统,电解水储能系统负责为Allam循环提供燃料和纯氧,建立了该系统的热力学计... 详细信息

为充分利用可再生能源和提高发电系统效率,提出了一种基于固体氧化物的电解水制氢储能与Allam循环发电的集成系统。将高效率的Allam循环应用于电解水制氢储能系统,电解水储能系统负责为Allam循环提供燃料和纯氧,建立了该系统的热力学计算模型。通过Matlab自编程对该系统进行了仿真计算,重点分析了透平进出口参数、动力设备等熵效率、电解效率和循环最低温度对储能-发电系统的影响规律。结果表明:在设计工况下,集成系统效率达到54.47%,储能密度为214.85 kW·h·m-3。存在最佳透平进口温度、最佳透平进口压力、最佳透平出口压力使系统效率达到峰值。相较其他动力设备,透平内效率对集成系统性能影响最大,透平内效率从82%增大至92%,集成系统效率提高了2.55%。降低发电循环的最低温度可以提升集成系统性能,当循环最低温度从26℃降低至-4℃,集成系统效率提高了6.03%。该研究对发展新型大规模电储能技术具有一定的借鉴意义,参数分析结果可为工程实际应用提供理论支撑。

关键词：电解水 Allam循环集成系统热力学分析

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基于热能深度梯级利用的耦合供热变工况研究

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中国电力 2022年第9期55卷 204-212页

作者：乔加飞梁占伟张磊王顺森国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京102209 国能国华(北京)电力研究院有限公司北京102209 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

为了实现燃煤机组节能减碳,提出了基于热能深度梯级利用的热电联产机组耦合供热系统,建立了基于热分析法的热电联产机组供电和供热能耗评价模型,基于热力系统集成优化软件(thermal power integration scheme, TPIS)仿真计算了热电联产... 详细信息

为了实现燃煤机组节能减碳,提出了基于热能深度梯级利用的热电联产机组耦合供热系统,建立了基于热分析法的热电联产机组供电和供热能耗评价模型,基于热力系统集成优化软件(thermal power integration scheme, TPIS)仿真计算了热电联产机组耦合供热系统的能耗,研究了耦合供热系统的变工况运行能耗,结果表明:不同耦合供热方式变工况运行可实现供水温度范围为44~90℃,热指数随着机组负荷升降呈现不同的变化趋势,不同耦合供热方式的机组热效率均随着600 MW亚临界湿冷机组的负荷增加而降低,均随着660 MW超临界空冷机组的负荷增加而增加,机组热效率为63%~80%。研究成果可为热电联产机组变工况运行优化和节能减碳提供技术支撑。

关键词：热电联产耦合供热高背压背压机变工况特性

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船舶管线智能布置的优化Astar算法

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西安交通大学学报 2022年第12期56卷 108-117页

作者：李喆王顺森李勇吴君颜晓江徐耀博西安交通大学叶轮机械研究所西安710049 武汉第二船舶设计研究所热能动力技术重点实验室武汉430205

针对船舶的复杂管系布置设计工作量大、效率低下且依靠经验等问题,提出了一种船舶管线智能布置的优化Astar算法,建立了用于计算机识别的船舶虚拟布置空间模型,包括相关设备模型、管线简化模型、布置约束模型和栅格模型。对传统Astar算... 详细信息

针对船舶的复杂管系布置设计工作量大、效率低下且依靠经验等问题,提出了一种船舶管线智能布置的优化Astar算法,建立了用于计算机识别的船舶虚拟布置空间模型,包括相关设备模型、管线简化模型、布置约束模型和栅格模型。对传统Astar算法进行优化,基于管线长度、拐角个数和栅格能量值对代价函数进行重新设计,引入方向概率系数和能量值提高管线布置结果的确定性。通过案例的仿真模拟,探究了方向概率系数、能量值对于管线布置速率和质量的影响。结果表明:与传统Astar算法以及遗传算法相比,所提优化Astar算法的拐角个数分别减少了87%、50%;路径搜寻时间分别降低了67.5%、51.5%,进一步提高了管线布置效率。与传统Astar算法相比,优化Astar算法生成的船舶管线长度减小了49.8%,降低了管路成本,说明了该智能布置算法的适配性和优越性,对于实际船舶管线布置具有一定的借鉴性和指导性。

关键词：船舶管线智能布置优化Astar算法

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热电联产机组新型高效耦合供热技术研究

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热力发电 2022年第1期51卷 130-138页

作者：王祖林梁占伟张磊乔加飞王顺森神华河北国华定州发电有限责任公司河北定州073000 国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京100024 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

热电联产机组多种新型高效供热技术耦合供热是实现热能梯级利用和提高资源综合利用效率的有效途径之一。提出了一种新型高效的耦合供热技术方案,建立了基于热量分析法和[火用]分析法的能效评价方法,计算了纯凝工况、抽汽供热工况、耦合... 详细信息

热电联产机组多种新型高效供热技术耦合供热是实现热能梯级利用和提高资源综合利用效率的有效途径之一。提出了一种新型高效的耦合供热技术方案,建立了基于热量分析法和[火用]分析法的能效评价方法,计算了纯凝工况、抽汽供热工况、耦合供热工况的热效率、热指数、供电煤耗及供热煤耗。结果表明:基于热量分析法计算得到耦合供热方式比抽汽供热的热效率高19.59百分点、热指数高2.61百分点、供电煤耗低76.23 g/(k W·h);基于[火用]分析方法计算得到耦合供热方式比抽汽供热的[火用]效率高3.61百分点、[火用]指数高0.60百分点、供电煤耗降低21.62 g/(kW·h)、供热煤耗降低0.09 kg/GJ;基于[火用]分析法得到的抽汽供热的供电煤耗反而比纯凝工况的供电煤耗高;通过对抽汽供热的抽汽工况对比得到全厂最大供电量工况。研究结果为新型高效供热技术应用提供参考。

关键词：热电联产冷端余热高背压背压机抽汽供热

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在煤富氧燃烧下的超临界CO_2再压缩循环的热力学分析

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西安交通大学学报 2018年第11期52卷 100-105页

作者：冯雪佳王顺森西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

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43.7... 详细信息

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。

关键词：富氧燃烧超临界CO2 分析热集成

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采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置

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西安交通大学学报 2023年第6期57卷 172-180页

作者：李喆吴君王顺森李勇颜晓江程上方刘观伟西安交通大学叶轮机械研究所西安710049 武汉第二船舶设计研究所热能动力技术重点实验室武汉430205

针对船舶管路设计中的路径寻优问题,提出了一种采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置方法。首先,建立了船舶管路布置空间模型,包括网格单元模型、管路简化模型、设备障碍物模型和约束规则模型。其次,对传统遗传算法进行了优化设计,在种... 详细信息

针对船舶管路设计中的路径寻优问题,提出了一种采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置方法。首先,建立了船舶管路布置空间模型,包括网格单元模型、管路简化模型、设备障碍物模型和约束规则模型。其次,对传统遗传算法进行了优化设计,在种群初始化阶段,加入障碍物判定函数替换以往其他研究采用的罚函数;在交叉和变异过程,引入A星算法生成子路径;引入父子比较环节,每经过交叉、变异一次,便比较一次父代与子代的适应度值;在选择操作中,对传统的轮盘赌方法进行改进,引进个体的相似度比例,个体的被选择概率由相似度比例和适应度值共同决定。最后,对所提优化A星-遗传算法和粒子群、A星、迷宫-遗传算法进行了仿真对比实验。结果表明:A星-遗传算法在管路的长度、拐角数、能量值、适应度值、最优解次数和平均收敛代数等6项指标上均得到了最优值;与同为混合算法的迷宫-遗传算法相比,优化A星-遗传算法在两个案例中的最优解次数分别增加了44.4%、100%,平均求解时间分别减少了57.6%、58.1%,平均收敛代数分别减少了36.9%、44.1%。A星-遗传算法在保证管路布置质量的同时,有效提高了寻优效率,其对于船舶管路智能布置的适配性和优越性得到了验证,对提高船舶产业生产力具有一定的意义。

关键词：船舶管路智能布置优化设计 A星-遗传算法

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高温高压蒸汽管道颗粒运动及分离特性研究

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西安交通大学学报 2022年第2期56卷 47-56页

作者：阮班铖蔡柳溪李云王顺森颜晓江毛靖儒西安交通大学化学工程与技术学院西安710049 西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

为了彻底解决锅炉管系脱落的氧化皮颗粒对汽轮机叶片冲蚀损伤、阀门卡涩、抽汽及疏水系统堵塞等问题,以某超超临界汽轮发电机组主蒸汽管路为原型,对蒸汽管道内的汽固两相流动进行了系统的数值模拟分析,探索了颗粒尺寸、蒸汽参数、弯管... 详细信息

为了彻底解决锅炉管系脱落的氧化皮颗粒对汽轮机叶片冲蚀损伤、阀门卡涩、抽汽及疏水系统堵塞等问题,以某超超临界汽轮发电机组主蒸汽管路为原型,对蒸汽管道内的汽固两相流动进行了系统的数值模拟分析,探索了颗粒尺寸、蒸汽参数、弯管曲率半径对氧化皮颗粒运动行为的影响。在此基础上,利用蒸汽管道原有弯管结构设计了弯管颗粒分离器,并对其分离特性、压损特性和热力系统经济性进行了系统的计算分析。结果表明:氧化皮颗粒进入蒸汽管道弯管后,在离心力作用下,所有尺寸颗粒均会向管道压力面逐渐贴近集中,颗粒尺寸越大,弯管的曲率半径越大,蒸汽参数越低,氧化皮颗粒在弯管出口截面上就越集中;在最佳抽汽占比M为0.50%工况下,弯管颗粒分离器对100μm以上氧化皮颗粒的分离效率达到90%以上,分离装置对主蒸汽产生的压力损失约为21 kPa;提出将分离后的汽固两相混合物净化后输送到最高参数的高压加热器进行回收利用的方案,不同抽汽比工况下颗粒分离和蒸汽回收工艺对机组热耗和功率的影响均小于0.2%。该研究结果对于延长火电机组关键设备高效服役寿命具有重要意义。

关键词：主蒸汽管道弯管分离器汽固两相流数值模拟热力系统

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多元催化剂活性组分及助剂配合对V型火焰法制备碳纳米管的影响

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化工新型材料 2022年第6期50卷 197-202页

作者：孙亚萍乔加飞刘燕郝卫王顺森国能国华(北京)电力研究院有限公司北京100024 中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司北京100040 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为实现在燃煤锅炉中批量生产碳纳米管,深入研究火焰法制备碳纳米管具有重要的意义。选用α-Al_(2)O_(3)作为催化剂载体,采用浸渍法制备催化剂,通过V型火焰燃烧器制备碳纳米管。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪表征产物形态及石墨化程度... 详细信息

为实现在燃煤锅炉中批量生产碳纳米管,深入研究火焰法制备碳纳米管具有重要的意义。选用α-Al_(2)O_(3)作为催化剂载体,采用浸渍法制备催化剂,通过V型火焰燃烧器制备碳纳米管。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪表征产物形态及石墨化程度,分析不同催化剂对产物形貌及性质的影响。采用X射线衍射仪、氮气吸附-脱附及氢气程序升温还原表征不同催化剂的物理及化学性质,分析催化剂的催化机理。结果表明:开发的新型FeNiCr和CoFeCr三元催化剂,能够合成大量簇状碳纳米管;铬不适于做活性组分,在催化剂中起到分散剂的作用,能够促进碳纳米管簇的形成;催化剂孔容和孔径的增加有助于提高产量并形成簇状产物;相比于镍,铁和钴更适于做多元催化剂的活性组分且更易形成高质量且杂质少的碳纳米管。

关键词：簇状碳纳米管多元催化剂组分配合 V型火焰法

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