Modelling and simulation of steam turbine processes: individual models for individual tasks

Within power plants, several physical, chemical and mechanical processes are conducted to transfer the energy, stored in fossil fuel, into electrical energy. This energy conversion is divided into several stages. Hitherto, the largest conventional power plants employ steam turbines as prime movers to drive a generator. Hence, a steam turbine is one module to convert heat energy into mechanical energy. And thus it is one link in the chain of energy conversions with the aim of generating electrical energy. Today, steam turbine industry faces numerous challenges concerning efficiency, commissioning time, start-up times, operation, availability, safety, cost-effectiveness, etc. Many of these tasks can be supported by simulating the transient operational behaviour of the turbine in advance. For example, the commissioning time can be shortened if the turbine controllers are initialized with well-tuned pre-set parameters; cost-effectiveness can be increased by setting aside unnecessary devices and exactly determining material specifications; safety may be increased by predicting the impacts of failures and thus taking the necessary precautions. Different tasks require different details regarding the employed turbine simulation model. Thus, the turbine controller may be well tuned with less complex simulation models of turbine, generator and electrical grid, whereas detailed studies of failures, mainly the transient behaviour which may lead to serious damages, may require detailed modelling of the turbine-internal thermodynamic processes. Here, a brief overview of models which simulate the transient thermodynamic behaviour of a steam turbine is presented. Three different approaches will be introduced and compared with respect to different operating situations. Also, special attention is directed towards the time dependence of critical states, mainly turbine speed and pressure development in certain areas. The first model is based on a simple, linear approach and is suitable of giving a quick overview. The second one incorporates more details and is useful if the operating point is close to the design point. Finally, the last model incorporates mass and energy balances as well as the major non-linearities. Hence it depicts the turbine behaviour over a large range of operating points.     

花状微球NiO/CeO_2催化剂上乙醇水蒸气重整制氢研究

用水热法制备微米尺寸CeO2花状微球粉体,并通过浸渍/热分解法在该粉体上担载纳米尺寸的NiO颗粒,制得催化剂NiO/CeO2。对催化剂进行了XRD、SEM、XES和BET物性表征。经固定床反应器对催化剂的催化性能进行测试。装载1.0 g催化剂,液体处理量0.05 mL/min。结果表明,该方法合成的催化剂NiO/CeO2对低温乙醇水蒸气重整反应表现出较高的活性和稳定性。同时通过微量Cr、Zn、Cu的加入在低温区抑制了CO、CH4的生成,提高了H2的产率和催化剂的抗积炭能力。该催化剂连续稳定性测试达到2 000 h;进行反复起动稳定性测试12次后,未表现出失活特征。     

乙醇水汽重整制氢反应中钯铜合金膜的透氢性能

 采用真空化学镀技术制备了厚度较薄的具有 fcc 结构的 Pd0.9Cu0.1/Al2O3 合金复合膜, 在 250~500 °C, 160~310 kPa 的乙醇水汽重整制氢模拟反应条件下, 考察了不同醇/水比的 H2-Ar-C2H5OH-H2O 混合气体系中该膜的透氢性能. 结果表明, 乙醇和水的存在均相同程度地降低了膜的透氢性能, 但测试条件下 Pd-Cu 合金膜仍保持完整的膜致密性和稳定的相结构. 在 500 °C, 310 kPa, H2-Ar-C2H5OH-H2O (H2:Ar:(C2H5OH+H2O) 体积比为 60:30:10) 混合气中, 膜的最大透氢量为 11.3 m3/(m2?h), H2 回收率大于 62.5%. Pd-Cu 合金膜在乙醇水汽重整制氢反应中具有潜在的应用前景.     

透平转子的可靠性设计

介绍透平转子的可靠性设计方法。该方法以传统的转子强度和振动的设计方法为基础,把透平转子的静应力、材料静强度、应力幅、尺寸系数、表面加工系数、应力集中系数、材料疲劳极限、热疲劳累积损伤程度、材料低周疲劳程度、蠕变寿命、固有频率、激振力频率、不平衡响应等处理为随机变量,使用机械概率设计法确定转子设计的可靠度。文中给出了透平转子静强度、疲劳强度、热疲劳、蠕变寿命、避开弯曲共振、避开扭转共振和限制不平稳响     

核动力航空推进探析

文献调研国外核动力航空推进相关技术研究,美国GE与PW公司通过ANP计划已试验验证了核动力航空推进的可行性;分析认为核动力航空推进当前最佳用途是长航时无人机与巡航导弹动力,关键技术是核屏蔽的轻量化设计、热交换效率与速率、热力系统设计与新型结构问题;核动力航空推进若采用蒸汽介质的二回路闭式循环驱动螺旋桨,蒸汽透平及动力系统设计没有技术障碍,闭式循环蒸汽流量关键取决于蒸汽透平汽耗率与热交换循环时间。     

低压蒸汽滴状冷凝传热性能的实验研究

实验研究了不同水蒸气压力条件下的滴状冷凝传热特性。10 kPa、40 kPa和70 kPa时的传热系数分别是常压下的56%,68%和81%。随着水蒸气压力的下降,液滴脱落直径变大,液滴生长周期延长,冷凝传热系数下降。通过液滴的动力学特性分析和基于界面效应的滴状冷凝传热模型,分析了低压对水蒸气冷凝传热的主要影响因素,压力变化主要影响了分子扩散率和气-液相际传热热阻,导致总冷凝传热系数随压力下降。     

蒸发器出口状态热式测量的实验研究

根据热式感应原理,专门设计热式感应传感器,用于测量蒸汽压缩制冷循环中干式蒸发器出口的气液两相流动状态;热式感应传感器的测量数据与蒸发器出口流型、过热度等参数的综合比较分析表明:热式感应传感器可以辨识出蒸发器出口过热蒸汽、雾状流和二者交替三种流动状态.同时,实验数据表明蒸发器出口处于过热蒸汽、雾状流二者交替的过渡区时其换热效率最佳,因此热式感应传感器可以用于作为膨胀阀-干式蒸发器调节回路的反馈信号.应用热式感应传感器对蒸发器出口状态的随机性和周期性波动的测量证明:热式感应传感器动态性能良好,可以实时反映蒸发器出口状态变化.     

锰掺杂的钙钛矿型钛铌酸盐基复合阴极高温电解水蒸气

通过在氧化还原稳定的钙钛矿材料钛铌酸盐的B位晶格中掺杂具有氧化还原活性的锰元素提高固体氧化物电解池复合电极电催化性能．研究发现,锰元素成功取代钛铌酸盐B位的Ti／Nb．掺杂后的样品的离子电导率在800℃下的氧化气氛和还原气氛下的离子电导率分别提高了约1和0．5个数量级．基于掺杂后的钛铌酸盐基复合阴极,氧离子传导型固体氧化物电解池电解水蒸汽的电流效率在有和无还原气体保护下分别提高了25％和30％．     

试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究

以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象,首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果,提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D;随后,在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程,讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时,初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性;当试样尺寸整体缩放时,较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后,结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．     

汽爆技术促进中药资源高值化利用

汽爆技术在中药资源高值化利用中发挥的作用正在逐渐体现:汽爆处理打破中药植物细胞壁的屏障结构,有利于有效成分的分离提取;汽爆过程物料自体水解发生去糖苷化作用使天然植物中的苷元与糖基分离,提高苷类物质提取和分离效率;汽爆应用于中药炮制和中药脱毒有高效、快速和避免有效成分流失等优点;汽爆处理有利于中药非药用组分如纤维素、半纤维素等的有效分离和利用,联产乙醇、丁醇等能源和化工产品。本文对汽爆技术在中药资源高值化利用中的研究进展进行了综述。