干湿复合冷却系统多尺度热质传递特性及气象条件自适应机制

As a necessary measure to further improve the energy efficiency of power generation system, a dry/wet hybrid cooling system is developed to meet the demand of heat load centralized emission with high efficiency at the cold end of the coal-fired power generation, especially for complex environmental and meteorological conditions. Both the heat and mass transfer coupling mechanism among the multi-scale thermal equipments in the thermodynamic system, and the meteorological parameter adaptable regulation mechanism of the dry/wet hybrid cooling system have an academic significance. In the project, the different characterization methods of heat and mass transfer processes in various thermal equipments will be explored on both meso-and macro-scale. Meanwhile the multi-scale strong coupling simulation code of heat and mass transfer will be developed, based on Lattice Boltzmann Method (LBM), proper orthogonal decomposition (POD) and computational fluid dynamics (CFD) approaches. Combining the POD and experimental methods, the coupling mechanisms among different scale equipments will be studied, and then the principles of system integration, equipments matching and structure optimization will be proposed. The predicting and decision models will be established by researching the influence of the mechanism of meteorological parameters such as air temperature, air humidity, wind velocity, and wind direction to the thermodynamic system. Furthermore, the adaptable regulation mechanisms of the system to meteorological parameter will be studied as well as the optimal operation mechanism under all working conditions will be revealed. From the perspectives of design and operation, this study will establish scientific theoretical basis for water and energy saving of a coal-fired power plant on equipments and system in the dry/wet hybrid cooling tower.

发展满足燃煤发电冷端热负荷在复杂环境气象条件下高效集中排放的干湿复合冷却系统，是进一步提高发电系统能效的必要措施。在系统中研究各尺度散热设备间的热质传递耦合协同机理，揭示系统对气象条件的自适应调控机制具有重要学术意义。从介观和宏观两个层面，探索各尺度热力设备热质传递过程的不同表征方法。基于格子-玻尔兹曼（LBM）、本征正交分解（POD）和计算流体力学（CFD）方法，开发热质传递的多尺度强耦合模拟程序。结合POD和实验方法，研究不同尺度设备间的耦合机理，提出系统集成、设备匹配及结构优化等原则。研究多变的气象条件，如空气温度、湿度、风速、风向，对热力系统的影响机理，建立热力系统在气象条件影响下的预测和决策模型，进而研究系统对气象条件的自适应调控机理，揭示气象条件全工况最优运行机制。出发于设计和运行两个角度，从干湿复合冷却热力设备和系统两个层次上，为燃煤发电系统的节水节能改造奠定科学理论基础。

在实现 ”2030年碳达峰、2060年碳中和”的国家低碳硬指标进程中，各类新型高效发电系统引起了学者的广泛关注，如超临界二氧化碳发电循环系统。包括新型发电循环在内的发电系统，在复杂环境气象条件下高效集中排放的冷端机组是制约发电效率和安全运行的关键设备。本项目围绕发电系统冷端高效及其与发电系统的耦合机理，从三个方面，展开了深入研究。具体内容及结果如下：（1）开展了干湿复合冷却与发电系统的耦合理论分析，对比了空冷、湿冷及干湿复合冷却对发电系统效率的影响机制，从能量和火用两个角度分析了WCS、DCS和HCS循环在全负荷和部分负荷工况下的系统效率和部件火用损失分布。研究结果表明：干湿复合冷却系统保持与湿冷模式相同的冷却效率的情况下，具有良好的节水能力。（2）研究了全工况条件下系统的热力学特性及多变气象条件下电厂冷端系统的运行机制。结果表明，随着环境温度(WCS、HCS、DCS)的升高或相对湿度(WCS、HCS)的降低，S-CO2布雷顿循环的热性能逐渐变差。随着环境温度的降低和相对湿度的增大，HCS节水效果更加明显。以此为基础，对干湿联合冷系统（制冷量为2MW）进行了设计、加工及安装测试；（3）借助储能思想，引入水/氯化锂工质对吸收/发生蒸汽设备，提出并理论分析了火电机组的新型冷端夏季高效运行方案。研究结果发现：汽轮机背压波动率由原机组的78%降至6%，非常有利于电力系统的稳定安全运行，且能够解决夏季高温时电力供需不平衡问题。在该基金项目的支持下，共发表期刊论文5篇，其中SCI检索5篇（5篇的第一作者全是项目负责人）；授权发明专利1项，申请发明专利6项，授权实用新型专利5项。培养博士研究生1名（已毕业）；培养硕士研究生3名(毕业2名，在读1名)。进行国际交流1次，参加国内学术会议6人次。