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2024年 第11卷 第4期
2024,
11(4):
1-15. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.01
摘要:
Introduction The new generation of the Internet of Things (IoT) is being fostered in the era of Internet of Everything (IoE), realizing its diverse development by selecting and combining new information, functions, and applications. The Energy Internet of Things (Energy IoT) which is based on IoT, envisions a future where physical things are connected through a dynamic network that exchanges information and energy. The Energy IoT is giving rise to new service models and methods for organizing, exchanging, and managing energy; It covers not only new concepts such as Energy-as-a-Service and Prosumer, but also leads to innovative applications in smart buildings, intelligent metering, smart grids, distributed energy, virtual power plants and more. Method This paper analyzed the current status of the Energy IoT, including its key industry drivers, potential technologies and applications, challenges and related research areas. Result This paper discusses and compares the definitions of Energy Internet and Energy IoT from academic and industry perspectives. And it analyzes some major stages and issues of future research in the Energy IoT. Conclusion This paper provides a useful reference for further research and practical applications in the field of Energy IoT.
2024,
11(4):
16-22. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.02
摘要:
目的 CO2催化加氢合成燃料是一种经济可行、可大规模实施的CO2利用技术，能够解决环境和资源短缺的问题，近年来获得了国内外广泛的关注。文章旨在研究开发1种CO2催化加氢合成碳氢燃料的微通道反应器。 方法 通过采用热力学计算-催化剂制备-反应器设计-结构优化-性能测试的设计思路进行分析。 结果 热力学理论分析表明：CO2催化加氢可以形成碳氢燃料；开发了6种铁基催化剂，从而提高碳氢燃料合成的反应速率；基于流体数值模拟，设计并优化了微通道反应器的结构，该反应器具有结构简单紧凑、传热传质能力强等优点。实验结果表明：Zn-Fe催化剂表现出最好的CO2催化加氢合成低碳烯烃性能，CO2转化率和低碳烯烃选择性分别为32%和44%。 结论 设计的微通道反应器具备CO2资源化利用合成碳氢燃料的功能，对我国应对气候变化、双碳目标实现以及碳氢燃料产业发展具有重要的意义。
2024,
11(4):
23-30. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.03
摘要:
目的 为解决太阳能海水淡化器件成本高、制备工艺复杂的难题，选择具有重量轻、成本低、合成及提纯工艺简单等优点的有机小分子光热材料作为太阳能吸收材料。 方法 利用1种有机共轭小分子Y6，与低成本的纤维素纸结合，制备了在350~1000 nm范围内宽光谱吸收的高光热转换性能的Janus结构水蒸发器。 结果 蒸发器的下表面具有高效的水粘附性，利于高速集水，而蒸发器的上表面具有拒水性，能够达到理想的自漂浮能力。并且每3.14 cm2的器件仅需0.5 mg光热材料就能实现超过70 ℃的温度，节约用料优势明显。 结论 在1.0 kW/m2太阳光辐照下，基于Y6的蒸发器的光热能量转换效率为64.4%，蒸发速率高达1.13 kg/(m2·h)，明显高于对照的纤维素纸蒸发器。经过太阳能蒸发脱盐后，得到的纯化水的离子浓度相比于初始的模拟海水显著降低4~6个数量级。该蒸发器与热电器件集成，在1.0 kW/m2太阳光照射下，蒸发速率达到1.02 kg/(m2·h)，同时还产生了55 mV的输出电压。研究结果表明，基于有机小分子Y6的太阳能蒸发器，在光热水净化和热电发电协同作用方面具有良好的应用前景。
2024,
11(4):
31-41. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.04
摘要:
目的 伴随以新能源为主体的能源互联网架构的构建，特高压直流输电工程成为电力输送的重要方式，电网呈现出“强直弱交”新特性。同步调相机凭借其无功响应速度快、电压支撑能力强等良好的动态特性，在应对电网“强直弱交”特性中具有独特优势。 方法 为研究调相机在特高压直流工程中的应用，总结了调相机的发展历史，介绍了火电机组改造调相机、新一代大容量调相机、分布式调相机等国内几种主要类型的调相机的发展现状，分析了调相机的工作原理和动态特性，梳理了调相机较SVC等无功补偿装置具备的优势、大容量调相机与分布式调相机各自的适用场景和现有配置策略。 结果 在PSCAD/EMTDC平台搭建含调相机的直流送出系统仿真模型，仿真验证了调相机对受端换相失败和换相失败引发的送端暂态过电压的抑制能力、调相机在滞相运行下的动态无功补偿能力。 结论 分析表明调相机可以对暂态过电压和换相失败产生良好抑制作用，滞相运行不会影响调相机的无功响应速度和动态无功支撑能力，具有参与换流站稳态补偿的工程应用前景。
2024,
11(4):
42-53. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.05
摘要:
目的 随着“双碳”目标以及各地推出的新能源配置储能政策的推行，文章进一步明确分布式储能在新型配电网中发挥的作用及储能系统配置方案。 方法 首先，总结归纳新型配电网分布式储能系统的配置需求，根据不同应用需求分析了分布式光伏储能系统的结构；其次，为了实现配置储能经济最大化，结合各地配置储能政策要求，阐明分布式储能系统的配置方法；最后，归纳分析了当前选址定容的常用算法，在此基础上给出研究建议。 结果 配置储能需在明确需求的基础上，选择合适的拓扑结构，基于配网供电稳定性、安全性、经济性等指标综合优化给出配置方案。 结论 分布式储能技术是新型配电网的关键技术，是解决配电网安全稳定运行的重要手段，需要进一步研究其优化配置方案及相关调控技术，才能更好地发挥作用。
2024,
11(4):
54-64. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.06
摘要:
目的 压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是1种可大规模储存电力能源的技术，其规模仅次于抽水蓄能，储气装置是其重要的组成部分。国内外已投入商业运行的压气储能电站的储气装置多为盐穴、废弃矿坑等天然地质构造，大规模长时压缩空气储能有赖于更具经济性及广泛适用性的储气装置。 方法 人工地下洞室储气库较大程度上摆脱了压缩空气储能电站对于特殊地质条件的依赖，成为大规模建设长时压气储能电站的有力支撑，但国内外相关研究成果较少，摸清国内外研究现状，总结其他行业先进经验，理清该领域亟待突破的难题，对于大规模建设压气储能电站具有重要意义。 结果 压气储能电站地下人工洞室与天然气储气库及水电输水隧洞等常规人工洞室运行特点有较大不同，目前对于该领域尚缺乏成熟的设计方法与规程规范，有诸多关键技术仍有待解决，文章对压气储能电站地下人工洞室的特点及重点研究内容进行了梳理。 结论 创新是自主建设压缩空气储能电站地下硬岩储气库的唯一出路，在安全的大前提下兼顾经济性并突破，该技术对丰富我国储能发电技术，完善新型电力系统具有重大的现实意义，若该技术发展成熟，可为我国新型电力系统的构建提供强大的保障。
2024,
11(4):
65-75. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.07
摘要:
目的 针对现有通信条件难以满足海上风电场工程智慧运维和生态环境监测的需求，探索提出5G定制网方案，以解决海上风电场信号通达性差、网络覆盖不全以及流畅性低的问题。 方法 提出利用5G定制网技术打造了综合运维与监测方案，具体如下：通过在室外部署5G宏基站、塔筒内部署5G室分、水下铺设光网，实现风电场通信网络的立体覆盖；基于5G切片技术，实现一网多用以满足海上风电场对网络差异化的需求；在集控中心机房部署算力节点，通过边缘UPF（用户平面功能）转发专网数据实现算网融合。 结果 文章提出的基于5G技术的海上风电场智慧管理与生态环境监测方案已依托项目进行试点测试，测试结果表明5G基站的最大有效覆盖半径达到11.3 km，稳定传输上行速率达到5 Mbps，满足海域的观测数据回传、无人船视频回传的需求；通过在升压台和风机部署2个2.1G的8TR增强基站提升海域覆盖，绕风电场拉网测试验证了5G专网能够有效地覆盖风电场，覆盖率98.4%，可满足风电场的信号覆盖需求。 结论 通过5G专网覆盖风电场水上海域，通过STN（智能传送网）+水下光网实现水下通信，从而首创性地构筑了立体的海洋监测通信网络，为实现海上风电场的智慧管理与生态环境监测奠定了通信基础。
2024,
11(4):
76-87. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.08
摘要:
目的 随着海上风电场不断增加，海域使用矛盾也越来越严重，海上风电和渔业养殖融合发展吸引越来越多的关注，并陆续提出了不同类型的风机基础融合养殖网箱的结构设计。这些设计多数处于概念设计阶段，距离工程应用还有比较遥远的距离。 方法 文章基于网衣质量相等、网衣附加海生物质量相等、网衣水动力性能等效的要求，提出高效的网箱等效载荷计算方法。根据14 MW风机设计载荷和海洋水文条件，设计适用于14 MW海上风机的导管架基础结构，并融合内网箱和外网箱，设计出2种导管架基础与海洋养殖网箱融合系统。基于Morison模型，考虑非线性波的影响，根据提出的网箱等效建模方法在SACS对不同设计进行静力分析。 结果 研究表明，内外网箱与导管架融合设计对整机频率一二阶影响较小可忽略不计，对三阶频率影响较大；转角工况是控制工况，增加内外养殖网箱后需对导管架基础进行局部加强，14 MW海上风机导管架基础与内网箱或外网箱融合的设计方案的计算结果均满足规范设计要求。 结论 研究结果可为海上风机基础与海洋养殖网箱融合系统设计的工程应用提供参考。
2024,
11(4):
88-101. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.09
摘要:
目的 针对海上换流站的特点，提出海上换流站无线通信系统设计方案。 方法 通过分析海上无线通信技术的特点以及目前的应用情况，结合海上换流站在设备运行、厂站警戒、人员活动等方面的需求，提出海上换流站无线通信系统的配置方案。 结果 通过NAVTEX系统，实现了接收天气和安全信息的需求。通过雷达光电系统和VHF对船通信系统，实现了船舶入侵驱离的需求。通过UHF集群对讲系统、WiFi和移动通信系统，实现了人员日常通信的需求。通过救生艇应急通信系统、微波通信系统和卫星通信系统，实现了人员紧急避险的需求。 结论 研究的系统实现了海上换流站日常运维过程中基本的通信需求，确保设备和人员的安全，为海上换流站无线通信系统设计提供指导。
2024,
11(4):
102-110. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.10
摘要:
目的 为实现“双碳”目标，电源侧的绿色低碳转型是广东实现绿色低碳转型的关键。同时，紧紧围绕新能源发展构建高比例新能源的多元电源支撑体系也是广东建设新型电力系统的重中之重。因此，提前谋划面向碳中和的广东电源结构具有十分重要的意义。 方法 在对广东省远景能源供需格局进行研判的基础上，统筹低碳转型和能源安全，考虑非化石能源消费比重、资源条件、电力供应平衡3个方面约束，提出广东面向碳中和的电源发展思路，对不同转型路径进行分析，并提出相关建议。 结果 研究表明，碳中和时期，广东省电源总装机规模预计将达到当前电源装机规模的3倍左右；电源供应主体由当前的“火电+核电+外电”组合，转变为“新能源+核电+外电”组合，非化石能源装机比重达到80%，其中，省内新能源装机比重达到50%。 结论 广东省的电源结构调整前景看似乐观，然而，这个过程仍然面临政策、技术、产业和市场等诸多挑战，建议转型过程中关注火电在电力系统中的定位转变、保障非化石能源发展关键要素、重视新型电力系统调节能力建设；为了满足碳中和时期广东两倍于现状的电力消费需求，更为重要的是需特别关注引领电源结构清洁低碳转型的科技创新问题，通过科技创新推动新能源类型、能源新技术的探索，向能量密度更大、能效转换效率更高的方向发展。
2024,
11(4):
111-117. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.11
摘要:
目的 “双碳”目标愿景下，新型电力系统变电站建设势在必行。 方法 为推动传统变电站向新型电力系统变电站转型升级，通过分析电力系统中变电站的角色转换、功能定位与建设方案，提出1种新型电力系统变电站全生命周期的绿色低碳建设方案。从聚焦电气设备、建筑结构、建筑设备、综合能源等方面，降低变电站全生命周期碳排放，支撑新型电力系统变电站建设及运行全环节绿色低碳。 结果 结果表明：与常规变电站相比，采用所提绿色低碳建设方案后，不仅提高可再生能源开发利用水平，加快电网低碳升级，还能够推动电网设备节能降耗，降低变电站碳排放与运维成本，提高变电站基础资源利用水平，从而提高了变电站的综合经济效益。 结论 文章所提绿色低碳建设方案具有一定的普适性与可复制性，能够为变电站的转型过渡提供理论与实践指导，为电网低碳化发展奠定基础。
2024,
11(4):
118-126. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.12
摘要:
目的 为了提高换热效率，核电厂的凝结水管线、主给水管线、疏水管线及部分抽气管线管道外侧均加装了包覆层，目前对于铁磁性管道的检测手段主要为常规超声技术及超声导波技术。上述检测技术受限于检测环境及前提条件，检测难度较大。文章旨在提高带保温层管道的检测效率，丰富技术手段，缩短检修工期，提高核电厂经济效益。 方法 通过研究核电站低频电磁干扰下脉冲涡流检测方法的可行性和可靠性，利用感应电压测量值与计算值建立最优化参数反演问题，并结合参数之间的耦合关系式，根据管道脉冲涡流场时域解析解的基础上，建立感应电压测量值与计算值特定关系式，建立最优化参数反演问题，并结合参数之间的耦合关系式，提出1种针对核电厂带保温管道在役运维的脉冲涡流检测技术。 结果 利用文章提出的铁磁管道相对壁厚脉冲涡流检测方法对核电厂在役样管进行检测，并将检测结果与常规超声检测结果进行对比，得出二者检测结果误差在5%左右。 结论 脉冲涡流检测结果可靠，适用于核电厂铁磁管道壁厚腐蚀减薄的无损检测与评估。
2024,
11(4):
127-136. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.13
摘要:
目的 在低压配电网中，作为用电安全的一种重要保障，剩余电流保护装置可减小用电器发生漏电故障而带来的危害，还可预防人体触电事故的发生。当前剩余电流保护装置依靠剩余电流信号大小作为保护机构动作的依据，无法识别触电特征。针对这个问题，文章提出了1种基于小波分解降噪与GRU的低压配电网触电信号特征提取及触电诊断的方法。 方法 文章对触电实验采集的剩余电流进行降采样和离散小波降噪等预处理；采用滑动窗口法提取剩余电流的时频域触电特征参数，利用傅里叶变换提取剩余电流对二次谐波幅值特征参数；提取的全部特征参数组成1个高维特征空间向量；采用主成分分析法对高维特征空间向量进行降维处理后得到1组新的三维特征向量；建立触电诊断模型，并将代表触电特征的三维特征向量作为该模型的输入量；运用门控循环网络（GRU）等5种不同的触电诊断模型对触电信号进行对比实验。 结果 实验结果表明：基于GRU的触电诊断模型的收敛效果较好，识别率达到98.33%。 结论 该方法对新一代的剩余电流保护装置的研究与开发提供了新的思路，为用电安全提供了有效保障。
2024,
11(4):
137-143. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.14
摘要:
目的 核电厂汽水管线一般在管道外壁加装保温层，从而提高换热效率。目前对于铁磁性管道的检测手段主要为常规超声及超声导波，检测前需要将管道外壁保温层拆除，导致检测工期延长，人力成本增加，无法达到核电厂高质量发展的要求。核电厂脉冲涡流技术的应用可以省去保温层的拆装，实现不停机在线筛查。检测线圈的放置方式对缺陷的检出能力是脉冲涡流技术重要指标。 方法 文章利用ANSYS中的Maxwell模块进行管件建模及仿真，分别设计同轴式与垂直式检测线圈，保持提离距离、材料一致及其他条件一致下，模拟脉冲涡流对平底缺陷的检测能力。选取核电厂样管进行同轴式与垂直式脉冲涡流测试，将脉冲涡流（Pulsed Eddy Current Testing，PECT）测试结果与超声测厚进行复核，对比两种线圈放置方式对脉冲涡流检测的影响。 结果 研究表明：垂直式线圈相对于同轴式线圈对缺陷检出效果更佳。 结论 核电厂脉冲涡流技术的应用对脉冲涡流技术在核电领域实施具有重要意义。
2024,
11(4):
144-155. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.15
摘要:
目的 某燃气轮机电厂的GE-PG9351FA型燃气轮机发电机组，目前采用DLN2.0+燃烧器，设计NOx（氮氧化物）排放浓度为50 mg/m3，启动过程中大量排放黄色烟雾，已无法满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）要求，频繁遭到周围居民举报。根据江苏环保排放新规，自2023年1月1日起，NOx折算排放全程小时均值均小于30 mg/m3。针对该种型号燃烧器进一步降低NOx且解决启动过程中硝黄烟排放的需求，电厂采用余热锅炉烟道SCR脱硝改造技术，且对启动过程各指标控制进行数据模拟推演、分析总结，提炼出合理的启动操作方法。 方法 为验证该操作方法的可行性，电厂进行了多次调峰启动过程操作试验，并根据实际NOx排放特性修正操作方法中的启动时刻、燃气轮机负荷控制、SCR脱硝系统投入节点，形成最优化操作法。 结果 试验结果表明：在优化电厂SCR脱硝系统投入时刻、燃气轮机启动时刻、并网后暖机负荷后，NOx折算排放全程小时均值均小于30 mg/m3，且硝黄烟排放现象消失。 结论 该操作策略是基于燃气轮机启动过程NOx与硝黄烟排放特性而得出，后期通过数据推演和大量试验验证，可为同类型燃气轮机启动过程降低氮氧化物与硝黄烟现象提供直接指导，并为燃气轮机电厂调峰运行的NOx排放控制提供分析借鉴思路。
2024,
11(4):
156-163. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.16
摘要:
目的 随着光伏、储能、新型建材及装配式建筑产业的发展，将光伏组件与屋面、墙体、遮阳等构件进行一体化设计与制造的光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）技术开始延伸为光伏储能建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic and Energy Storge，BIPVES）技术。 方法 文章提出世界首个可充电水泥电池，将建筑墙体与光伏发电装置、储放电装置相融合；对设备和材料进行跨界创新，在玻璃表面打印高清晰度、高透光率花纹图案，制造高效光伏建材；研发预制式储能墙体，与各类钢结构装配式建筑体系进行结合，实现订制式生产、装配式施工，形成建筑构件与光伏、储能一体化的变革趋势。 结果 水泥基电池实现了建筑墙体具有光伏发电、储电以及供电等多种功能；新一代光伏建材可节省建筑外立面装饰材料的成本，降低建筑物碳排放；光伏和储能等可再生能源技术在建筑中的一体化集成，可取得最大化收益。 结论 新型光伏建材技术和水泥电池等新型储能技术具有发展前景，将可充电电池构件、光伏外墙板与装配式建筑墙体及预埋件进行组合集成并推广应用具有可行性。
2024,
11(4):
164-171. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.17
摘要:
目的 随着“3060”双碳目标的进展，利用光伏和风电制取绿氢成为一个热门和前沿的方向。在氢气利用产业中的燃气轮机掺氢燃烧，则成为将氢转化成电能的最后一个环节。燃气轮机机组设置有调压站、前置模块和连接管道。前置模块对于混合气体的流量、压力、温度和颗粒含量均有要求，而调压站则为前置模块提供符合要求的混合气体供应，而中间的连接管道随布置不同，一般有1 000 m的长度。掺氢连接管道的阻力、温度降低等特性，对调压站的边界参数有直接影响。因此，有必要研究掺氢连接管道的阻力、温度降低等特性，为后续燃气轮机用掺氢管道设计提供工程用可实施解决方案。 方法 通过GT Pro软件的模拟计算，给出H燃气轮机在燃用掺氢天然气条件下燃料需求量，结合H燃气轮机前置模块对燃料的压力和温度的要求，给出掺氢管道的材质选择和流速选择，并结合混合气体的物理特性，计算管道的阻力和由于压力降低引起的温降。 结果 得出了燃气轮机掺氢燃烧时，掺氢连接管道的材质选择、管径选择、管道阻力和由于压力降低引起的温降。 结论 现阶段天然气调压站到燃气轮机前置模块的管道设计，在考虑具备掺氢条件时，需逐一评估核实管道材质、外径、壁厚、流速、管道阻力的情况，让燃气轮机在本阶段燃用天然气，在将来过渡到掺氢燃烧能顺利实施。
2024,
11(4):
172-179. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.18
摘要:
目的 文章针对全球首个500 kV海上升压站电气一次设备交接试验的电压施加方法、试验电压标准、试验套管布置方式以及试验项目顺序等多个问题进行了探讨。 方法 基于试验条件和试验要求，对试验电压值与设备的绝缘强度进行了比较和分析。根据GIS和电缆的结构特点，使用GIS和电缆联合试验的方法对电缆施加电压。考虑海上升压站的空间环境和最大绝缘距离，选择在升压站外面布置500 kV GIS耐压试验套管。通过比较500 kV和66 kV配电设备试验项目的试验电压值大小，合理地安排试验项目顺序。 结果 确定了主变中压绕组的耐压试验的电压施加方法、66 kV GIS试验的电压标准，以及电缆和GIS设备的试验项目顺序。在制造基地完成了变压器、电缆和GIS的交接试验。 结论 全球首个500 kV海上升压站电气一次设备的交接试验方法能简化试验准备工作，缩短试验工期，具有一定工程应用价值，可为其他海上升压站项目提供参考。
2024,
11(4):
180-189. doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.19
摘要:
目的 海上风力发电因其年均发电量高和发电稳定等优势，逐渐在全球能源结构转型中得到广泛应用。然而，由于海上风机建设在复杂多变的海洋环境中，这给海上风机基础的施工工艺和技术方案带来了巨大的障碍。 方法 文章以某海上风电场的建设项目为背景，具体分析了沉桩施工船舶、稳桩平台和液压打桩锤的选型标准与可行性。同时依据风机基础沉桩的施工要求，重点阐述了作业前的准备工作、稳桩平台的施工方案以及主-副吊船协同配合的风机基础沉桩作业，并进一步分析了风机基础沉桩中垂直度的控制与纠偏措施。 结果 钢管桩沉桩施工工艺可以有效地保障工程质量和进度预期，经济效益明显且安全可靠。在沉桩过程中，需对垂直度精度控制完成初调和终调。 结论 对海上风机基础沉桩施工技术的研究，将为类似的海上风机工程提供有益的参考和借鉴。
