2012年我國全年能源消費(fèi)總量已經(jīng)高達(dá)36億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，僅次于美國居世界第二位。在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭的比重近70%，其中一半被用于燃煤發(fā)電。截至2012年底，我國燃煤機(jī)組發(fā)電占總發(fā)電量比例超過78%，燃煤機(jī)組裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量都居世界前列。

燃煤發(fā)電不僅是我國一次能源最主要的消耗渠道，還是SO2、NOx和煙塵等大氣污染物排放的主要來源。近年來，火力發(fā)電行業(yè)開展“上大壓小”結(jié)構(gòu)調(diào)整，燃煤發(fā)電的煤耗水平逐年下降，但與國際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。有鑒于此，科技部于2009年立項(xiàng)啟動(dòng)了“大型燃煤發(fā)電機(jī)組過程節(jié)能的基礎(chǔ)研究”“973”計(jì)劃項(xiàng)目，力求為我國燃煤火力發(fā)電行業(yè)的深層次節(jié)能奠定科學(xué)基礎(chǔ)、解決關(guān)鍵技術(shù)問題。項(xiàng)目實(shí)施以來，在大型燃煤機(jī)組節(jié)能基礎(chǔ)理論、狀態(tài)表征手段、過程傳遞規(guī)律和節(jié)能技術(shù)方法等方面都取得了重要進(jìn)展。

能源動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能理論與方法

針對我國大型燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中面臨的煤質(zhì)多變、負(fù)荷多變和復(fù)雜環(huán)境條件等問題，同時(shí)，圍繞大型燃煤發(fā)電機(jī)組的共性特征：燃料化學(xué)能釋放、熱質(zhì)輸運(yùn)和熱功轉(zhuǎn)換過程與設(shè)備單元之間具有復(fù)雜的耦合關(guān)系，揭示出機(jī)組在不同負(fù)荷以及變工況運(yùn)行的全工況能耗分布。特別從設(shè)備、過程和系統(tǒng)耦合的角度，揭示出設(shè)備與過程性能的相互影響以及機(jī)組實(shí)際節(jié)能潛力在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組整體性能最優(yōu)奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)而，提出了負(fù)荷、煤質(zhì)和環(huán)境多變條件下機(jī)組能耗基準(zhǔn)狀態(tài)的表征方法，獲得運(yùn)行可達(dá)與維護(hù)可達(dá)的目標(biāo)值。綜合考慮內(nèi)外因素相互耦合下大型燃煤發(fā)電機(jī)組變工況能耗特性，形成了適用于復(fù)雜運(yùn)行條件，大型燃煤機(jī)組節(jié)能診斷的完善方法和理論。

機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的精確表征

大型電站鍋爐燃燒狀態(tài)的精確測量一直是發(fā)電行業(yè)的技術(shù)瓶頸問題。引入先進(jìn)的光學(xué)和電磁方法，研究開發(fā)煤粉、火焰、煙氣和飛灰的準(zhǔn)確測量方法，實(shí)現(xiàn)了大型燃煤鍋爐燃前、燃中和燃后狀態(tài)的全工況非接觸、在線、場參數(shù)測量。在鍋爐水動(dòng)力特性方面，建立了精度達(dá)到國際先進(jìn)水平的跨臨界水工質(zhì)物性測試系統(tǒng)；提出水工質(zhì)在近臨界和超臨界區(qū)狀態(tài)方程，彌補(bǔ)了國際上高溫高壓和近臨界區(qū)數(shù)據(jù)缺乏的不足，為大型燃煤機(jī)組變工況運(yùn)行性能的精確在線診斷奠定了重要基礎(chǔ)。

目前我國北方燃煤發(fā)電普遍采用節(jié)水效益顯著但能耗較高的空冷技術(shù)。項(xiàng)目將基礎(chǔ)元件實(shí)驗(yàn)研究、多尺度數(shù)值模擬和實(shí)際機(jī)組現(xiàn)場性能試驗(yàn)相結(jié)合，建立了完善的超大規(guī)?？绽湎到y(tǒng)性能分析表征手段，揭示出環(huán)境氣象條件和機(jī)組空冷系統(tǒng)性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

基于上述工作，建立了以單元設(shè)備特性為基礎(chǔ)，單元設(shè)備和工質(zhì)、鍋爐和汽輪機(jī)子系統(tǒng)，直到機(jī)組熱力系統(tǒng)相互耦合的大型燃煤發(fā)電機(jī)組變工況特性分析診斷平臺(tái)，從而準(zhǔn)確獲取機(jī)組關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)與描述機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)組能量輸運(yùn)特性及其與外部因素

的耦合機(jī)制

本項(xiàng)目揭示出超臨界鍋爐水冷壁傳熱惡化的發(fā)生機(jī)理；從鍋爐燃燒過程和水動(dòng)力耦合的角度，系統(tǒng)研究了鍋爐水動(dòng)力對燃燒過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在上述工作的基礎(chǔ)上，綜合考慮爐內(nèi)燃燒狀態(tài)，開發(fā)出超臨界鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算模型，為大型燃煤機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，超（超）臨界鍋爐安全高效運(yùn)行提供了保障。

大型空冷系統(tǒng)的性能與能耗分布受到機(jī)組熱力系統(tǒng)與環(huán)境條件的耦合影響；且其熱質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律具有典型的多尺度特征。本項(xiàng)目在翅片管束、凝汽器單元和空冷島等不同的尺度上，系統(tǒng)揭示出空氣流場和傳熱性能的不均勻性規(guī)律；發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)群輸運(yùn)能力的非線性放大規(guī)律，進(jìn)而系統(tǒng)揭示出空冷系統(tǒng)能耗的分布規(guī)律。

在單元設(shè)備、過程與機(jī)組系統(tǒng)的性能耦合規(guī)律的基礎(chǔ)上以及機(jī)組的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)變工況特性，發(fā)現(xiàn)降負(fù)荷和升負(fù)荷瞬態(tài)煤耗及平均煤耗率的變化規(guī)律；獲得了大型燃煤發(fā)電機(jī)組在復(fù)雜外部因素耦合下的變工況能耗特性，揭示出機(jī)組內(nèi)部和外部因素的非線性耦合機(jī)制。

上述工作全面揭示出大型燃煤發(fā)電機(jī)組的能耗產(chǎn)生機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)大型燃煤機(jī)組的過程節(jié)能及能耗控制策略奠定了基礎(chǔ)。

大型燃煤機(jī)組能耗控制策略和設(shè)計(jì)運(yùn)行優(yōu)化方法

基于全工況能耗最低，本項(xiàng)目提出機(jī)、爐熱力系統(tǒng)耦合集成能量梯級(jí)利用、傳遞和流程優(yōu)化新思想，打破機(jī)爐之間的界限，實(shí)現(xiàn)“大溫區(qū)、跨工質(zhì)”的能量利用過程，以及汽輪機(jī)與鍋爐熱質(zhì)輸運(yùn)過程的耦合熱集成；采用自升壓蒸汽動(dòng)力循環(huán)，進(jìn)行汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)流程優(yōu)化；通過空氣流場的優(yōu)化組織與強(qiáng)化傳熱，可使空冷機(jī)組供電煤耗顯著下降。目前，我國大型燃煤發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量已經(jīng)超過7.5億千瓦，項(xiàng)目成果在燃煤發(fā)電行業(yè)可產(chǎn)生年節(jié)約3750萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的潛力。

盡管目前我國能源消費(fèi)總量已經(jīng)居世界第二位，但人均能源消費(fèi)量僅達(dá)到了世界平均水平，能源工業(yè)還將繼續(xù)保持較快增長趨勢。未來燃煤火力發(fā)電仍將長期作為電力能源生產(chǎn)的主要途徑，深入開展燃煤火力發(fā)電節(jié)能的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，對我國節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。