燃煤發(fā)電系統(tǒng)能源高效清潔利用的基礎(chǔ)研究綜述

楊勇平

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區(qū)102206）

0 引言

能源在現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用日益顯著。為了實現(xiàn)社會低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，一方面，可再生能源在我國能源體系中的占比不斷提高，如太陽能、風能等，然而其具有間歇性、季節(jié)性等不穩(wěn)定性，其并網(wǎng)易對電網(wǎng)運行造成沖擊。而燃煤發(fā)電機組則可依靠自身安全穩(wěn)定運行的調(diào)峰能力承擔電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的任務(wù)。另一方面，我國富煤貧油少氣的資源特性決定了燃煤發(fā)電將長期在我國能源體系中占據(jù)主導地位。大容量、高參數(shù)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)是實現(xiàn)煤炭能源高效清潔利用最可行的技術(shù)途徑之一，是確保國家電力供應的最主要方式。同時，通過集中排放、集中治理，大容量、高參數(shù)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)為解決環(huán)境污染問題提供了有效辦法。

本文針對我國燃煤發(fā)電系統(tǒng)在能源結(jié)構(gòu)變化及參數(shù)提高背景下面臨的理論和技術(shù)雙重需求，從高參數(shù)機組爐內(nèi)高效燃燒與多場協(xié)同污染控制，超(超)臨界鍋爐水動力、熱質(zhì)輸運及燃燒過程的耦合，燃煤發(fā)電系統(tǒng)冷端高效釋熱、余熱梯級利用及多冷源集成，燃煤發(fā)電系統(tǒng)多過程耦合匹配與全工況能耗、污染物協(xié)同控制以及太陽能-燃煤發(fā)電互補特性與系統(tǒng)集成5 個方面展開論述，總結(jié)了高參數(shù)燃煤發(fā)電機組在關(guān)鍵單元、過程和系統(tǒng)耦合方面高效、清潔運行的新理論和新方法研究進展。這些研究通過燃煤發(fā)電熱力過程的多尺度耦合、機-爐過程深度耦合及太陽能-燃煤多熱源互補等新熱力過程構(gòu)建，達到高效熱質(zhì)轉(zhuǎn)化和能源的深度利用，使燃煤發(fā)電機組能夠在高效熱功轉(zhuǎn)換的同時實現(xiàn)污染物超低排放。

1 高參數(shù)機組爐內(nèi)高效燃燒與多場協(xié)同污染控制

隨著爐內(nèi)低氮燃燒、易結(jié)渣腐蝕燃料和高溫耐熱鋼的應用，產(chǎn)生的爐膛高溫腐蝕、結(jié)渣積灰以及鍋側(cè)氧化膜脫落等問題，已成為清潔高效燃燒和熱能安全高效傳遞的主要制約因素。高參數(shù)鍋爐高效清潔燃燒機制的揭示，爐膛內(nèi)氣固多相燃燒的空氣動力場、溫度場、氧量場和固相濃度場的多場協(xié)同和精密組織，及其對大尺度燃燒空間的適應性，是保證爐內(nèi)清潔高效燃燒的基礎(chǔ)。燃煤化學能的安全、高效和清潔釋放及熱質(zhì)輸運規(guī)律，是實現(xiàn)高參數(shù)機組全工況高效運行和清潔排放的基礎(chǔ)。針對這一科學問題，周昊等人圍繞高參數(shù)鍋爐氣固多相燃燒的空氣動力場、溫度場、氧量場和固相濃度場的多場協(xié)同機理，多場協(xié)同控制爐膛高溫腐蝕、積灰結(jié)渣和污染物生成，實現(xiàn)鍋爐安全高效清潔多目標燃燒過程優(yōu)化控制展開了研究。

針對污染物的生成與脫除問題，陸強等[1-2]探究了堿金屬離子(Na+,K+)對煤的含氮模型化合物吡咯熱解生成NOx前驅(qū)體路徑的影響，重點研究了堿金屬離子(Na+,K+)對反應路徑中各步能量的影響，對比討論了其熱解過程的作用情況。采用密度泛函理論和B3LYP/6-31+G(d,p)方法，發(fā)現(xiàn)堿金屬離子的存在大幅度降低吡咯環(huán)內(nèi)部氫轉(zhuǎn)移反應能壘，協(xié)同開環(huán)反應能壘；而堿金屬離子的存在對分子異構(gòu)化反應和最后的協(xié)同裂解反應影響有限，尤其是對分子異構(gòu)化反應影響較小，主要原因是在分子異構(gòu)化反應中未發(fā)生舊鍵斷裂和新鍵生成的反應，且堿金屬離子經(jīng)空間幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的位置，與內(nèi)部異構(gòu)化反應位置距離較遠。給出了堿金屬K+和Na+參與反應的具體作用機理，首先堿金屬離子會與作用的碳原子產(chǎn)生臨時鍵，該臨時鍵能既可阻礙過渡態(tài)的反應，也可以促進過渡態(tài)的反應，當過渡態(tài)反應過程是以碳原子(堿金屬作用位)發(fā)生斷鍵反應為觸發(fā)步，以該C 原子形成新鍵為結(jié)束步時，堿金屬有促進該過渡反應的作用，降低其反應能壘；反之，當反應過渡態(tài)不是以碳原子發(fā)生斷鍵為觸發(fā)步，但以碳形成新鍵為結(jié)束步時，如碳存在鍵能的空缺或者以自由基形式存在，則此時堿金屬抑制了該過渡態(tài)的反應，增大了其反應能壘。另外過渡態(tài)無舊鍵斷裂和新鍵形成時或者堿金屬離子距離過渡態(tài)主要震動原子較遠時，堿金屬對反應涉及到的能壘影響很小。煙氣中NH3的均勻性是混合選擇性非催化還原(SNCR)-選擇性催化還原(SCR)脫氮過程中提高效率的主要因素。為提高混合性能和優(yōu)化濃度均勻性，周昊等[3]提出一種優(yōu)化的注氨格柵(AIG)，建立了一套1 :1 比例的注氨試驗裝置，提出一種新型的多斜噴嘴噴射網(wǎng)格，以取代傳統(tǒng)的直接噴射網(wǎng)格。通過實驗研究了0°、30°、45°三種不同傾斜射流角條件下的流場和示蹤劑氣體濃度場，得到了SNCR-SCR 混合系統(tǒng)SCR催化劑上表面前的速度分布和CO 混合性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的直噴網(wǎng)格相比，斜噴網(wǎng)格具有更高的混合相互作用水平，斜噴注柵射流與橫流的混合增強效果較好。研究還表明，傾斜角度對射流剛度和示蹤劑氣體稀釋有重要影響。利用均方根偏差系數(shù)定量分析了示蹤劑氣體的流場和混合性能，傾斜角度為30°的多噴嘴混合效果最佳。

針對爐內(nèi)高溫腐蝕、結(jié)渣積灰等問題，周昊等[4-5]利用CFD 模擬了300 kW 中試煤粉爐不同爐膛溫度下結(jié)渣探針的結(jié)渣情況，考慮了灰渣表面溫度的變化，并對灰渣導熱系數(shù)進行了載入。先對實驗數(shù)據(jù)進行了進一步處理，得到了實驗下的灰渣表面溫度和灰渣有效導熱系數(shù)等信息，這些參數(shù)可用于后續(xù)模擬的改進和驗證。模擬結(jié)合陜煤煤灰Factsage 軟件計算結(jié)果，通過動網(wǎng)格技術(shù)考慮了灰渣形貌的影響，然后將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行了比較。煤粉燃燒過程中，煤中的鈉和氯會以氯化鈉的氣態(tài)形式釋放出來，并冷凝在爐膛和煙道熱交換器表面，從而引起設(shè)備沾污、積灰和結(jié)渣。此外，沉積物中高含量的堿金屬氯化物也會加速過熱器的腐蝕。為減少堿金屬氯化物的形成，降低其對過熱器的腐蝕，周昊等[6]利用垂直管式爐研究了空氣氣氛和富氧氣氛下(NH4)2SO4添加劑對準東高堿煤鈉捕獲效果的影響。利用金相顯微鏡及圖像處理技術(shù)獲得燒結(jié)過程中氣泡數(shù)量、平均面積和孔隙率隨燒結(jié)時間變化的規(guī)律，并結(jié)合氣泡內(nèi)礦物成分分析結(jié)果，得出了燒結(jié)過程氣泡形成的機理。同時對氣泡中的冷凝氣體物質(zhì)進行XRD 檢測，此研究為后續(xù)灰渣流動性及導熱研究奠定了基礎(chǔ)。利用在線測量技術(shù)，周昊等[7]探究了硫酸氫氨積灰的生長特性，重點探究了探針溫度對硫酸氫氨積灰的影響機理。根據(jù)ABS 在探針上具有富集現(xiàn)象，并從XRF半定量分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，下層中的硫含量明顯大于上層中的硫含量，下層中的硫含量隨著探針表面溫度的增加而減小，而在灰渣外層中的硫含量幾乎不隨探針溫度變化。

周昊等[8-9]又開發(fā)了數(shù)字全息三維測量方法，探究了煤粉顆粒的粒徑、濃度、三維空間分布、三維邊界輪廓、運動速度等參數(shù)的在線測量，重點研究了煤粉燃燒初期階段揮發(fā)分的演變及碳煙形成過程，分析了揮發(fā)分物質(zhì)與煤粉顆粒氣固兩相的速度滑移現(xiàn)象。并開發(fā)了煤粉細度測量儀和全息高溫探針，用于燃煤電廠中一次風粉管道的煤粉粒徑和爐膛等高溫環(huán)境顆粒粒徑、三維位置、顆粒速度等參數(shù)的測量。

2 超(超)臨界鍋爐水動力、熱質(zhì)輸運及與燃燒過程的耦合

為實現(xiàn)化學能清潔釋放和熱能安全高效傳輸，段遠源與雷賢良等圍繞鍋側(cè)介質(zhì)的熱力學狀態(tài)精細表征，鍋側(cè)氧化膜的動力學生長特性的精確預測，以及對工質(zhì)水動力學及傳熱特性、爐-鍋耦合傳熱特性的科學問題展開研究，獲取了超高溫超高壓水的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，更加完整地揭示了水在高參數(shù)機組全工況運行狀態(tài)下的熱物理性質(zhì)，金屬在超臨界水中的氧化反應機理，超臨界流體傳熱惡化發(fā)生的機理，以及積灰、氧化膜和機組變工況運行條件下的傳熱規(guī)律，為燃燒與水動力的優(yōu)化匹配和高參數(shù)機組高效、安全運行提供科學依據(jù)。

針對鍋側(cè)介質(zhì)的熱力學狀態(tài)精細表征問題，雷賢良等[10]根據(jù)熱物理性的非線性變化，明確了近臨界區(qū)，通過在一個4 mm 圓管中近臨界區(qū)CO2水平流傳熱特性實驗，研究了近臨界區(qū)不同壓力下的壁面溫度和傳熱系數(shù)分布，分別在過冷區(qū)、兩相區(qū)和過熱區(qū)建立了一組沸騰傳熱關(guān)系式，提出了NCR 臨界熱流密度的一種新的預測關(guān)系。

針對鍋側(cè)氧化膜的動力學生長特性的預測，陳民等[11]針對超臨界鍋爐中采用的加氧給水處理方式，通過分子反應力場模擬揭示了鐵在溶解了氧氣的超臨界水中的氧化反應微觀機理，明確了溶解氧的激活表面鐵原子及吸收水解離質(zhì)子的二重作用，提出一種溶氧加速的超臨界氧化反應機制，揭示了溶解氧濃度對超臨界水氧化速率的影響規(guī)律，為超臨界鍋爐加氧給水處理技術(shù)的發(fā)展提供指導。

針對超臨界流體傳熱惡化問題，雷賢良等[12]在搭建超臨界鍋爐水冷壁管屏內(nèi)流量分配的熱態(tài)實驗臺，開展變壓運行工況下管屏內(nèi)流量分配的實驗研究方面，提出了適用于高溫高壓兩相流體相含率測量的冷卻轉(zhuǎn)換單相測量法，解決了高溫高壓條件下難以準確測量兩相流動過程中各相流體參數(shù)分布的難題，可有效避免參數(shù)測量過程測量元件對并聯(lián)管內(nèi)汽水兩相流的流動和分配的干擾。在此基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了高溫高壓下汽水兩相流流量分配特性實驗測試段，目前已完成了實驗系統(tǒng)的改造與調(diào)試工作。

為探究金屬在超臨界水中的氧化反應機理，雷賢良等[13]開展了爐側(cè)熱流輸入邊界條件、積灰和氧化膜熱物性對爐鍋傳熱性能影響的研究，完善了鍋側(cè)水冷壁傳熱優(yōu)化模型，分析了變煤種對三維爐鍋耦合傳熱的影響，分析了鍋爐變負荷運行對爐內(nèi)傳熱的影響，提出了適用于超臨界工質(zhì)的新傳熱惡化定義方法。與現(xiàn)有的定義方法相比，新傳熱惡化定義方法辨別傳熱惡化工況和非傳熱惡化工況的準確度顯著提升，均高于95%。

3 燃煤發(fā)電系統(tǒng)冷端高效釋熱、余熱梯級利用及多冷源集成

環(huán)境氣象條件、電廠水文資源和機組負荷變化顯著影響燃煤發(fā)電余熱能利用及釋放效率。目前燃煤發(fā)電余熱釋放途徑單一，機組在實際運行中表現(xiàn)出對環(huán)境變化的弱適應性，因此冷端系統(tǒng)存在巨大的節(jié)能潛力。冷端系統(tǒng)在設(shè)計時與氣象條件和水文資源的優(yōu)化耦合以及在運行時對環(huán)境和負荷變化的靈活響應，與基于正、逆循環(huán)耦合以及儲能等技術(shù)的熱電多聯(lián)產(chǎn)全工況新型調(diào)控策略，均能有效擴展火電機組節(jié)能空間，實現(xiàn)燃煤發(fā)電余熱能高效梯級釋放并形成多（冷）源互補集成機制。圍繞適應復雜環(huán)境條件、滿足大規(guī)模熱負荷集中排放需求的燃煤機組冷端釋熱機理和多冷源耦合特性規(guī)律及其與環(huán)境協(xié)同的響應特性的科學問題，杜小澤與楊立軍等展開研究，揭示了燃煤發(fā)電系統(tǒng)冷端釋熱和余熱利用對外部環(huán)境的協(xié)同響應特性，發(fā)展了大規(guī)模冷端能量集中高效釋放和余熱梯級利用的設(shè)計理論；提出了適應復雜環(huán)境氣象條件的冷端換熱裝備傳熱面結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化方法，以及燃煤發(fā)電機組多冷源耦合匹配與集成原則；開發(fā)了大機組冷端余熱高效梯級利用技術(shù)。

圍繞不同冷卻方式，以適應環(huán)境風場的大尺度混合對流表面構(gòu)建原則、空氣流道設(shè)計原則和以冷端系統(tǒng)熱力性能和自然環(huán)境條件耦合作用機理為基礎(chǔ)，杜小澤等[14-15]展開了冷端系統(tǒng)釋熱的優(yōu)化設(shè)計方法研究。以間接空冷系統(tǒng)、凝汽器、汽輪機及回熱系統(tǒng)為研究對象，對間接空冷系統(tǒng)建立CFD 計算模型，對凝汽器、汽輪機及回熱系統(tǒng)建立變工況計算模型，通過迭代算法將CFD計算和變工況計算相結(jié)合，計算不同環(huán)境條件下機組供電煤耗率，并以供電煤耗率為評價指標，分析了不同環(huán)境條件下間接空冷機組的運行經(jīng)濟性。根據(jù)火積耗散理論，以實際運行要求為約束條件，并將流量調(diào)節(jié)變化引起的泵功消耗納入考量，得到了特定氣象條件下間接空冷電站最高效安全運行的參數(shù)。

楊立軍、胡和敏等[16-18]針對復雜自然環(huán)境條件，研究了多冷源的耦合機制及其熱負荷配比優(yōu)化，獲得了中國多冷源形式及冷卻方式的自然環(huán)境適應性原則，建立了無風工況下的空氣側(cè)串聯(lián)的干濕聯(lián)合冷卻計算模型。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)相比，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)在耗水量減少50%的情形下，換熱量達到其70%。通過調(diào)節(jié)濕冷段流量分配，熱負荷波動可達50%，能夠充分適用于當前靈活性調(diào)峰下的熱負荷需求。同時，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)可消除濕冷系統(tǒng)出口水霧，避免潛在的污染。

為研究多冷源耦合特性規(guī)律，杜小澤等[19-20]通過實驗的方法測試了斜溫層相變蓄熱罐在同時蓄放熱工況、周期性熱源工況及循環(huán)蓄放熱工況下的運行性能。針對夏季白晝高溫造成的背壓過高與用電高峰的固有矛盾，提出了在傳統(tǒng)火電冷端加裝冷量調(diào)度裝置(充裝溴化鋰/水溶液)方案，充分利用晝夜溫差，實現(xiàn)空冷系統(tǒng)制冷量在晝夜間的調(diào)度及其無障礙釋熱，保證電量在用電高峰的充分輸出[21]。

4 燃煤發(fā)電系統(tǒng)多過程耦合匹配與全工況能耗、污染物協(xié)同控制

燃煤發(fā)電系統(tǒng)能耗和污染物的時空分布，系統(tǒng)內(nèi)熱力過程、污染物脫除和熱工控制的多過程耦合及能量的梯級利用，是實現(xiàn)全工況能量高效利用與清潔排放協(xié)同的核心。燃煤發(fā)電機組容量不斷增大和參數(shù)不斷提高，其能耗和污染物遷移特性隨機組負荷、煤種、環(huán)境及運行方式的變化更加復雜，對其時空分布的深刻認識，是高參數(shù)燃煤發(fā)電機組高效清潔運行的前提。燃煤發(fā)電機組關(guān)鍵換熱設(shè)備、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、流體壓縮及輸運設(shè)備全工況性能的揭示，燃煤發(fā)電系統(tǒng)中各種污染物隨溫度和濕度的變化規(guī)律，及污染物脫除流程和煙氣余熱利用過程之間的相互作用機制，是進行多過程匹配的基礎(chǔ)。煙氣、蒸汽、空氣等多種介質(zhì)流程的系統(tǒng)重構(gòu)，燃燒過程、熱質(zhì)輸運過程、熱功轉(zhuǎn)換過程、污染物脫除過程等優(yōu)化匹配，以及熱力系統(tǒng)與熱工控制方式的耦合，是實現(xiàn)高效熱功轉(zhuǎn)換與污染物脫除協(xié)同控制的有效手段。圍繞這一關(guān)鍵科學問題，嚴俊杰等展開研究，揭示了燃煤發(fā)電機組全工況能耗與污染物的時空分布規(guī)律；建立了熱力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)耦合的變負荷優(yōu)化運行策略；建立了煙風和工質(zhì)能量傳輸與熱功轉(zhuǎn)化的多過程耦合匹配與流程重構(gòu)方法，實現(xiàn)了高參數(shù)燃煤發(fā)電高效熱功轉(zhuǎn)換和多品位熱能的高效梯級利用；揭示了燃煤發(fā)電污染物脫除和余熱利用的耦合作用機制，實現(xiàn)了清潔與高效的協(xié)同。

為研究燃煤機組污染物遷移特性，嚴俊杰等[22]開展了煙氣污染物成分激光誘導擊穿光譜(LIBS)測量方法研究，獲得了提高其精度的溫度修正方法。以飛灰在線測量中存在的高濃度二氧化碳，以及變灰種等工況下的在線測量優(yōu)化為研究目標，設(shè)計搭建了LIBS 在線測量實驗平臺，對復雜多變工況條件下飛灰在線定量測量方法開展了研究。研究結(jié)果表明，基于等離子體演變過程的優(yōu)化可以提高LIBS 測量能力。同時，研究了激光誘導氣溶膠等離子體過程，通過控制激光脈寬，可以有效減小環(huán)境氣氛的影響，提高飛灰中碳含量的測量精度。此外，開展了不同含碳量飛灰樣品的LIBS 實驗研究，獲得了各樣品等離子體溫度隨延遲時間變化的規(guī)律。在同時測量不同種類飛灰樣品時，基于等離子冷卻過程中樣品表面的影響，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入端加入不同延遲時間的信號，獲得了優(yōu)化的定量測量模型，提高了定量分析的準確性，降低了平均預測殘差。

為建立熱力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)耦合的變負荷優(yōu)化運行策略，嚴俊杰等[23-25]研究了不同調(diào)節(jié)方案對燃煤機組變負荷性能的影響規(guī)律。以某660 MW 超臨界燃煤發(fā)電機組為例，建立了該機組瞬態(tài)模型，開展了瞬態(tài)過程變負荷性能的定量分析，獲得了6 種熱力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案對機組變負荷性能的影響規(guī)律。研究表明，機組內(nèi)部能迅速轉(zhuǎn)化為電能的儲熱可用于提升機組的變負荷性能。在5 種具有升負荷調(diào)節(jié)能力的方案中，高加抽汽節(jié)流(TESHPH)提升系統(tǒng)變負荷性能的潛力最大，平均變負荷速率為6.31%THA·min-1，最大功率輸出量為7.33%THA，所需時間為45 s；凝結(jié)水節(jié)流方案(CWDHPH)潛力最小，平均變負荷速率為1.26%THA·min-1，最大功率輸出量為1.95%THA，所需時間為152 s。只有凝結(jié)水增加方案(CWIHPH)具有降負荷調(diào)節(jié)能力，對應的平均變負荷速率為-0.61%THA·min-1，最大功率輸出量為-0.86%THA，所需時間為83s。

針對實際運行狀態(tài)下燃煤發(fā)電污染物脫除特性，嚴俊杰等[26]以燃煤電站瞬態(tài)過程脫除特性全工況研究為目標，以某600MW 燃煤發(fā)電機組為例，建立了瞬態(tài)過程NOx脫除模型，開展了瞬態(tài)過程SCR 脫硝特性研究，獲得了SCR 入口NOx濃度、噴氨量、煙氣流速、煙氣溫度階躍擾動時SCR 脫硝的動態(tài)響應特性，為燃煤電站瞬態(tài)過程NOx控制奠定了基礎(chǔ)。

針對煙氣、蒸汽、空氣等多種介質(zhì)流程的系統(tǒng)重構(gòu)與余熱利用問題，嚴俊杰等[27-29]研究了乏汽熱能與水回收的耦合機制，進行了流程優(yōu)化，獲得了乏汽熱能和水回收裝置全過程運行特性。對含灰濕空氣對流凝結(jié)換熱特性進行研究，獲得了灰分濃度、水蒸氣質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)變化時煙氣換熱器積灰特性和換熱性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為15%和20%時，對流冷凝換熱系數(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢；而當水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為25%時，對流冷凝換熱系數(shù)先降低，后保持穩(wěn)定。隨著水蒸氣質(zhì)量分數(shù)的增加，積灰狀態(tài)從管束被嚴重堵塞狀態(tài)向能夠形成穩(wěn)定的積灰層狀態(tài)轉(zhuǎn)變。整體而言，對流冷凝換熱系數(shù)隨水蒸氣質(zhì)量分數(shù)的增大而增大，同時高水蒸氣質(zhì)量分數(shù)有助于削弱積灰引起的傳熱惡化。

5 太陽能-燃煤發(fā)電互補特性與系統(tǒng)集成

太陽能等可再生能源與燃煤的互補輸入是進一步降低燃煤發(fā)電煤耗和減少污染物排放的有效途徑。太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)涉及光熱轉(zhuǎn)化、燃料化學能釋放及熱質(zhì)輸運和熱功轉(zhuǎn)換等復雜過程，揭示不同品位、不同容量太陽能輸入對燃煤發(fā)電熱力系統(tǒng)、過程和單元原有拓撲結(jié)構(gòu)的影響機制，以及熱力系統(tǒng)在外部非穩(wěn)態(tài)熱源輸入條件下的復雜變工況特性，是構(gòu)建多源互補輸入發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圍繞這一科學問題，段立強等展開研究，揭示了太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)能量遷移和能耗分布規(guī)律，發(fā)展了多源輸入系統(tǒng)集成理論；揭示了互補發(fā)電系統(tǒng)全運行工況下的熱力特性；發(fā)展了以全工況優(yōu)化為目標的太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法；提出了互補發(fā)電系統(tǒng)不同能源貢獻度的定量表征方法。

針對熱力系統(tǒng)在外部非穩(wěn)態(tài)熱源輸入條件下的復雜變工況特性，徐超等[30]研究了太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)特性參數(shù)的時空分布規(guī)律，并進行了太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。針對塔式太陽能熱發(fā)電站，提出一種基于環(huán)路熱管的新型太陽能吸熱器。該吸熱器利用回路熱管的蒸發(fā)段吸收高倍聚焦的太陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱能，進而將蒸發(fā)段內(nèi)毛細芯的熱管工質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)后的熱管工質(zhì)從蒸發(fā)段經(jīng)由蒸汽通道流動到冷凝段，并在冷凝段通過冷凝將熱量轉(zhuǎn)移到流經(jīng)冷凝段的吸熱器傳熱介質(zhì)。冷凝后的熱管工質(zhì)返流至蒸發(fā)段，完成循環(huán)。如此，在熱管工質(zhì)的輸運作用下，熱量持續(xù)不斷地由蒸發(fā)段傳輸?shù)轿鼰崞鞯膫鳠峤橘|(zhì)。熱管工質(zhì)的循環(huán)動力來自蒸發(fā)段毛細芯的毛細作用力，因此無需外加動力。孫杰等[31]提出一種應用于密集陣列聚光光伏發(fā)電模塊的旋轉(zhuǎn)對稱連接方式，獲得了旋轉(zhuǎn)對稱連接及傳統(tǒng)連接的電學性能和溫度性能。

針對太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)能量遷移和能耗分布規(guī)律，侯宏娟和翟融融等建立了太陽能協(xié)同燃煤電站模型，研究了協(xié)同系統(tǒng)相互耦合、相互作用的運行機制，開展了太陽能協(xié)同燃煤電站的安全性及熱經(jīng)濟性分析[32-33]；并針對互補系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備建立動態(tài)物理模型[34]，包括鍋爐系統(tǒng)模型、汽輪機系統(tǒng)模型、太陽能集熱場系統(tǒng)模型。通過動態(tài)模擬仿真，研究了太陽能燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)2 種能量間的耦合作用及互補特性，揭示了引入太陽能對鍋爐運行的影響規(guī)律，制定了互補系統(tǒng)全工況調(diào)節(jié)控制方案，維持互補系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行。揭示了槽式太陽能與燃煤發(fā)電系統(tǒng)的部分動態(tài)性能，包括系統(tǒng)啟停過程中及典型日工況下系統(tǒng)主要運行參數(shù)的變化規(guī)律。當太陽能充足時，全部或部分鍋爐給水在油水換熱器中被吸收太陽能后的導熱油加熱。在此過程中，高加抽汽被太陽能全部或部分替代，被替代的高加抽汽可在汽輪機中繼續(xù)膨脹做功。集熱場側(cè)選取的集熱器型號為LS-2，導熱油為VP-1，設(shè)計點的DNI值是900W/m2，入射角為0°。設(shè)計工況下高加抽汽完全被集熱場所取代時，所需導熱油流量為980 t/h，集熱場面積為97 968 m2，油箱的儲油量為1h。

針對太陽能-燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)涉及光熱轉(zhuǎn)化、燃料化學能釋放及熱質(zhì)輸運和熱功轉(zhuǎn)換等復雜過程，段立強等[35-36]使用解析幾何方法，通過定日鏡相對關(guān)系，快速排除不會造成陰影遮擋的定日鏡，對潛在問題的定日鏡再使用Sassi 方法進行判斷。陰影遮擋損失計算時間提高30%，對計算精度沒有影響，并提出SAPG 系統(tǒng)的通用系統(tǒng)集成優(yōu)化方法及SAPG 系統(tǒng)多目標優(yōu)化策略。

針對互補發(fā)電系統(tǒng)全運行工況下的熱力特性，翟融融等[37-38]提出了塔式太陽能輔助燃煤機組耦合機理，揭示了塔式太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)年性能及動態(tài)特性。在100%、75%和50%負荷條件下，鍋爐對太陽能熱量的吸納極限分別為76.4、54.2 和23.0MW；隨著太陽能熱量的增加，系統(tǒng)標準煤耗量和二氧化碳排放量隨之降低。對于100%負荷，當耦合系統(tǒng)吸納的太陽能熱量由0MW 增加到76.4MW 時，耦合系統(tǒng)的標準煤耗率由273.84 g/(kW·h) 下降到260.31 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由774.70 g/(kW·h)下降到736.42 g/(kW·h)。對于75%負荷，當耦合系統(tǒng)吸納的太陽能熱量由0 MW 增加到54.2 MW 時，耦合系統(tǒng)的標準煤耗率由284.73g/(kW·h)下降到271.92 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由805.51 g/(kW·h) 下降到769.6 g/(kW·h)。對于50%負荷，當耦合系統(tǒng)吸納的太陽能熱量由0 MW 增加到23.0 MW 時，耦合系統(tǒng)的標準煤耗率由300.40g/(kW·h)下降到292.18 g/(kW·h)，其二氧化碳排放量由849.82 g/(kW·h)下降到826.57 g/(kW·h)。耦合系統(tǒng)在100%、75%和50% 負荷條件下最大的節(jié)煤率分別為13.53、12.81 和8.22 g/(kW·h)。

6 結(jié)論

以上研究在科學理論層面，在燃煤發(fā)電系統(tǒng)能效提高的理論和方法上取得了創(chuàng)新性成果，為實現(xiàn)高參數(shù)燃煤發(fā)電的高效清潔協(xié)同優(yōu)化奠定了科學基礎(chǔ)。在關(guān)鍵技術(shù)層面，通過深入挖掘燃煤發(fā)電系統(tǒng)全工況能效提高的潛力，突破高參數(shù)燃煤發(fā)電高效熱功轉(zhuǎn)換與清潔排放協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，提高了大型燃煤發(fā)電機組深度調(diào)峰及大規(guī)模接納太陽能等可再生能源的能力。后續(xù)研究可針對大型燃煤發(fā)電多過程、多資源系統(tǒng)集成機理，揭示全工況條件下能質(zhì)輸運規(guī)律及其與外部資源環(huán)境的耦合機制，努力實現(xiàn)大型燃煤發(fā)電高效清潔的多目標協(xié)同，探索燃煤發(fā)電高效熱功轉(zhuǎn)換和清潔運行的前沿理論和技術(shù)，保障我國能源可持續(xù)發(fā)展。