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(xué)能源動力與機械工程學(xué)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)保可持續(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(fēng)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(dān)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)性，是保證爐內(nèi)清潔高效燃燒的基礎(chǔ)。燃煤化學(xué)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(xué)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(biāo)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(yīng)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(yīng)能壘，協(xié)同開環(huán)反應(yīng)能壘；而堿金屬離子的存在對分子異構(gòu)化反應(yīng)和最后的協(xié)同裂解反應(yīng)影響有限，尤其是對分子異構(gòu)化反應(yīng)影響較小，主要原因是在分子異構(gòu)化反應(yīng)中未發(fā)生舊鍵斷裂和新鍵生成的反應(yīng)，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(yīng)位置距離較遠(yuǎn)。給出了堿金屬K+和Na+參與反應(yīng)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(yīng)，也可以促進過渡態(tài)的反應(yīng)，當(dāng)過渡態(tài)反應(yīng)過程是以碳原子(堿金屬作用位)發(fā)生斷鍵反應(yīng)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(yīng)的作用，降低其反應(yīng)能壘；反之，當(dāng)反應(yīng)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(yīng)，增大了其反應(yīng)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(yuǎn)時，堿金屬對反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)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(xì)度測量儀和全息高溫探針，用于燃煤電廠中一次風(fēng)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(xué)能清潔釋放和熱能安全高效傳輸，段遠(yuǎn)源與雷賢良等圍繞鍋側(cè)介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)精細(xì)表征，鍋側(cè)氧化膜的動力學(xué)生長特性的精確預(yù)測，以及對工質(zhì)水動力學(xué)及傳熱特性、爐-鍋耦合傳熱特性的科學(xué)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(yīng)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(xué)依據(jù)。

針對鍋側(cè)介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)精細(xì)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(yù)測關(guān)系。

針對鍋側(cè)氧化膜的動力學(xué)生長特性的預(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)。

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(zhǔn)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(yīng)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(fù)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(zhǔn)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(fù)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(yīng)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(fù)荷變化的靈活響應(yīng)，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(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件、滿足大規(guī)模熱負(fù)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(yīng)特性的科學(xué)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(yīng)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(yīng)復(fù)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(yīng)環(huán)境風(fēng)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?zé)嵯到y(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?zé)嵯到y(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(biāo)，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(fù)雜自然環(huán)境條件，研究了多冷源的耦合機制及其熱負(fù)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(yīng)性原則，建立了無風(fēng)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(fù)荷波動可達50%，能夠充分適用于當(dāng)前靈活性調(diào)峰下的熱負(fù)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(fù)荷、煤種、環(huán)境及運行方式的變化更加復(fù)雜，對其時空分布的深刻認(rèn)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(xué)問題，嚴(yán)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(fù)荷優(yōu)化運行策略；建立了煙風(fēng)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(yán)俊杰等[22]開展了煙氣污染物成分激光誘導(dǎo)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(biāo)，設(shè)計搭建了LIBS 在線測量實驗平臺，對復(fù)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(dǎo)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(zhǔn)確性，降低了平均預(yù)測殘差。

為建立熱力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)耦合的變負(fù)荷優(yōu)化運行策略，嚴(yán)俊杰等[23-25]研究了不同調(diào)節(jié)方案對燃煤機組變負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)荷性能。在5 種具有升負(fù)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(fù)荷性能的潛力最大，平均變負(fù)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(fù)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(fù)荷調(diào)節(jié)能力，對應(yīng)的平均變負(fù)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(yán)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(biāo)，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(yīng)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(yán)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?jǐn)?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(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的增加，積灰狀態(tài)從管束被嚴(yán)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?jǐn)?shù)的增大而增大，同時高水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)能釋放及熱質(zhì)輸運和熱功轉(zhuǎn)換等復(fù)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?fù)浣Y(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(fù)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(xué)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(biāo)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(fù)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(xì)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(xì)芯的毛細(xì)作用力，因此無需外加動力。孫杰等[31]提出一種應(yīng)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(xué)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)能釋放及熱質(zhì)輸運和熱功轉(zhuǎn)換等復(fù)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(biāo)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)煤耗量和二氧化碳排放量隨之降低。對于100%負(fù)荷，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(xué)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(xué)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(biāo)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。