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创新燃煤发电系统 推动清洁能源发展

2018年10月15日 热度:56 ℃

一、高参数锅炉多场协同机理研究

针对高参数锅炉高效清洁燃烧特性与多场协同机制的特性规律研究,开展了高参数锅炉炉膛内气固多相燃烧的空气动力场、温度场、氧量场合固相浓度场的多场协同机理研究。开发了高参数锅炉燃烧器区域火焰、温度场、气体组分场的视觉化多场协同测量方法,对某600MW燃煤锅炉的低NO

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旋流燃烧器的燃烧特性与多场协同特性进行了测量研究。

在清洁排放方面,针对锅炉氮氧化物的控制,在低氮燃烧与SCR脱硝系统间快速响应调控机制方面进行了研究,已经获得变负荷变煤种对燃烧条件的影响规律、SCR与SNCR相互耦合影响机制。在氮氧化物与汞联合脱除机制方面,已经完成一体化脱除催化剂的研制、催化剂抗中毒性能的研制、脱硫浆液脱汞性能的研究。在多场协同高效清洁燃烧条件下,研究了水冷壁附近气固两相流场、组分和温度场分布特性以及对高温腐蚀的影响,并提出了低氮燃烧条件下的高温腐蚀防治技术。提出了燃烧器优化以及增加贴壁风防止水冷壁高温腐蚀的方案。开发了一套便携式火焰测量及煤质辨识系统,实现了锅炉煤种差异和负荷多变条件下大尺度燃烧空间中多变煤质的在线辨识。有望揭示高参数锅炉多场协同机理、提出精密组织方法,实现锅炉高效清洁燃烧;通过多场协同实现锅炉安全高效清洁多目标燃烧过程优化控制。为降低高参数锅炉燃烧过程中能量损失,污染物排放水平和燃烧安全性提供理论指导,并为该项目研究成果推广应用到高参数锅炉燃烧过程节能减排奠定基础。

二、超临界水黏度和比定压热容实验测量系统

基于毛细管法和流动型量热法建立了超临界水黏度和比定压热容的实验测量系统,并进行了初步测试,获得了超临界水部分工况的比定压热容数据。将分子自由体积理论和模式耦合理论相结合,建立了适用于跨临界区域水黏度的推算模型,对多种卤代烃制冷剂的黏度进行了计算,验证了其适用性和精确度。

完成了积灰发射率测试平台的搭建,获得了积灰光谱发射率的初步实验数据。初步建立了积灰光谱发射率的理论计算方法,对于一般工况的发射率进行了初步的计算。开发了能够有效模拟化学反应的分子动力学程序,对金属在超临界水中的氧化腐蚀现象进行了模拟,分析了超临界水中的金属氧化反应机理。搭建了锅炉管材在超临界水中氧化的试验系统,针对超临界锅炉变工况运行条件下的锅炉管材腐蚀进行了实验,分析了氧化膜的微观结构特征。改进了超临界水流动与传热试验系统,并完成了超临界CO2流动与传热实验系统的搭建;进行了大长径比垂直上升管内超临界流体传热特性实验,分析了超临界流体传热恶化的影响建立锅炉燃烧和锅侧水循环的稳态炉锅传热耦合模型,对不同负荷工况进行计算和验证,计算了炉锅传热耦合中结渣过程。可望在高参数机组水工质热物性参数的描述方法、炉内积灰辐射和导热特性的预测理论、锅炉管材在超临界水中的氧化反应机理、超临界水传热恶化机理及水动力设计准则、变负荷炉-锅传热匹配优化方法等方面取得创新性进展,为高参数机组高效、安全、清洁运行提供理论依据和指导。

三、综合防冻经济运行方法

发展间接空冷系统流动传热计算和实验手段,同时考虑空气和水侧换热,系统揭示环境风场影响机理,开发了兼顾防冻和机组能效的运行策略,从循环水侧和冷却空气侧提出综合防冻经济运行方法。建立了适应复杂环境风场和风机群气动性能的大尺度空冷换热器布局设计方法,开发多种新型冷端换热系统传热表面。建立了冷端传热系统环境风场主动诱导调控方法,发展系列风场诱导调控技术。研究了多冷源的耦合机制及其热负荷配比优化以及我国多冷源形式及冷却方式的自然环境适应性原则,开展干湿联合冷却系统热力性能实验研究。揭示燃煤发电热电多联产过程冷端系统的时变特性和变工况特性,探索多联产冷端、机组热力系统与吸收式热泵的耦合机理。

四、燃煤发电系统瞬态模拟平台

针对燃煤发电系统,基于各设备结构、物理过程、空间布置、边界条件,考虑设备和系统的蓄热、蓄工质、非稳态流动换热特性,采用GSE软件建立了某600MW和1000MW燃煤发电系统各热力设备瞬态模拟平台及相应热力系统瞬态模拟平台。

基于各热力设备瞬态模拟平台,开展了不同入口参数变化幅度、变化方式和变化速率下各热力设备瞬态特性研究,获得了其热力参数的瞬态过程变化规律及动态响应时间。基于热力系统瞬态模拟平台,开展了不同变负荷方式、变负荷幅度和变负荷速率下的系统瞬态过程能耗特性研究,获得了不同变负荷过程中系统瞬态过程能耗特性变化规律。

构建了全厂协调控制系统的热工控制模型,开展了不同控制策略下瞬态过程能耗特性研究,获得了不同给水控制方案下控制策略对热力系统瞬态过程能耗特性的影响规律。针对瞬态过程中热力设备金属温度剧烈变化的问题,建立了其内外壁温差引起的热应力模型;对过热器管壁进行了热应力分析,获得了过热器入口烟气和蒸汽参数变化时壁面材料的热应力变化规律,为瞬态过程热力设备的寿命分析奠定了基础。对当前烟气污染物脱硝、脱硫和除尘工艺进行了调研,获得了各脱除效率的范围及其影响因素,着重分析了变负荷瞬态过程烟气温度变化对脱硝效率和除尘效率的影响规律。完成了动态非对称撞击流相关的模拟计算与实验台架设计。

通过数值模拟确定了撞击流反应器的结构特征与其持续时间的关系,获得了动态非对称撞击流中的流场瞬态特性。搭建了动态非对称撞击流反应器,实现流量的交替变化。设计搭建了含水烟气的换热特性实验台,通过该实验台获得了不同烟气入口参数时烟气换热器对流换热系数和冷凝水率的变化规律,同时获得了加灰对换热器特性的影响规律。在对现有主流技术的燃煤电站污染物脱除能耗分布分析的基础上,从系统层面对各污染物脱除单元进行了优化集成,提出了一种燃煤电站污染物脱除与烟气余热利用一体化系统,并完成余热利用与污染物脱除现场试验台设计。

五、太阳能燃煤互补发电系统研究

研究了不同太阳能集热器集热方式在不同气象条件下的光热转换、传递的稳态及动态热力特性,开展了集热单元的光热转换机理研究。研究了太阳能引入对燃煤发电系统流程及系统性能的影响规律,建立了太阳能–燃煤发电互补系统模型,研究了不同集热场热输入对关键参数及系统性能影响规律,开展了开展了槽式、塔式式太阳能辅助锅炉及汽轮机系统性能研究。

研究了太阳能–燃煤互补发电系统能源贡献定量表征方法,从能量品位概念出发,提出互补发电系统能源贡献定量表征方法,研究了塔式太阳能辅助燃煤发电系统光煤贡献度评价方法,从而给出互补系统太阳能与化石能的合理分摊方法。研究了太阳能–燃煤互补集成机理,研究压力㶲对热能品位的影响,给出基于压力㶲的热能品位特征式,发展热能品位表征。针对光煤互补发电系统,研究互补㶲损失减小与太阳能净输出功的相互关系,建立以聚光比、品位匹配为主要特征变量的互补方程;建立了太阳能与燃煤电站协同发电的变工况全流程模型,研究了协同系统相互耦合、相互作用的运行机制以及太阳能与燃煤互补系统的响应特性。搭建了蓄能系统、菲涅尔集热系统、多并联管路系统等实验平台,开展了部分关键单元实验研究,研究了部分旋转跟踪槽式主动调控集热技术,并已获取部分冬季工况运行初步结果。

该项目以我国电力能源中居核心地位的燃煤发电为对象,揭示高参数锅炉气固多相燃烧的空气动力场、温度场、氧量场和固相浓度场的多场协同机理,提出精密组织方法,实现适应大尺度燃烧空间和煤种多变、负荷多变等需求的锅炉高效清洁燃烧;通过多场协同控制炉膛高温腐蚀、积灰结渣和污染物生成,实现锅炉安全高效清洁多目标燃烧优化控制。揭示金属在超临界水中的氧化反应机理,提出超临界锅炉氧化膜脱落的预防和应对措施;揭示超临界流体传热恶化发生的机理以及积灰、氧化膜和机组变工况运行条件下的传热规律,为燃烧与水动力的优化匹配和高参数机组高效、安全运行提供科学依据。发展大规模冷端能量集中高效释放和余热梯级利用的设计理论;提出适应复杂环境气象条件的冷端换热装备传热面结构和布局优化方法以及燃煤发电机组多冷源耦合匹配与集成原则;开发大机组冷端余热高效梯级利用技术。建立热力系统与控制系统耦合的变负荷优化运行策略;建立烟风和工质能量传输和热功转化的多过程耦合匹配与流程重构方法,实现高参数燃煤发电高效热功转换和多品味热能的高效梯级利用。发展以全工况优化为目标的太阳能–燃煤互补发电系统优化设计方法;提出互补发电系统不同能源贡献度的定量表征方法。在关键单元、过程和系统不同层面上取得燃煤发电高效清洁协同关键技术的突破,为确保我国燃煤发电的健康可持续发展奠定科学基础。

首席科学家介绍

杨勇平,1967年生,教授,博士生导师。两次担任973计划项目首席科学家,国家杰出青年科学基金获得者,全国优秀科技工作者,入选“国家百千万人才工程”一、二层次人选,入选国家教育系统新世纪优秀人才支持计划、国家科技管理部门中青年科技创新领军人才、科技北京百名领军人才。

长期从事热力学理论、节能理论与方法、先进能量系统集成与优化、电站空冷技术、多能源互补系统、洁净煤发电等方面的研究工作。作为首席科学家主持国家973计划项目2项,主持国家杰出青年基金项目、国家自然科学重点联合基金项目、高校学科创新引智计划(111计划)项目等多项国家和电力行业重大重点科研项目。出版专著2部,发表学术论文200余篇。获国家科学技术进步二等奖1项、教育部科技进步一等奖2项、中国电力科技进步二等奖1项、教育部自然科学二等奖1项、中国电力科技进步三等奖2项。

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