燃煤发电机组变工况瞬态过程高效性与灵活性的协同机理研究

The installed power-generating capacity of renewable energy is increasing these years. It is one of the most effective and feasible solutions to increase the power grid’s ability to absorb renewable power by increasing the flexibility of coal-fired power plants. However, the contradiction often exists between the flexibility and energy efficiency of power plants. The collaboration of flexibility and high energy efficiency of coal-fired power plants is not only the challenge, but also the opportunity for the upgrading of coal-fired power industry. Accordingly, the transient models for thermal system of coal-fired power plants will be developed and coupled with control systems. The experimental studies on typical heat exchangers, including an air-water heat exchanger and a steam-water heat exchanger, will be carried out, and the experimental results will be used to verify the reliability and accuracy of our developed models. Then, the energy consumption characteristics of coal-fired power plants during transient processes will be investigated to reveal the mechanism of energy saving. Simultaneously, the influence of system structures, energy storage of thermal equipments and thermal control modes on the flexibility of coal-fired power plants will be studied. Finally, the evaluation indexes will be established by fully considering the flexibility and efficiency of power plants under the premises of unit operation safety and life loss control. Moreover, the system structures and thermal control modes will be optimized. The studies of this project will enrich the energy saving theory of thermal systems and processes, and enhance the flexibility and energy efficiency of coal-fired power plants during transient processes.

近年来我国可再生能源发电装机容量持续高速增长，通过提高燃煤发电机组灵活性来提升电网对可再生能源发电的消纳能力是我国目前最有效可行的解决方案之一。但燃煤发电机组灵活性与其能量利用的高效性间往往存在矛盾，因此实现二者协同是燃煤发电产业升级的机遇与挑战。为此，本项目首先拟建立耦合热工控制系统的燃煤发电机组热力系统瞬态模型，开展典型换热设备（空气/水、蒸汽/水换热器）动态特性实验，对模型可靠性和准确性进行验证。然后，研究燃煤发电机组瞬态过程的能耗特性，揭示实现机组瞬态过程节能的机理；同时，研究系统构型、热力设备储能、热工控制方式等对机组灵活性的影响规律。最后，在机组运行安全、寿命损耗可控的前提下，建立综合考虑机组高效性、灵活性的系统性能评价指标，并对机组系统构型和热工控制方式展开优化研究。该项目研究可丰富热力系统、热工过程节能的理论体系，同时提高燃煤发电机组瞬态过程能量利用效率和灵活性。

为构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系、实现“2030碳达峰、2060碳中和”的战略目标，燃煤发电在电力系统中的地位将由主体能源向基础能源转变，实现燃煤发电机组高效与灵活性的协同对提高电网的新能源消纳能力、降低发电碳排放量具有重要意义。.本项目建立了燃煤机组动态模型及综合性能分析模型，采用设计数据、换热器实验室实验、现场实验验证了模型的可靠性，发现燃煤机组瞬态过程存在由参数扰动引起的附加能耗，获得了复杂边界条件下燃煤机组能耗的定量规律。进而，研究了锅炉参数扰动、电负荷扰动及热电联产机组热负荷扰动时机组关键参数、安全性能的变化规律，发现通过构型调整可将机组内部蓄能、热网蓄能转化为功率输出提高系统灵活性，但会降低能量利用效率。进而，针对大惯性换热设备，研究获得了不同设计参数、运行参数条件下换热设备“附加熵产”、“过渡时间”的协同区、矛盾区，揭示了热力设备层面高效性与灵活性的协同机制。然后，在子系统层面提出了基于循环损失最小的控制策略，凝结水节流系统可使全过程循环损失降低51%。最后，发现机组蓄能状态的精准管理是提升机组灵活性的关键，而对于热电联产机组需要综合考虑能效和灵活性配置解耦设备。再然后，基于机组内部整体蓄能、分布式蓄能的时变特性规律，提出了有序利用机组蓄能的控制策略，大幅提升了燃煤的变负荷速率及运行效率。最后，从燃煤电站的角度研究了多机组统筹降低电站能耗的调控策略，可降低电站能耗1g/kWh以上。.项目开发了燃煤发电机组燃煤机组瞬态过程能耗分析技术、高效灵活协同技术、多机组统筹灵活高效运行技术，并在多个燃煤发电企业进行了实际应用。项目发表期刊论文29篇（第一标注20），其中被SCI收录论文20篇（第一标注15），获授权发明专利8件（美国专利1件），培养博士2名、硕士5名，获2020年中国电力科学奖一等奖。项目负责人获批2020年度优秀青年科学基金、2019年度陕西省杰出青年科学基金、中国动力工程学会青年科技奖，举办国际、国内会议各一次。