2012年我國全年能源消費總量已經高達36億噸標準煤，僅次于美國居世界第二位。在我國一次能源消費結構中，煤炭的比重近70%，其中一半被用于燃煤發電。截至2012年底，我國燃煤機組發電占總發電量比例超過78%，燃煤機組裝機規模和發電量都居世界前列。
燃煤發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，火力發電行業開展“上大壓小”結構調整，燃煤發電的煤耗水平逐年下降，但與國際先進水平相比仍存在較大差距。有鑒于此，科技部于2009年立項啟動了“大型燃煤發電機組過程節能的基礎研究”“973”計劃項目，力求為我國燃煤火力發電行業的深層次節能奠定科學基礎、解決關鍵技術問題。項目實施以來，在大型燃煤機組節能基礎理論、狀態表征手段、過程傳遞規律和節能技術方法等方面都取得了重要進展。
能源動力系統節能理論與方法
針對我國大型燃煤發電機組運行中面臨的煤質多變、負荷多變和復雜環境條件等問題，同時，圍繞大型燃煤發電機組的共性特征：燃料化學能釋放、熱質輸運和熱功轉換過程與設備單元之間具有復雜的耦合關系，揭示出機組在不同負荷以及變工況運行的全工況能耗分布。特別從設備、過程和系統耦合的角度，揭示出設備與過程性能的相互影響以及機組實際節能潛力在時間和空間上的分布規律，為實現燃煤機組整體性能最優奠定了基礎。進而，提出了負荷、煤質和環境多變條件下機組能耗基準狀態的表征方法，獲得運行可達與維護可達的目標值。綜合考慮內外因素相互耦合下大型燃煤發電機組變工況能耗特性，形成了適用于復雜運行條件，大型燃煤機組節能診斷的完善方法和理論。
機組關鍵參數和運行狀態的精確表征
大型電站鍋爐燃燒狀態的精確測量一直是發電行業的技術瓶頸問題。引入先進的光學和電磁方法，研究開發煤粉、火焰、煙氣和飛灰的準確測量方法，實現了大型燃煤鍋爐燃前、燃中和燃后狀態的全工況非接觸、在線、場參數測量。在鍋爐水動力特性方面，建立了精度達到國際先進水平的跨臨界水工質物性測試系統；提出水工質在近臨界和超臨界區狀態方程，彌補了國際上高溫高壓和近臨界區數據缺乏的不足，為大型燃煤機組變工況運行性能的精確在線診斷奠定了重要基礎。
目前我國北方燃煤發電普遍采用節水效益顯著但能耗較高的空冷技術。項目將基礎元件實驗研究、多尺度數值模擬和實際機組現場性能試驗相結合，建立了完善的超大規模空冷系統性能分析表征手段，揭示出環境氣象條件和機組空冷系統性能的關聯機制。
基于上述工作，建立了以單元設備特性為基礎，單元設備和工質、鍋爐和汽輪機子系統，直到機組熱力系統相互耦合的大型燃煤發電機組變工況特性分析診斷平臺，從而準確獲取機組關鍵運行參數與描述機組運行狀態。
機組能量輸運特性及其與外部因素
的耦合機制
本項目揭示出超臨界鍋爐水冷壁傳熱惡化的發生機理；從鍋爐燃燒過程和水動力耦合的角度，系統研究了鍋爐水動力對燃燒過程的動態響應特性。在上述工作的基礎上，綜合考慮爐內燃燒狀態，開發出超臨界鍋爐水冷壁壁溫計算模型，為大型燃煤機組深度調峰時，超（超）臨界鍋爐安全高效運行提供了保障。
大型空冷系統的性能與能耗分布受到機組熱力系統與環境條件的耦合影響；且其熱質輸運規律具有典型的多尺度特征。本項目在翅片管束、凝汽器單元和空冷島等不同的尺度上，系統揭示出空氣流場和傳熱性能的不均勻性規律；發現風機群輸運能力的非線性放大規律，進而系統揭示出空冷系統能耗的分布規律。
在單元設備、過程與機組系統的性能耦合規律的基礎上以及機組的穩態和瞬態變工況特性，發現降負荷和升負荷瞬態煤耗及平均煤耗率的變化規律；獲得了大型燃煤發電機組在復雜外部因素耦合下的變工況能耗特性，揭示出機組內部和外部因素的非線性耦合機制。
上述工作全面揭示出大型燃煤發電機組的能耗產生機理，為實現大型燃煤機組的過程節能及能耗控制策略奠定了基礎。
大型燃煤機組能耗控制策略和設計運行優化方法
基于全工況能耗最低，本項目提出機、爐熱力系統耦合集成能量梯級利用、傳遞和流程優化新思想，打破機爐之間的界限，實現“大溫區、跨工質”的能量利用過程，以及汽輪機與鍋爐熱質輸運過程的耦合熱集成；采用自升壓蒸汽動力循環，進行汽輪機回熱系統流程優化；通過空氣流場的優化組織與強化傳熱，可使空冷機組供電煤耗顯著下降。目前，我國大型燃煤發電機組的裝機容量已經超過7.5億千瓦，項目成果在燃煤發電行業可產生年節約3750萬噸標準煤的潛力。
盡管目前我國能源消費總量已經居世界第二位，但人均能源消費量僅達到了世界平均水平，能源工業還將繼續保持較快增長趨勢。未來燃煤火力發電仍將長期作為電力能源生產的主要途徑，深入開展燃煤火力發電節能的應用基礎研究，對我國節能減排發展戰略具有重要的意義。
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