浏览次数：1265项目概况
一、技术难度
随着我国作出“碳达峰、碳中和”承诺，并要求到2030年我国风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上，“十四五”期间势必将有更多清洁能源并网，新能源渗透率将进一步提高。这意味着电力系统需要接纳更多的波动性电源；电网需要具备更加优化、灵活、安全的调峰运行能力；火力发电机组需要具备更大的运行负荷范围，更高效、节能、环保的运行方式。
一方面，目前我国燃煤火电机组实际技术可调峰幅度可达60%～70%，并未达到深度调峰不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力20%～25%的需求。这是由于随着机组锅炉负荷的下降，机组的安全性、经济性、环保性等方面受多过程耦合因素影响，出现许多问题，其中最核心的问题就是低负荷运行时的锅炉稳燃、水动力安全以及SCR脱硝系统投运。另一方面，由于煤质特性波动以及辅机设备运行状况等诸多耦合因素限制，大量火电机组不能达到设计铭牌额定出力，造成机组的最大出力受限。
传统经验主导型的系统运行优化调整或者设备改造，工作量巨大，成本高额，且存在系统匹配性差、不可逆等诸多问题。此外，面对锅炉运行中多系统多过程的耦合运行机理，普通的模型无法保证模拟的准确定以及系统适应性，更无法对现场工作进行精准预测与指导。项目成果建立的火电机组锅炉数字孪生多过程多维度映射模型，能够根本解决受限因素针对性诊断、精准预测以及出力拓展问题。
二、先进性、创新性
1.针对火电机组锅炉燃烧动力学及传热过程机理、水动力流动机理、受热面工质流动及传热机理等内容，利用数字孪生方法构建锅炉的燃烧、传热、流动等多过程机理映射模型。利用运行测试数据多目标寻优技术对模型进行修正和迭代，建立高精度和高适应性的锅炉多维度数字孪生模型，模拟锅炉系统运行、燃烧、水系统等精细化过程。高精度的机理映射模型大大提升最小、最大出力预测与拓展的准确度。
2.基于火电机组锅炉数字孪生多过程多维度映射模型开展受限因素针对性诊断、精准预测，根本解决火电机组最小出力受限的问题。
（1）利用高精度锅炉燃烧机理映射模型，基于现场试验、辅机系统运行特性，模拟锅炉全炉膛的燃烧介质浓度场流动场、速度场、温度场以及污染物浓度场分布规律，通过减少煤粉气流的一次风量、提高一次风温度、降低煤粉颗粒的细度等精细化调整手段，精准预测锅炉运行的最低负荷工况；根本解决利用燃烧模型模拟技术预测锅炉最低稳燃负荷问题，对现场稳燃试验及燃烧改造进行指导，降低了现场试验安全风险，在示范机组完成25%额定负荷的超低稳燃能力目标。
（2）利用高精度锅炉热力系统映射模型，基于煤质特性、SCR脱硝系统特性，模拟超低负荷下锅炉系统各部件、节点处烟气和蒸汽的温度、压力分布特性，探讨锅炉超低负荷运行SCR系统投运的可行性；针对省煤器水侧旁路、分级省煤器、省煤器入口烟气旁路、后烟道转向室烟气旁路四种SCR脱硝系统超低负荷（20%BMCR）改造方案，对火电机组运行经济性、安全性进行定量评估和多方位综合性对比，根本解决超低负荷下SCR系统无法投运的难点问题。
（3）利用锅炉水动力映射模型，进行典型亚临界机组水动力循环建模仿真，对锅炉水循环可靠性及水冷壁壁温进行校核分析。研究锅炉在20%BMCR负荷稳定运行工况下会不会出现循环停滞、自由水面及循环倒流等恶劣工况，以及水冷壁运行温度分布特性。该映射模型精度高于同类技术指标。
（4）基于源网荷协调控制技术，进行典型机组汽轮机切除低压缸超低负荷运行试验，实现电网供电、新能源消纳及地方供热三者高效、科学、智慧调控。在保证供热前提下，采用低压缸不进蒸汽、中压缸排气直接供热运行模式，供热模式下机组电负荷最大下限为82MW，负荷下限拓展率达22%，期间机组锅炉燃烧稳定、AGC响应及时、辅机运行正常、性能指标优良，无超温、污染物排放超限等异常。
3.针对火电机组最大出力受限问题，基于火电机组锅炉数字孪生多维度映射模型开展受限原因针对性诊断，通过对各偏差因素的定量分析来辨识出负荷受限的主、次要影响因素，结合燃烧动力学原理、传热学原理、洁净燃烧理论等基础理论，分析负荷受限的原因，精准预测锅炉最大运行负荷；分析受热面优化改造、锅炉风烟系统改造等技术手段对锅炉最大出力拓展的影响，定量预测和评价优化改造效果，探寻改造方案中的关键难点及解决措施，有效提高锅炉最大运行负荷。
4.结合变煤质特性，综合运用量子粒子群优化算法进行动力配煤，并进行针对性的燃烧优化调整，使得机组运行参数与掺配经济性煤种相适应，提高锅炉热效率，降低发电煤耗和污染物排放，提高火电机组最大、最小负荷响应能力。
三、可推广性
1.利用数字孪生方法构建锅炉的燃烧、传热、流动等多过程多维度耦合机理映射模型模拟锅炉系统运行、燃烧、水系统等精细化过程，高精度的机理映射模型提升最小、最大出力预测与拓展的准确度。
2.综合运用火电机组锅炉数字孪生多维度映射模型，提升模型预测的准确度，根本解决超低负荷预测、超低负荷燃烧稳定性差、SCR脱销系统无法投运、水动力特性差的关键问题，根本解决锅炉部件缺陷或者系统匹配性差等的火电机组最大负荷受限的问题，实现火电机组边界出力的精准预测与可靠拓展。
3.结合变煤质特性，综合运用量子粒子群优化算法进行动力配煤，提高煤种适应性，机组经济性、负荷响应能力。
4.锅炉低负荷稳燃试验验证与技术应用，基本解决深度调峰模式下不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力20%～25%的需求问题。
5.整合开发火电机组燃煤锅炉最大和最小出力拓展技术体系，建立技术出力拓展技术体系，实现最大和最小出力精准预测与可靠拓展。
6.成套技术可同时应用于纯凝及供热机组，应用前景广泛。
四、经济社会效益
1.经济效益
调峰经济性显著。示范机组调峰期间平均负荷由70%THA降低至25%额定负荷，每天参与深度调峰4h，考虑到电网补偿费用、少发电量造成的利润减少、超低负荷运行造成的燃料成本增加因素后，日收益约17.58万元，去除机组检修、停机等因素影响，该示范机组深度调峰年收益约6416余万元。
降低燃煤成本显著。示范机组燃用的高品质煤种的采购价格约为260元/吨，经济性煤种的采购价格约为120元/吨。全年发电量为27.88亿kWh，燃用原煤154万吨。项目实施后，经济性煤种占燃煤总量的百分比由25%左右提高至35%左右，年节约燃料成本2156万元。
2.社会效益
此项技术推广应用，不但给火电企业带来可观的经济效益，而且对电网安全弹性运行、解决热电矛盾、提升新能源消纳比例都有重要作用，节约能源，降低污染物排放，对全社会节约能源和保护环境有着巨大意义。
五、推动行业进步方面
基于源网荷综合控制、地方供热需求及新能源发电的波动性、间歇性以及不可预测性，在役火电机组最大、最小出力受限会对电网在调峰调度时的可靠性和安全性造成威胁。项目成果建立火电机组锅炉数字孪生多维度映射模型，可对机组最大、最小出力受限问题进行针对性诊断、定量分析和精准预测，制定安全、可靠的出力拓展方案，与国内同类型技术相比具有技术领先性、项目易操作性、普遍适用性等特点。
项目成果已在蒙西地区多台火电机组的煤粉炉和流化床锅炉上开展了不同程度的应用，起到了拓展机组弹性运行范围、提高深度调峰能力、提高机组响应能力等作用。该技术也在自治区电力节能技术监督培训中进行了专题讲座，起到了技术交流、互相促进、共同进步的作用。
此项技术推广应用，不但给火电企业带来可观的经济效益，而且对电网安全弹性运行、解决热电矛盾、提升新能源消纳都有重要作用，对全社会节约能源和保护环境有着重要意义，具有很大的市场推广前景。