隨著我國電源結構的變化和燃煤發電容量及參數的提高，燃煤發電系統內部結構日趨複雜，外部資源環境條件更為多變，承載的功能日益豐富，實現高效清潔的燃煤發電面臨重大的理論和技術需求。在國家973計劃「燃煤發電系統能源高效清潔利用的基礎研究」（項目編號：2015CB251200）的支持下，華北電力大學校長楊勇平教授團隊針對我國燃煤發電面臨的問題和挑戰，從關鍵單元、過程和系統耦合的角度，發展高參數燃煤發電機組高效、清潔運行的新理論和新方法。該項目開展的基礎研究及應用基礎研究，有望在熱力學系統分析、高效清潔燃燒、極端條件下的傳熱傳質和複雜過程多相流動等學科方向取得突破，發展大型複雜能源動力系統的能效提高與清潔排放的新理論、新方法和新技術，為確保我國燃煤發電的健康可持續發展奠定更為堅實的科學基礎。
一、高參數鍋爐多場協同機理研究
針對高參數鍋爐高效清潔燃燒特性與多場協同機制的特性規律研究，開展了高參數鍋爐爐膛內氣固多相燃燒的空氣動力場、溫度場、氧量場合固相濃度場的多場協同機理研究。開發了高參數鍋爐燃燒器區域火焰、溫度場、氣體組分場的視覺化多場協同測量方法，對某600MW燃煤鍋爐的低NOx旋流燃燒器的燃燒特性與多場協同特性進行了測量研究。
在清潔排放方面，針對鍋爐氮氧化物的控制，在低氮燃燒與SCR脫硝系統間快速響應調控機制方面進行了研究，已經獲得變負荷變煤種對燃燒條件的影響規律、SCR與SNCR相互耦合影響機制。在氮氧化物與汞聯合脫除機制方面，已經完成一體化脫除催化劑的研製、催化劑抗中毒性能的研製、脫硫漿液脫汞性能的研究。在多場協同高效清潔燃燒條件下，研究了水冷壁附近氣固兩相流場、組分和溫度場分布特性以及對高溫腐蝕的影響，並提出了低氮燃燒條件下的高溫腐蝕防治技術。提出了燃燒器優化以及增加貼壁風防止水冷壁高溫腐蝕的方案。開發了一套可攜式火焰測量及煤質辨識系統，實現了鍋爐煤種差異和負荷多變條件下大尺度燃燒空間中多變煤質的在線辨識。有望揭示高參數鍋爐多場協同機理、提出精密組織方法，實現鍋爐高效清潔燃燒；通過多場協同實現鍋爐安全高效清潔多目標燃燒過程優化控制。為降低高參數鍋爐燃燒過程中能量損失，汙染物排放水平和燃燒安全性提供理論指導，並為該項目研究成果推廣應用到高參數鍋爐燃燒過程節能減排奠定基礎。
二、超臨界水黏度和比定壓熱容實驗測量系統
基於毛細管法和流動型量熱法建立了超臨界水黏度和比定壓熱容的實驗測量系統，並進行了初步測試，獲得了超臨界水部分工況的比定壓熱容數據。將分子自由體積理論和模式耦合理論相結合，建立了適用於跨臨界區域水黏度的推算模型，對多種滷代烴製冷劑的黏度進行了計算，驗證了其適用性和精確度。
完成了積灰發射率測試平臺的搭建，獲得了積灰光譜發射率的初步實驗數據。初步建立了積灰光譜發射率的理論計算方法，對於一般工況的發射率進行了初步的計算。開發了能夠有效模擬化學反應的分子動力學程序，對金屬在超臨界水中的氧化腐蝕現象進行了模擬，分析了超臨界水中的金屬氧化反應機理。搭建了鍋爐管材在超臨界水中氧化的試驗系統，針對超臨界鍋爐變工況運行條件下的鍋爐管材腐蝕進行了實驗，分析了氧化膜的微觀結構特徵。改進了超臨界水流動與傳熱試驗系統，並完成了超臨界CO2流動與傳熱實驗系統的搭建；進行了大長徑比垂直上升管內超臨界流體傳熱特性實驗，分析了超臨界流體傳熱惡化的影響建立鍋爐燃燒和鍋側水循環的穩態爐鍋傳熱耦合模型，對不同負荷工況進行計算和驗證，計算了爐鍋傳熱耦合中結渣過程。可望在高參數機組水工質熱物性參數的描述方法、爐內積灰輻射和導熱特性的預測理論、鍋爐管材在超臨界水中的氧化反應機理、超臨界水傳熱惡化機理及水動力設計準則、變負荷爐-鍋傳熱匹配優化方法等方面取得創新性進展，為高參數機組高效、安全、清潔運行提供理論依據和指導。
三、綜合防凍經濟運行方法
發展間接空冷系統流動傳熱計算和實驗手段，同時考慮空氣和水側換熱，系統揭示環境風場影響機理，開發了兼顧防凍和機組能效的運行策略，從循環水側和冷卻空氣側提出綜合防凍經濟運行方法。建立了適應複雜環境風場和風機群氣動性能的大尺度空冷換熱器布局設計方法，開發多種新型冷端換熱系統傳熱表面。建立了冷端傳熱系統環境風場主動誘導調控方法，發展系列風場誘導調控技術。研究了多冷源的耦合機制及其熱負荷配比優化以及我國多冷源形式及冷卻方式的自然環境適應性原則，開展乾濕聯合冷卻系統熱力性能實驗研究。揭示燃煤發電熱電多聯產過程冷端系統的時變特性和變工況特性，探索多聯產冷端、機組熱力系統與吸收式熱泵的耦合機理。
四、燃煤發電系統瞬態模擬平臺
針對燃煤發電系統，基於各設備結構、物理過程、空間布置、邊界條件，考慮設備和系統的蓄熱、蓄工質、非穩態流動換熱特性，採用GSE軟體建立了某600MW和1000MW燃煤發電系統各熱力設備瞬態模擬平臺及相應熱力系統瞬態模擬平臺。
基於各熱力設備瞬態模擬平臺，開展了不同入口參數變化幅度、變化方式和變化速率下各熱力設備瞬態特性研究，獲得了其熱力參數的瞬態過程變化規律及動態響應時間。基於熱力系統瞬態模擬平臺，開展了不同變負荷方式、變負荷幅度和變負荷速率下的系統瞬態過程能耗特性研究，獲得了不同變負荷過程中系統瞬態過程能耗特性變化規律。
構建了全廠協調控制系統的熱工控制模型，開展了不同控制策略下瞬態過程能耗特性研究，獲得了不同給水控制方案下控制策略對熱力系統瞬態過程能耗特性的影響規律。針對瞬態過程中熱力設備金屬溫度劇烈變化的問題，建立了其內外壁溫差引起的熱應力模型；對過熱器管壁進行了熱應力分析，獲得了過熱器入口煙氣和蒸汽參數變化時壁面材料的熱應力變化規律，為瞬態過程熱力設備的壽命分析奠定了基礎。對當前煙氣汙染物脫硝、脫硫和除塵工藝進行了調研，獲得了各脫除效率的範圍及其影響因素，著重分析了變負荷瞬態過程煙氣溫度變化對脫硝效率和除塵效率的影響規律。完成了動態非對稱撞擊流相關的模擬計算與實驗臺架設計。
通過數值模擬確定了撞擊流反應器的結構特徵與其持續時間的關係，獲得了動態非對稱撞擊流中的流場瞬態特性。搭建了動態非對稱撞擊流反應器，實現流量的交替變化。設計搭建了含水煙氣的換熱特性實驗臺，通過該實驗臺獲得了不同煙氣入口參數時煙氣換熱器對流換熱係數和冷凝水率的變化規律，同時獲得了加灰對換熱器特性的影響規律。在對現有主流技術的燃煤電站汙染物脫除能耗分布分析的基礎上，從系統層面對各汙染物脫除單元進行了優化集成，提出了一種燃煤電站汙染物脫除與煙氣餘熱利用一體化系統，並完成餘熱利用與汙染物脫除現場試驗臺設計。
五、太陽能–燃煤互補發電系統研究
研究了不同太陽能集熱器集熱方式在不同氣象條件下的光熱轉換、傳遞的穩態及動態熱力特性，開展了集熱單元的光熱轉換機理研究。研究了太陽能引入對燃煤發電系統流程及系統性能的影響規律，建立了太陽能–燃煤發電互補系統模型，研究了不同集熱場熱輸入對關鍵參數及系統性能影響規律，開展了開展了槽式、塔式式太陽能輔助鍋爐及汽輪機系統性能研究。
研究了太陽能–燃煤互補發電系統能源貢獻定量表徵方法，從能量品位概念出發，提出互補發電系統能源貢獻定量表徵方法，研究了塔式太陽能輔助燃煤發電系統光煤貢獻度評價方法，從而給出互補系統太陽能與化石能的合理分攤方法。研究了太陽能–燃煤互補集成機理，研究壓力㶲對熱能品位的影響，給出基於壓力㶲的熱能品位特徵式，發展熱能品位表徵。針對光煤互補發電系統，研究互補㶲損失減小與太陽能淨輸出功的相互關係，建立以聚光比、品位匹配為主要特徵變量的互補方程；建立了太陽能與燃煤電站協同發電的變工況全流程模型，研究了協同系統相互耦合、相互作用的運行機制以及太陽能與燃煤互補系統的響應特性。搭建了蓄能系統、菲涅爾集熱系統、多並聯管路系統等實驗平臺，開展了部分關鍵單元實驗研究，研究了部分旋轉跟蹤槽式主動調控集熱技術，並已獲取部分冬季工況運行初步結果。
該項目以我國電力能源中居核心地位的燃煤發電為對象，揭示高參數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同機理，提出精密組織方法，實現適應大尺度燃燒空間和煤種多變、負荷多變等需求的鍋爐高效清潔燃燒；通過多場協同控制爐膛高溫腐蝕、積灰結渣和汙染物生成，實現鍋爐安全高效清潔多目標燃燒優化控制。揭示金屬在超臨界水中的氧化反應機理，提出超臨界鍋爐氧化膜脫落的預防和應對措施；揭示超臨界流體傳熱惡化發生的機理以及積灰、氧化膜和機組變工況運行條件下的傳熱規律，為燃燒與水動力的優化匹配和高參數機組高效、安全運行提供科學依據。發展大規模冷端能量集中高效釋放和餘熱梯級利用的設計理論；提出適應複雜環境氣象條件的冷端換熱裝備傳熱面結構和布局優化方法以及燃煤發電機組多冷源耦合匹配與集成原則；開發大機組冷端餘熱高效梯級利用技術。建立熱力系統與控制系統耦合的變負荷優化運行策略；建立煙風和工質能量傳輸和熱功轉化的多過程耦合匹配與流程重構方法，實現高參數燃煤發電高效熱功轉換和多品味熱能的高效梯級利用。發展以全工況優化為目標的太陽能–燃煤互補發電系統優化設計方法；提出互補發電系統不同能源貢獻度的定量表徵方法。在關鍵單元、過程和系統不同層面上取得燃煤發電高效清潔協同關鍵技術的突破，為確保我國燃煤發電的健康可持續發展奠定科學基礎。
首席科學家介紹
楊勇平，1967年生，教授，博士生導師。兩次擔任973計劃項目首席科學家，國家傑出青年科學基金獲得者，全國優秀科技工作者，入選「國家百千萬人才工程」一、二層次人選，入選國家教育系統新世紀優秀人才支持計劃、國家科技管理部門中青年科技創新領軍人才、科技北京百名領軍人才。
長期從事熱力學理論、節能理論與方法、先進能量系統集成與優化、電站空冷技術、多能源互補系統、潔淨煤發電等方面的研究工作。作為首席科學家主持國家973計劃項目2項，主持國家傑出青年基金項目、國家自然科學重點聯合基金項目、高校學科創新引智計劃（111計劃）項目等多項國家和電力行業重大重點科研項目。出版專著2部，發表學術論文200餘篇。獲國家科學技術進步二等獎1項、教育部科技進步一等獎2項、中國電力科技進步二等獎1項、教育部自然科學二等獎1項、中國電力科技進步三等獎2項。