我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结，特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况，以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

以准东煤为代表的高碱煤虽储量巨大，但火电机组掺烧高碱煤过程中造成锅炉受热面结焦问题突出，不仅降低锅炉热效率，而且严重威胁机组安全、稳定、经济运行。为解决结焦技术难题，促进高碱煤掺烧利用，对燃用高碱煤锅炉受热面结焦及其防治研究进行了综述。截至目前，国内外围绕燃煤锅炉受热面结焦特征、结焦机理、影响因素、防治措施等已经开展了广泛研究并取得了丰硕的研究成果。在控制燃煤质量、改善锅炉结构、优化锅炉运行等措施基础上，在锅炉受热面制备涂层成为防治结焦的重要技术途径。在未来研究过程中，涂层在具备突出抗结焦性能的同时，须兼具优良的耐高温、抗腐蚀、耐磨损、导热性、热疲劳等综合性能，且具有良好的制备经济性、制备效率，特别是现场适用性。

准东煤等高碱煤在新疆地区储量巨大，但其富含的碱金属元素极易导致炉膛受热面沾污、结渣等问题，会影响锅炉运行的安全性，研发高碱煤高效清洁燃烧发电技术对实现“双碳”目标有重要意义。总结了基于自发辐射分析的高碱煤燃烧炉内在线监测技术的研究进展，重点介绍了发射光谱技术、自发辐射图像处理及成像技术在高碱煤燃烧监测领域的研究现状及应用情况，进而对其发展趋势和动态进行探讨。发射光谱技术通过对火焰发出的不同波长光谱辐射信号进行处理获取温度与组分，近期，已广泛用于测量工业炉膛燃烧火焰温度和气相碱金属质量浓度，并基于此对炉内结渣趋势进行定性判断。自发辐射图像处理及成像技术具备信号空间分布的解析能力，利用CCD、CMOS等面阵传感器获取炉内自发辐射图像，基于图像处理与热辐射成像原理，结合辐射反问题求解方法，可以获得燃烧场在三维空间的温度分布以及二维壁温分布，使结渣的三维可视化监测成为可能。未来需基于发射光谱技术、自发辐射图像处理及成像技术对二维或者三维的受热面结渣沾污进行监测，结合炉内燃烧温度与气相碱金属质量浓度等参数分布，建立高碱煤燃烧受热面结渣沾污的定量判断指标，最终达到对受热面结渣沾污在线预测的目标。

对液态排渣锅炉的深入研究将会推动纯燃高碱煤技术的推广。以一台超临界350 MW机组直流双U型火焰液态排渣锅炉为研究对象，以燃烧室、捕渣管束和冷却室为单元，从热平衡的角度出发展开热力计算，并借助数值模拟手段，研究了炉膛内设计工况下的流场、温度场和组分场及其在变负荷时的变化情况。热力计算和数值模拟表明，几处烟气温度结果偏差都低于40.0 ℃。燃烧室出口烟气温度偏差仅为1.2 ℃，冷却室出口烟气温度偏差为15.6 ℃。经过验证和比较，所采用的热力计算方法可以应用于双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤热力计算。数值模拟结果显示，炉内空气动力场良好，旋流形成的回流区可以增加煤粉颗粒在燃烧室的运动路径，促进煤粉的燃尽。烟气在流经捕渣管时，温度大大降低，同时流场也受到了一定的扰动，可以有效捕捉灰渣。在变负荷工况下，炉内的速度场按负荷降低成比例下降，回流区的大小基本不变。炉内的温度水平降低，当给煤量由100%降至75%时，燃烧室出口烟温降低了约75 ℃，而冷却室出口烟温降低了约200 ℃。本研究可为双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤提供参考。

为比较新疆地区典型高碱煤和高氯煤在燃烧条件下颗粒物生成特性，采用三段式高温沉降炉系统开展在空气气氛下燃烧准东煤和沙尔湖煤的实验，分析燃烧后颗粒物特征。采用Dekati低压撞击器（Dekati low pressure impactor+，DLPI+）进行了颗粒物的分级收集，对其质量粒径分布、元素分布特性以及颗粒物微观形貌进行了讨论分析。结果表明：2种煤样燃烧生成的颗粒物均呈现双模态分布，沙尔湖煤的细颗粒物产率明显高于准东煤；细模态颗粒物的主要成分是Na和Cl，准东煤与沙尔湖煤产生的PM₁₀中的Cl占原煤中Cl质量的11.8%和28.9%，Na占煤灰中Na质量的2.66%和7.53%；高含量的碱金属和Cl会促进细颗粒物生成，沙尔湖原煤中的Cl大量迁徙进入颗粒物中，对细模态颗粒的生成贡献较大。

旋风炉作为一种液态排渣炉，其空气动力学特性与煤粉炉存在显著差异，目前尚缺乏可有效指导旋风炉设计和运行的计算流体动力学（CFD）模型。对此，开发了一种旋风炉CFD数值模型，该模型通过渣层煤粒捕集模型将熔融渣层对煤粒的捕集作用结合在模型中。将该模型应用于某550 MW机组旋风炉的空气动力学特性和烟气再循环（FGR）优化设计研究。研究表明，旋风筒产生的强旋流场使炉内流场分布极不均匀，导致了炉内局部高温和水平烟道入口的严重结渣问题。因此，FGR喷口应根据炉内的不均匀流场和温度分布进行针对性设计，以有效消除炉内的局部高温区域。模拟计算和现场实施结果表明，通过FGR优化设计，炉膛局部高温和严重结渣问题得到了有效缓解。

为掌握液态排渣锅炉全烧和大比例掺烧高碱煤的关键参数和运行经验，基于某电厂300 MW等级液态排渣锅炉进行了长期工程试验，对可能存在的燃烧组织、NO_x控制、排渣和沾污等问题进行分析，针对性的对燃烧系统、热物改性系统和排渣系统进行了改造。并进行了长期的运行数据记录和关键参数记录，在全烧和高比例掺烧高碱煤30万t后，锅炉各项运行参数正常。工程试验证明：该电厂300 MW等级液态排渣锅炉经升级优化后对高碱煤的的适应能力极强，在燃煤组分w(Al₂O₃)<25%、w(Fe₂O₃)<15%、12%<w(CaO)<30%、硅铝比大于1.7、碱酸比大于0.5时均可以保证机组正常运行且没有明显沾污；燃用高碱煤后可有效降低第一级受热面入口烟气温度至设计值以下，避免锅炉第一级受热面结渣情况，NO_x生成量也较燃用原设计煤种下降超30%。

新疆准东高碱煤是优良的动力煤种，但大比例燃用高碱煤时锅炉设备易发生严重结渣问题，燃用准东煤锅炉的燃烧系统设计原则与提高低负荷稳燃能力的传统技术措施相矛盾。为解决该问题，基于煤粉稳定燃烧机理，研究了节油点火燃烧器布置优化、中层燃烧器交错布置、煤粉浓度在线可调、燃烧器结构优化等措施。某燃用准东高碱煤的350 MW机组对冲燃烧锅炉深度调峰改造项目应用该技术，实现了不投油稳燃负荷低于18%额定负荷。

为研究高碱煤热转化过程中钠的释出特性，采用原煤和水萃取煤分别进行燃烧实验和热解实验来对比分析高碱煤和低碱煤中钠的释出特性，探究不同煤质的煤样在燃烧时煤样中不同赋存形态钠的释出特性变化以及气氛变化对钠释出的影响。结果表明：在进行燃烧实验时，高碱煤在300~500 ℃时钠的释出量增加缓慢，在500~1 100 ℃时钠的释出量增加较快，低碱煤在300~500 ℃时钠的释出量增加较快，在500~1 100 ℃时钠的释出量增加缓慢，由此可知煤质是影响钠释出的主要原因之一，钠的释出特性会因煤质中成分差异而受到较大影响；燃烧和热解2种不同气氛下钠释出特性相似，热解过程中钠释出率变化平缓，且热解过程中钠释出率会比燃烧过程低7.0%左右；有机钠和水溶性钠2种不同赋存形态钠因释出途径不同而导致释出特性有所差异。

为降低燃料采购成本，保证燃料供应，甘肃某电厂大比例掺烧了部分新疆高碱的广汇煤和新疆能源煤。高碱煤掺烧后，锅炉出现较严重的受热面高温腐蚀和结焦现象，负荷最高只能带到85%ECR。为减轻高温腐蚀，对锅炉开展了煤质特性、燃烧优化调整和设备改进技术研究。结果表明：锅炉燃用较低硫份煤的情况下仍然发生较严重的高温腐蚀，主要与新疆煤中的钠、钙等碱金属及氯质量分数较高有关，通过提高氧量、降低一次风量、减弱燃烧器外二次风旋流强度和开大贴壁风等运行调整手段，可以一定程度上改善水冷壁高温腐蚀特性；彻底解决该问题，还需使用添加剂、进行防高温腐蚀喷涂、增加吹灰器、改进贴壁风和燃烧器设计等技术途径。该研究成果可为解决高碱煤掺烧过程中出现类似问题的电厂提供借鉴和参考。

随着新能源发电装机量增加导致电网调峰压力增大，火电机组要承担更多调峰任务，但目前火电机组的灵活性和调峰能力都较差。针对某亚临界300 MW燃煤机组，进行熔盐储能改造，提出了6种储热策略和2种放热策略，分析了3种工况下储-放热过程对机组调峰能力及热力性能的影响，并用净现值法进行了技术经济分析。结果表明：抽再热蒸汽储热可行性高，调峰深度能到58.9%，但会增加煤耗；放热时，加热给水产生蒸汽做功的发电增量最大，能到额定发电量的11.3%，但对熔盐的温度水平要求高；高温熔盐代替低压加热器预热给水可行性高，但发电增量低；储-放热全过程中，循环电效率最高可达0.987；进行了储热改造经济性分析，计算得动态投资回收期为11.65年，净现值为4 911.8万元，改造方案可行。

新能源大量并网，超临界火电机组参与调峰容易造成中间点过热度较大波动，从而导致过热蒸汽超温等问题。为较好控制中间点过热度达到稳定，提出了一种基于双深度输入凸神经网络多模型（muti-DDICNN model）的中间点过热度预测方法，分别训练了不同预测步长下子模型，构建了中间点过热度状态预测网络（SPNN）和误差预测网络（EPNN）。利用此预测网络凸性质，设计了一种基于双深度输入凸神经网络多模型预测控制器（DDICNN-MPC），将控制问题转化为凸优化问题，求取控制矩阵对目标函数的雅可比矩阵，采用梯度下降法计算控制矩阵最优解。仿真结果表明，DDICNN-MPC能快速平稳地跟踪中间点过热度设定值，且稳态误差较小，具有较好的调节能力。

涡旋膨胀机作为有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）核心部件之一，其运行特性直接影响了ORC的性能。首先，建立了涡旋膨胀机的三维瞬态仿真模型，通过数值模拟的方法，系统地分析了不同工况下吸气压力、排气压力、转速和对涡旋膨胀机输出功率和等熵效率的影响；其次，分析了不同工况对涡旋膨胀机瞬态性能的影响，较为全面地分析了其中的机理；最后，通过实验室搭建的ORC低温余热无油发电系统试验台验证了数值模型的准确性，实验结果与数值模拟结果吻合良好，验证了数值模拟方法的可靠性和适用性。研究结果对涡旋膨胀机的设计和优化具有重要的参考价值。

为提升煤电机组灵活性，锅炉需具备良好的可控性和适应负荷快速变化的能力。锅炉灵活性与控制系统性能密切相关，而后者是基于动态特性设计的。为研究锅炉的动态特性，在Dymola平台中建立了某超临界660 MW机组直流锅炉的动态模型。结果表明：当锅炉入口参数发生扰动时，蒸汽温度的响应时间比蒸汽流量更长；当给水温度、给水量与燃料量分别阶跃增加5%时，主蒸汽温度分别变化10.2 ℃、–28.5 ℃和35.7 ℃；在锅炉的水煤配比调节过程中，给水量和燃料量变化时间不同会对主蒸汽温度产生不同的影响；当给水量比燃料量延迟约100 s作用时，主蒸汽温度在瞬态过程中的最大偏差相对于二者同时变化的情况减少了27.4 ℃；当变负荷幅度相同时，变负荷速率越大，主蒸汽参数的波动越剧烈，趋于稳定所需的时间越长。

为进一步探究超临界二氧化碳透平内部的损失机制，针对某透平级采用数值方法研究了其流动特性，将静叶与动叶通道内的损失进行分解，定量计算了各项损失大小及其占比，明晰了超临界二氧化碳透平级的损失大小序列。结果表明，超临界二氧化碳介质密度大和透平叶高小导致其隔板密封和叶顶密封的泄漏损失巨大，级负荷为0.93，静叶间隙相对高度为0.012，动叶间隙相对高度为0.010时，泄漏损失占级总损失的38.23%，其中隔板密封泄漏损失占比为21.94%，叶顶密封泄漏损失占比为16.29%。除泄漏损失外：静叶栅通道内，叶片平均最大厚度比弦长为0.33，展弦比为2.07时，型面损失远高于端壁损失和尾迹损失，占级总损失的9.68%；动叶栅通道内，叶片平均最大厚度比弦长为0.28，展弦比为1.73时，型面损失、端壁损失和尾迹损失相差不大，型面损失仍然占比最高，达到级总损失的15.39%；动叶通道内的二次流影响范围更大，导致其端壁损失远高于静叶端壁损失，其壁面附近流体的黏性耗散和马蹄涡、通道涡等造成的二次流损失是端壁损失的主要来源。研究结果可为超临界二氧化碳透平的优化设计提供方向指引和数据支撑。

为了提高火电厂送引风机运行的全程安全化、故障诊断准确化、生产收益长期化，将风险问题前置是提升机组运行安全性的关键。基于此，提出了融合多层感知机和多项式拟合的大数据平台风机故障诊断模型。采用多层感知机和多项式拟合建模技术建立风机预警模型，并将模型部署在大数据平台中，能及时发现风机运行期间人工难以发现的异常。采用数据挖掘、机理分析和特征值知识库相结合的方法，挖掘风机失速的参数边界信息，精准化配置各种工况的风机失速边界条件并绘制失速边界工况图，然后结合正常运行工况得出预警失速区间，最终建立覆盖风机全工况的故障诊断模型。利用大数据平台对风机运行数据全覆盖、全流通、全维护的优势，构建了基于大数据平台的风机智能巡盘模型体系，实现以智能巡盘模型代替运行人员对风机运行状态进行定期巡盘监视和诊断，达到风机故障的准确安全诊断、故障发生率最低化及人员复用率最大化的效果。

针对风电机组数据采集与监视控制（SCADA）系统数据维数较高、特征冗余、特征相关性高导致风电机组的故障诊断过程存在误差大、分类正确率低的问题，提出一种基于LightGBM-VIF-MIC-SFS的三段式特征选择方法。首先，根据LightGBM实现对所有特征的重要性计算，确定初步特征空间；其次，根据方差膨胀因子（VIF）和最大信息系数（MIC）构建相关性判别阵，据此评估一次筛选中重要性相近的特征，舍弃相似性高的输入特征；最后，使用序列前向搜索法对特征进行第3次处理，逐个输入前2次特征选择获得的特征，保留能提升系统性能的特征，从而实现最终特征的选取。在完成了模型的建立后，使用风电场真实SCADA系统数据进行性能评估，将所提方法与2种对比算法在6个数据集上进行对比，结果显示所提出的LightGBM-VIF-MIC-SFS相较2种对比特征选择算法有显著优势。对所提方法内部的3个模块进行了消融实验，有效验证了所提特征选取方法内部各个模块的有效性以及基于所提方法得到的最优特征空间的合理性及准确性。

故障模式与影响分析（FMEA）是辨识系统潜在故障模式，并评估其危害度的一种有效的可靠性分析方法。传统FMEA在分析过程中存在未考虑不同风险因素的权重、RPN对风险因素的变化敏感、难以处理专家主观评分信息以及未考虑故障模式间的传播影响关系等诸多缺陷。针对上述缺陷，提出了一种改进的FMEA方法。通过引入可靠性屋、粗糙集理论和理想点法来提高对故障模式危害度分析的准确性和客观性。相较于传统的FMEA，所提出的改进FMEA能够有效处理专家评分信息的主观性与不确定性问题，充分考虑了故障模式间的传播影响，能够在属性冲突及各种不确定性的情况下，对故障模式的风险等级进行排序。利用提出的改进FMEA对某型号风电机组的潜在故障模式进行了分析，获得了各故障模式的危害度排序以及各子系统的危害度排序。根据排序结果辨识出风电机组的可靠性薄弱环节和关键子系统，并给出各故障模式和各子系统的危害度权重，可为风电机组的可靠性优化设计提供数据支撑。

针对亚临界600 MW自然循环对冲燃烧锅炉燃用3种差异性较大的煤种，通过数值模拟结合现场试验研究了分磨配煤掺烧对降低飞灰含碳量的作用机制，建立了对冲锅炉分层燃烧混煤的燃料特性与燃尽率、飞灰含碳量的关联性，并提出了改善电站锅炉中煤粉燃尽特性的配煤原则。首先设定了3种极端的工况，以优质煤为主分别集中在燃烧器的上、中、下3层燃烧器中进行燃烧；再通过计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟发现优质煤在上层燃烧器分布且劣质煤在下层分布时，劣质煤在炉内的停留时间显著增加，其在上层高温区充分燃烧，飞灰含碳量低。同时，根据不同工况下各层燃烧器煤粉的热值、挥发分、灰分进行分析，发现热值差异性是影响其燃尽特性的主要影响因素；然后基于燃煤电厂实际运行条件，设置了更切合实际的配煤工况，并进行了数值模拟与现场试试验研究，发现各工况下呈现的煤粉总体燃尽特性符合上述规律，飞灰含碳量相比于电厂原始运行工况下降。最后得到配煤原则为：在充分考虑电厂实际运行条件的情况下，将高热值的煤种向中、上层燃烧器布置，而低热值的煤种向中、下层燃烧器分布。

火电机组目前面对电力中长期合约市场、现货市场、辅助服务调峰调频市场，民用供热及工业供热等多种电热产品售卖途径，需要根据市场交易机制、运营成本及碳排放成本，在各种市场中优化分配有限的火电机组电热产品以获取最大利润。提出了火电机组运营智慧决策系统，采用通用开发平台，考虑了实时热电成本分摊、实时热电转换比、实时平衡利润比等，该智慧决策系统可以帮助火电企业实现实时的经营核算，并给出各级市场最优组合竞价策略及提供机组最佳运行方式。

提出一种基于改进灰狼（MGWO）算法优化双向长短时记忆（BiLSTM）神经网络的水冷壁壁温预测模型，灰狼算法采用非线性因子调整策略、自适应位置更新策略和动态权重修改策略进行改进以提升算法的全局寻优能力，利用改进灰狼算法优化BiLSTM模型的隐藏层数量、学习率和正则化参数以提高模型的预测精度，采用新疆某电厂的数据进行预测仿真，结果表明：改进后的算法预测精度更高，在机组升、降负荷时，均可以预测到壁温的变化趋势，模型的平均均方根误差相比于长短时记忆（LSTM）神经网络、BiLSTM模型分别降低了9.86%和3.69%，且可以提前预测到水冷壁壁温的超温情况，对于预防水冷壁超温有重要意义。