由于环境压力与经济动力，以及我国大型燃煤发电机组参与调峰运行的特殊国情，作为我国主要电力生产源的燃煤发电机组，面临运行安全性和经济性的挑战。研究大型燃煤发电机组锅炉系统在不同负荷、不同煤种、不同运行方式等广义变工况运行条件下的性能特征，显得尤为重要。本文提出的非均等多分段集总参数机理建模方法，基于锅炉系统的设备和子系统结构层次，建立了分层级的精细仿真模型。并按照各设备内部和其子系统之间的实际传热传质关系而设计的耦合参数传递拓扑结构，将各层次模型连接、封装，构造了锅炉系统整体模型。具体来说，本文依据主要工质和功能的不同，将锅炉系统划分为磨煤制粉系统、炉膛风烟系统和汽水系统三个子系统；对磨煤制粉系统，按照功能环节，进一步划分为混合调温模块、磨煤出力模块、风粉混合输送模块和风粉换热模块；对炉膛风烟系统和汽水系统，则依据现场燃烧器布置和换热设备结构等，进一步划分为冷灰斗模块、燃烧区域模块、不带燃烧器的炉膛换热模块、过热器模块、再热器模块和省煤器、空预器模块等，其中过热器模块中嵌入了喷水减温环节模块。细致的模型划分满足精细化模拟的要求，同时，站在系统的角度，充分考虑各个设备与子系统的相互影响关系，设计热力计算参数传递，也满足了耦合化影响的模拟特征。利用锅炉设计数据，对本模型进行了验证。同设计数据相比，模型模拟计算的主要监控热力参数误差都在5%以内，证明了其正确性和准确性。在此基础上，针对不同负荷工况，模拟计算出锅炉系统内部的热力参数分布，由此计算出煤耗率和锅炉效率等能耗指标。该对象锅炉，在设计工况下煤耗率最低，而锅炉效率最高。另外，还利用模型模拟计算了耗差分析试验对应的煤种、运行方式和负荷条件下的性能状况。模型模拟结果显示，主蒸汽温度和再热蒸汽温度偏低，锅炉煤耗率有所上升。最后，针对同一负荷下，燃烧器的不同投运方式，本文利用所建立的模型也进行了相关模拟研究。发现在燃烧器投运靠上时，炉膛出口烟气温度偏高，过热汽温偏低，再热汽温则偏高。从安全经济性角度分析，证明燃烧器投运“投下停上”的原则。本文模型的建立为今后变工况条件下锅炉各部分乃至燃煤发电机组全厂的能耗分布计算和节能潜力挖掘提供了模型准备和数据支持。