我国能源消费结构决定了在未来相当长的时间内燃煤发电机组仍将作为电力供应的主要构成。本文以燃煤发电机组节能优化运行为目标,针对燃煤发电机组热力系统机理模型和非设计工况运行特性进行研究,在热力系统机理建模、非设计工况运行特性规律和节能优化技术应用等领域取得了有特色的进展。本文的研究工作从理论、工具、对象特性和应用四个层面展开。1)理论提出了锅炉换热面准二维建模方法。针对传统集总参数“零维模型”无法分析设备内部参数分布的问题,建立锅炉换热面分层离散准二维集总参数模型,将锅内和炉内离散为多个相互耦合的层,求解锅炉换热面内部的参数分布。针对锅炉辐射换热面和对流换热面的差异,分别建立炉膛水冷壁和省煤器准二维模型,所建立准二维模型的模拟结果与实际运行数据的吻合很好,最大相对误差为0.77%,获得了锅炉内部参数沿烟气流向和工质流向的分布特性,并进一步研究了积灰、漏风等故障工况以及不同燃烧器投运工况的参数分布。提出了基于通流面积特征函数的汽轮机压力级变工况计算方法。针对弗留格尔公式无法进行“已知流量求压力”的汽轮机变工况计算问题,提出和建立了基于通流面积特征函数的汽轮机压力级变工况模型,深入分析汽轮机级内流动的物理关系,得到汽轮机级组压比与G.v/(p0)之间的单调函数,由于该函数只与该级组所包含的通流面积和进入级组蒸汽的绝热系数相关,本文命名为通流面积特征函数。采用汽轮机实际运行数据得到的汽轮机变工况计算结果表明,该方法应用于“已知流量求压力”的汽轮机变工况计算时,最大误差为2.78%,精度较弗留格尔公式有显著提高。上述研究解决了燃煤发电热力系统建模中最主要热力设备锅炉和汽轮机的相关关键问题,为研究热力系统非设计工况的运行特性奠定了基础。2)工具建立了燃煤发电机组热力系统Cycle-Deck机理模型。借鉴航空发动机Cycle-Deck建模思想,由对象机理出发,根据物质、能量平衡定律,按照设备、子系统、全系统的顺序,将各设备的精细仿真模块耦合连接,建立燃煤发电机组热力系统机理模型,直观反应燃煤发电机组的运行特性,精确模拟热力系统各设备运行参数,本文命名为燃煤发电机组热力系统Cycle-Deck机理模型。Cycle-Deck模型实现了针对复杂燃煤发电机组热力系统的非设计工况的仿真,为燃煤发电机组的运行特性以及变拓扑结构热力系统的探索性研究提供支持平台。采用某600MW超临界机组实际数据验证了Cycle-Deck模型的计算精度,结果表明本文所建立的Cycle-Deck模型具有较高的模拟精度,用于验证计算的总计177个数据点中,误差小于3%的占所有数据的97%,误差小于1%的占所有数据的79%。3)对象特性以Cycle-Deck模型为工具,针对燃煤发电机组非设计工况运行特性,研究了主要参数改变的运行特性,得到了锅炉侧给煤量、过量空气系数、燃烧器倾角、过热减温水流量、再热蒸汽压力、给水压力、给水温度、再热蒸汽温度、再热蒸汽流量、一次风温、二次风温、环境温度,以及汽机侧的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压损、再热蒸汽温度、循环水温度、背压和给水温度与燃煤发电机组煤耗率的关系曲线。研究了设备状态改变的热力系统运行特性,发现给水加热器性能劣化对系统热耗率的影响量在满负荷时约为50%负荷的3-6倍,原因是加热器满负荷的设计冗余。发现给水加热器端差会随负荷降低而降低,以600MW机组为例,110%负荷与50%负荷的加热器端差可相差5℃以上,端差随负荷变化和端差不变所计算的系统热耗率在50%负荷时的差值可达74kJ/kWh,仅此项带来的相对误差为0.92%,现场的实际运行数据验证了这个发现。发现各给水加热器的运行参数存在相互耦合,加热器的端差变化有可能对上、下游给水加热器的换热性能产生影响,考虑耦合因素和不考虑耦合因素时,高压加热器端差变化1℃,该设备对热力系统热耗率的影响最大可相差17.1%。研究了拓扑结构改变的热力系统运行特性,发现加热器的切除对系统热耗率的影响呈相互强化,即三个高加同时切除的热耗率增量高于三个加热器单独切除的代数和达36%。4)应用开发和应用了基于发电机功率软测量的热耗率监测技术。针对燃煤发电机组实际运行中出现的凝结水流量测量不准确,导致主蒸汽流量计算不稳定的问题,通过发电机功率软测量来验证凝结水和主蒸汽流量,完善热耗率在线监测功能。该技术已经在某电厂实装投运,某日监测数据标准差为12.2kJ/kWh,仅为同期直接用凝结水流量计算的监测结果的30%,数据波动性低；与热力性能试验的测试结果以及设计数据的比对证明了本方法监测结果的准确性。该技术可用于对热力系统性能实时在线监测和状态评估。研究了主动控制排烟温度的旁路分级省煤器设计技术。针对某些锅炉排烟温度偏高且不可控的问题,在空预器加装并联回路,旁通一部分高温烟气梯级加热给水和凝结水,降低排烟温度,在充分利用锅炉排烟余热的同时还可以降低汽轮机热力系统的热耗率。从结果可以看出,采用空预器旁通分级烟气冷却装置将最终进入电除尘的烟气温度冷却至95℃,降低煤耗2.8g/kWh。与采用低温省煤器的同类技术相比,可额外降低煤耗1.59g/kWh,能量利用效率高。此外,该技术还可以通过改变烟气的旁通实现对排烟温度的主动控制。