热电联产机组既发电又供热,可显著提高能源转换利用效率,是煤炭等化石能源最高效的利用途径,并可实现供热过程的污染物集中控制,兼具节能减排效益。但传统抽汽供热方式,会造成高品位能量的极大浪费且存在冷源损失。同时,热电联产机组供热期“以热定电”方式运行,调峰能力受到制约,导致参与电网调峰能力弱,加剧供热期风能、太阳能等新能源消纳的矛盾。探索大型热电联产机组的节能途径,实现热电联产机组的全工况节能、灵活运行,在动力工程领域具有重要应用背景和学术意义。本文针对燃煤火力发电的热电联产过程,围绕大型热电联产机组的节能和灵活调峰运行策略开展研究。首先采用基于热力学第二定律的单耗分析方法,建立热电联产机组单耗分析模型,研究热电联产能量转化机理,揭示热电联产机组不同供热模式的能耗分布规律及节能潜力,为热电联产过程节能提供理论依据。进而,从区域级多能互补热电联产供热系统构建、厂级热力系统与电热泵循环系统集成,以及基于斜温层蓄热的热电解耦等不同角度,系统地分析热电联产机组节能及灵活调峰运行的技术途径及热力特性和规律。建立了热电联产机组及热网构成的供热系统单耗分析模型,得到供热系统的理想最低单耗并揭示附加单耗产生的原因;结合实际热电联产机组,对抽汽供热方式单耗分析,获得供热系统各子系统及设备在整个供热周期内的附加单耗分布规律,指出不可逆传热温差是影响热电联产供热附加单耗主要原因。在此基础上通过回收汽轮机乏汽余热降低供热热源平均温度,特别是针对汽轮机排汽余热能梯级供热系统开展研究,分析环境温度变化下余热能供热系统变工况性能,各组成子系统的能耗分布以及附加单耗变化规律。从能量转化机理揭示出不同供热方式能量转化特点。汽轮机排汽余热能梯级供热系统可大幅降低热源平均温度,不可逆损失减少。案例地区供热边界条件下,供热单耗在6.38～15.53 kg/GJ范围内,和抽汽供热相比供热能耗最大降幅达65%,为现场供热改造奠定了理论基础。基于我国北方集中供热地区典型的发电机组结构,构建了含有火电机组、风电机组和热电机组的区域级多能互补热电联产供热系统;提出三类供热系统集成技术路线;建立多能互补供热系统的优化调度模型。以系统在典型日电、热负荷下的总煤耗为主要优化目标,分析不同技术路线的节煤效果和消纳弃风电的情况。获得了高背压供热、电锅炉以及电热泵等供热方式的能耗特性及其对电负荷调节和弃风消纳能力;针对单一供热模式以热定电运行模式存在的问题,提出高背压供热模式与电热泵耦合的组合供热模式,获得了最优的系统节煤效果以及消纳风电能力。在上述工作基础上,面向热电联产机组灵活调峰运行的需求,结合工程实际,以高背压余热梯级供热系统为对象,提出耦合电动热泵回收循环冷却水余热的新型供热系统。获得典型高背压供热系统,以及含有电动热泵的高背压供热系统的热电负荷特性,并开展系统的设计工况和变工况热力学性能分析。结合实际供热需求对新型系统进行技术经济性评价。同时探讨新型系统在弃风消纳背景下的运行策略,对其调峰调度能力适应性展开研究。结果表明,耦合电动热泵的高背压供热系统兼具降低供热能耗和扩大供热机组调峰范围的功能。基于单罐斜温层蓄热系统,开展基于蓄热的供热机组热电解耦可行性分析数值模拟研究。构建与供热机组热源和热网串联的斜温层蓄热模型,在同时蓄放热运行工况下,分析蓄热单罐内温度和斜温层的变化特性,以及不稳定蓄热负荷对蓄热罐向热网放热性能的影响规律。分析两种不同运行模式,即单一蓄/放热和同步蓄/放热运行,斜温层储热罐的动态热力性能。得到了进口流量、进口温度范围等不同运行参数对储热罐温度分布和斜温层厚度的影响。研究结果可为斜温层蓄热技术应用于供热机组的热电解耦提供参考依据。