超临界循环流化床锅炉兼备了循环流化床燃烧技术和超临界蒸汽循环的优点,是高效清洁低碳循环流化床锅炉的重要发展方向。炉内燃烧参数分布、受热面三维传热特性及水冷壁热工水动力特性等是超临界循环流化床锅炉设计和优化中需重点研究的关键技术。本文针对超/超临界循环流化床锅炉的研发,发展和建立适用于大尺度超/超临界循环流化床锅炉的三维高效整体数值计算模型,主要进行了以下四部分工作:(1)大型超/超临界循环流化床锅炉炉内气固流动、燃烧及传热过程的数值建模和计算研究;(2)超临界循环流化床锅炉水冷壁传热和热工水动力特性耦合数值计算研究;(3)针对循环流化床悬吊受热面中的超临界工质多管路流动均衡性问题发展模化试验方法。论文首先对已发表的循环流化床燃烧数学模型文献进行综述,讨论循环流化床燃烧模拟的发展历程、研究现状和发展方向;归纳和总结半经验燃烧模型和数值计算模型的结构和特点;根据煤的实际燃烧过程,对构成流化床模型的各个基本子模型进行详细说明;同时,还对流化床燃烧模型中部分关键子模型和参数进行了整理和总结,探讨了大尺度炉膛超/超临界循环流化床锅炉研发中面对的问题和研发要点,为建立适用于大型超/超临界循环流化床锅炉的数值计算模型确定了理论基础和建模思路。在文献综述和总结的基础上,论文建立了适用于大型超/超临界循环流化床锅炉的三维高效整体数值计算模型。模型的流场基于欧拉两相流模型和EMMS曳力模型;燃烧过程考虑了水分蒸发、挥发分析出、焦炭燃烧、气相反应以及燃烧污染产物等过程,其中包括脱硫反应和氮氧化物生成反应;壁面传热基于颗粒团更新传热模型和离散坐标辐射模型,并对水冷壁内工质超临界状态下的热工水动力过程进行了耦合计算。基于企业级服务器的计算能力,该锅炉整体模型能够以高效且准确地模拟大型超/超循环流化床锅炉的炉膛燃烧过程。论文选取330MWe亚临界和350MWe超临界两个典型的大型循环流化床锅炉为燃烧模拟对象,将提出的循环流化床锅炉整体模型成功应用于这两典型大尺度循环流化床锅炉的炉膛计算,得到炉内气固流场、组分场包括硫、氮污染物的燃烧产物、温度场及受热面传热等三维分布结果。模拟得到的出口氧浓度、温度及气相污染物等结果与实炉的运行结果吻合良好。同时,对大型循环流化床锅炉的实际运行结果进行了对比,验证了锅炉整体模型的合理性和准确性,并在此基础上提出了设计运行建议。论文还建立了一种在炉内气固流场模拟结果基础上,通过耦合管内热工水动力和炉侧气固传热来预测超临界循环流化床锅炉水冷壁三维传热及热工水动力特性的计算方法,并成功运用于1000MWe超临界环形炉膛循环流化床锅炉,结果显示工质轴向温度分布受其比热和热流密度的共同影响,在锥形段和拟临界大比热区增加平缓;同时管内质量流率的降低、入口温度增加和炉膛温度增加都会不同程度地影响工质轴向温度分布,工质入口压力和截面风速在一定范围内对工质温度分布影响较小。为了解大型循环流化床悬吊受热面中的超临界工质多管路流动均衡性问题,论文开展了超临界工质流体向下模化设计工作,并获得相应的模化系数,建立了适合超临界循环流化床锅炉的工质模化方法。基于模化方法,以R134a为介质,对超临界循环流化床锅炉高温过热器进行了模化设计,为开展超临界工质流动及传热模化系统提供了理论基础。