随着我国经济结构调整以及风能和光伏等新能源的大规模并网应用,大型燃煤锅炉以低负荷运行状态参与电网深度调峰逐渐成为常态,这也对锅炉的变负荷运行能力提出了更高的要求。当锅炉偏离其设计工况运行时,容易现燃烧效率下降、污染物生成增加、稳燃性下降,甚至出现灭火和受热面超温爆管等问题。为此,本文以某660MW超临界旋流对冲煤粉锅炉为研究对象,深入研究锅炉的变负荷燃烧特性,并深入探讨配风对锅炉变负荷燃烧效率、污染物排放和运行安全性等的影响规律。主要研究内容及结论包括:首先,构建了包括燃烧器在内的锅炉全尺寸三维数理模型,实现了耦合煤粉燃烧、辐射换热和NO_x生成的炉内气固两相流动CFD数值计算,并采用现场试验数据对模拟结果进行了对比验证。在此基础上,对锅炉的变负荷燃烧特性进行研究。结果表明:负荷降低时,旋流二次风卷吸能力的降低使得锅炉的稳燃能力下降,并且燃尽风对上升烟气的扰动能力也逐渐降低;炉膛内高温火焰逐渐向主燃区运行燃烧器区域集中,且回流区面积减小,主燃区CO浓度降低,不利于形成还原性氛围;水冷壁上的热流密度逐渐向主燃区集中,屏式过热器由辐射吸收的热量减少,而由对流吸收的热量增加,水平烟道中的烟气流速、温度和受热面的主要吸热区逐渐向烟道壁面处移动;煤粉颗粒在炉膛内的运行速度降低,煤粉在炉内的停留时间大幅增加,炉膛出口NO_x排放浓度先下降后上升,80%负荷时达到最低。在此基础上,进一步系统研究了过量空气系数、燃尽风、一次风和内外二次风配比对锅炉变负荷燃烧的影响规律。结果表明:过量空气系数增加将会提高中高负荷运行时的NO_x排放浓度,降低煤粉燃烧的稳定性,但有利于降低炉膛出口飞灰含碳量,随负荷的降低,其对炉膛出口飞灰含碳量的影响逐渐下降;燃尽风率增加可提高锅炉中高负荷运行时的燃烧稳定性,降低NO_x的排放,随着负荷的降低,其对飞灰含碳量的影响逐渐减小,而对NO_x排放浓度的影响逐渐增大;一次风率增加将会增加炉膛出口飞灰含碳量,提高中高负荷时的NO_x排放浓度,但可以有效降低低负荷时的NO_x排放浓度;内二次风率的增加可提高锅炉燃烧稳定性,降低炉膛出口飞灰含碳量,同时可以减少低负荷时的NO_x排放量,但会使中高负荷时的NO_x排放浓度增加。最后,基于对锅炉变负荷燃烧特性和变配风数值试验的研究,提出了锅炉变负荷运行的优化配风方案,并对锅炉的变负荷运行进行经济性估算。结果表明:采用优化后的配风方案可明显提高锅炉低负荷燃烧的稳定性,减少固体未完全损失和化学不完全燃烧损失,同时可显著降低低负荷运行时的NO_x排放量。在满足锅炉安全运行的情况下,减少磨煤机投运台数,可有效降低由制粉造成的厂用电量。通过对理想情况下锅炉变负荷运行的燃煤成本和脱硝成本进行济性估算,采用优化后的配风方案可明显降低锅炉的运行成本。