锅炉动力配煤优化模型和专家系统研发及炉内燃烧仿真优化研究

摘要

混煤的合理搭配使用对于锅炉的安全、经济和稳定运行非常重要，由于湖南的煤煤种杂，煤质差，前煤炭部部长提出，“烧好湖南的煤，是湖南经济发展的大课题”。本研究以益阳发电有限责任公司重点项目“多煤种适应性分析研究”为工程背景，针对湖南电厂动力配煤技术研究的不足，查阅了大量文献资料，开展了一系列的现场调研和实验研究，采用神经网络和遗传算法、穷举法、退火法以及动力配煤原理，根据煤质基本数据和燃烧特性实验结果，建立非线性预测模型和配煤优化模型，开发动力配煤专家系统软件。在此基础上，根据配煤价格和适应度比较分析了各种算法得到的配煤方法的优劣。应用计算流体力学等理论建立了模型对混煤在锅炉内的燃烧进行了数值仿真，进一步分析了各种优化配煤方案的实际燃烧效果，并进行了锅炉的参数优化研究。主要研究内容和结论有:
　　 (1)在益阳发电有限责任公司较常用煤种中选取具有代表性的15种单煤，混配成45种混煤。实验测试得到单煤和混煤的发热量、元素分析和工业分析结果、可燃性指数和着火稳燃特性指数。对混煤煤质特性的实验分析结果与混煤中各单煤线性加权计算结果进行对比，结果表明:绝大多数混煤煤质特性与单煤线性加权特性呈现较强的非线性关系。
　　 (2)应用广义回归神经网络(GRNN)理论建立了混煤煤质特性、着火温度和着火稳燃特性指数预测模型，运用模型对混煤的低位发热量、工业分析、元素分析、着火温度、着火稳燃特性指数进行了预测。将模型预测结果、线性加权值与实测结果进行对比分析，结果表明:预测结果与实测值相差较小;预测结果与线性加权比较，误差都有了明显降低。
　　 (3)选取混煤价格最低作为目标函数，采用神经网络模型预测混煤的煤质特性，建立了包括穷举法、遗传算法和模拟退火算法的多算法动力配煤模型，在此基础上，开发了首个针对湖南电厂动力配煤优化问题的专家系统软件。该动力配煤软件可实现以下主要功能:运行时更新单煤种数据库;根据现有的煤质数据库，对选定的进行掺混的煤种以及比例进行混煤的煤质特性预测与元素分析预测，而后评价该种混煤的煤质特性以及元素分析;根据用户设定的约束条件，分别采用穷举法、遗传算法及模拟退火算法，寻求优化的配煤方案。
　　 (4)运用Fluent6.3仿真软件，采用可实现的κ-ε气相湍流模型、Lagrangian颗粒相随机轨道模型、P1辐射换热模型，对锅炉内物理场进行了仿真计算，并将部分温度点与该锅炉燃烧优化调整试验测试结果进行比较，仿真结果与测试结果吻合较好。首次应用仿真方法计算和分析比较多算法动力配煤方案条件下锅炉内的温度场，计算结果表明:按照价格作为判别合理配煤方案的标准在多数情况下燃烧能达到较好的效果;穷举法是精确的算法，计算可以得到全局最优解。
　　 (5)首次全面系统地应用仿真的方法研究了主要操作参数对炉内燃烧工况的影响规律，获得的优化操作条件为:过剩空气系数1.2;一次风率20％;一次风温度433K;二次风温度620K;均匀投粉。
　　 本文的研究成果已在益阳发电有限公司成功应用。所开发的动力配煤专家系统软件应用于锅炉配煤，可实现锅炉的计算机辅助决策，最终达到优化配煤、优化操作、稳定锅炉燃烧的目的。本成果可在众多同类型发电厂上推广应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内及湖南省煤炭资源现状

1．1．1 我国煤炭资源概述

1．1．2 湖南省煤炭资源

1．2 动力配煤的意义及发展现状

1．2．1 动力配煤的意义和研究背景

1．2．2 国外动力配煤技术研究现状

1．2．3 国内动力配煤技术研究现状

1．3 研究背景和主要内容

第二章 混煤煤质特性和着火燃烧特性实验研究

2．1 单煤煤质特性

2．2 混煤煤质特性

2．2．1 配煤的混煤方案

2．2．2 配煤煤质特性

2．3 煤的燃烧特性研究

2．3．1 煤的着火燃烧

2．3．2 燃烧特性参数的实验研究

2．3．3 着火特性和燃烧特性判别指数

2．3．4 热重分析实验结果

2．4 小结

第三章 神经网络预测煤质特性研究

3．1 GRNN网络基本原理

3．1．1 网络结构

3．1．2 预测算法

3．2 GRNN网络煤质预测

3．2．1 模型描述

3．2．2 数据处理

3．2．3 模型应用

3．3 GRNN法混煤煤质预测结果

3．3．1 混煤煤质预测模型性能分析及其发热量预测结果

3．3．2 混煤工业分析和元素分析预测

3．3．3 混煤着火温度预测

3．3．4 混煤着火稳燃特性指数预测

3．4 小结

第四章 动力配煤数学模型的建立及求解

4．1 动力配煤数学模型的建立

4．1．1 确定约束条件

4．1．2 确定目标函数

4．1．3 建立数学模型

4．2 穷举法在动力配煤求解中的应用

4．2．1 穷举法简介

4．2．2 穷举法求解动力配煤数学模型的结果

4．3 遗传算法在动力配煤求解中的应用

4．3．1 遗传算法简介

4．3．2 遗传算法设计的基本步骤

4．3．3 遗传算法动力配煤数学模型的建立

4．3．4 遗传算法性能参数的确定

4．3．5 遗传算法求解动力配煤数学模型的结果

4．4 模拟退火算法在动力配煤求解中的应用

4．4．1 模拟退火算法简介

4．4．2 模拟退火算法求解动力配煤数学模型步骤

4．4．3 模拟退火算法中各参数的确定

4．4．4 模拟退火算法寻优结果

4．4．5 三种算法结果的比较

4．5 本章小结

第五章 动力配煤专家系统软件的开发

5．1 动力配煤专家系统介绍及开发工具

5．1．1 动力配煤专家系统介绍

5．1．2 动力配煤专家系统开发工具

5．2 动力配煤专家系统各模块的开发

5．2．1 单煤数据库模块

5．2．2 混煤煤质预测及元素预测模块

5．2．3 动力配煤操作模块

5．3 软件界面介绍

5．4 本章小结

第六章 锅炉内湍流流动与燃烧数学模型

6．1 湍流流动数学模型

6．1．1 湍流时均流的控制方程组

6．1．2 湍流流动模型

6．1．3 壁函数

6．2 湍流气固两相数学模型

6．2．1 气固两相数学模型简介

6．2．2 颗粒轨道模型

6．3 辐射换热数学模型

6．4 煤粉燃烧数学模型

6．4．1 挥发份析出模型

6．4．2 焦炭燃烧模型

6．5 计算方法与计算软件

6．5．1 计算方法

6．5．2 计算软件

第七章 锅炉内混煤燃烧过程的数值模拟研究和参数优化

7．1 锅炉燃烧验证性试验研究

7．1．1 锅炉技术参数和结构

7．1．2 试验工况

7．1．3 试验测试结果

7．2 四角切圆锅炉的数值模拟

7．2．1 数学模型

7．2．2 仿真计算结果及分析

7．2．3 仿真结果的验证

7．3 不同算法所得混煤方案的数值仿真分析

7．3．1 穷举法混煤方案比较

7．3．2 遗传算法混煤方案比较

7．3．3 模拟退火算法混煤方案比较

7．4 操作参数的影响及优化

7．4．1 过量空气系数n对燃烧的影响

7．4．2 一次风率对燃烧的影响

7．4．3 一次风温对燃烧的影响

7．4．4 二次风温对燃烧的影响

7．4．5 煤粉投放方式对燃烧的影晌

7．5 小结

第八章 结论与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间科研业绩