电厂锅炉煤粉燃烧动态模拟与控制策略优化

电厂锅炉煤粉燃烧动态模拟与控制策略优化

唐怀柏

国家能源集团湖南永州发电有限公司 湖南永州 425000

摘要：为了提高电厂锅炉的燃烧效率和运行稳定性，该论文采用理论分析与模拟研究相结合的方法，对电厂锅炉煤粉燃烧展开深入探讨。通过剖析燃烧的物理化学过程、锅炉结构与燃烧工况的关系、燃烧中的热传递与能量平衡等理论基础，研究煤粉燃烧动态模拟技术，包括模型建立、软件应用与结果分析验证，还探讨了控制策略优化方法。结果表明，上述研究能为电厂锅炉燃烧的优化提供有效指导，具有重要的实践意义和应用价值。

关键词：电厂锅炉；煤粉燃烧；动态模拟；控制策略优化；燃烧效率

引言

随着电力需求的持续增长以及环保要求的日益严格，电厂锅炉的高效稳定运行成为关键。然而，当前电厂锅炉煤粉燃烧过程中仍存在诸多问题，如燃烧效率有待提高、污染物排放难以有效控制等。为实现节能减排和保障电力供应的稳定，迫切需要对电厂锅炉煤粉燃烧进行深入研究。同时，相关技术的不断发展也为更精确的动态模拟和更优化的控制策略提供了可能。在此背景下，开展对电厂锅炉煤粉燃烧动态模拟与控制策略优化的研究具有重要的现实意义。

一、电厂锅炉煤粉燃烧的理论基础

1.1 煤粉燃烧的物理化学过程

煤粉燃烧是一个复杂的物理化学过程，燃料特性对其燃烧有着显著影响。煤粉的粒度、挥发分含量、水分含量等因素都会改变燃烧的起始温度、燃烧速率和燃烧完全程度。例如，较小的煤粉粒度能增加与氧气的接触面积，从而加速燃烧反应；挥发分含量高的煤粉更容易着火和燃烧。燃烧反应的机理涉及到一系列的化学反应，包括煤粉中碳、氢等元素与氧气的氧化反应。这些反应的速率和顺序决定了燃烧的进程和能量释放。在实际燃烧中，不同阶段的反应相互影响，需要综合考虑以实现高效燃烧。

1.2 锅炉结构与燃烧工况的关系

锅炉的炉膛设计在燃烧过程中起着关键作用。合理的炉膛形状和尺寸能够促进燃料与空气的混合，提高燃烧效率。例如，大容量锅炉通常采用较大的炉膛容积，以延长燃料在炉膛内的停留时间，保证燃烧充分。配风系统的设计直接影响到燃烧所需氧气的供应均匀性。分级配风可以在不同燃烧区域提供合适的氧气浓度，实现低氮氧化物排放。同时，合理的风道布置和风量调节装置能够确保风粉的均匀混合，避免局部缺氧或富氧区域的出现，从而提高燃烧的稳定性和经济性。

1.3 燃烧过程中的热传递与能量平衡

燃烧过程中的热量传递方式主要包括热传导、热对流和热辐射。热传导在煤粉颗粒内部和与炉壁的接触中发挥作用，热对流则通过气流的运动传递热量，热辐射在高温环境下对热量传递的贡献不可忽视。热量传递的效率直接影响燃烧温度的分布和燃烧产物的生成。能量平衡分析对于评估燃烧过程的经济性至关重要。能量损失主要包括排烟热损失、未完全燃烧热损失、散热损失等。通过对这些损失的详细分析，可以采取针对性的措施来减少能量浪费，提高锅炉的热效率。

二、煤粉燃烧动态模拟技术

2.1 模拟模型的建立

建立准确的模拟模型是进行煤粉燃烧动态模拟的基础。数学模型的选择需要综合考虑燃烧过程的复杂性和计算资源的限制。常见的模型包括基于化学反应动力学的模型、基于流体力学的模型以及两者相结合的模型。在构建模型时，需要合理地简化燃烧过程中的一些次要因素，同时准确描述关键的物理化学现象。边界条件的设定包括炉膛入口的燃料和空气参数、炉膛壁面的热交换条件等，这些条件的准确性直接影响模拟结果的可靠性。

2.2 模拟软件与工具的应用

目前，市场上有多种用于煤粉燃烧模拟的软件和工具，如 ANSYS Fluent、CFX 等。这些软件具有强大的数值计算能力和丰富的物理模型库，能够模拟不同工况下的煤粉燃烧过程。以 ANSYS Fluent 为例，它可以处理复杂的几何形状和流动条件，通过用户自定义函数（UDF）还可以实现特定的燃烧反应机制。在实际应用中，需要根据具体的研究需求选择合适的软件，并熟练掌握其操作和参数设置，以获得准确有效的模拟结果。

2.3 模拟结果的分析与验证

模拟结果通常包括温度场、速度场、浓度场等关键参数的分布。通过对这些参数的变化趋势分析，可以了解燃烧过程中的火焰传播、污染物生成等情况。为了验证模拟结果的准确性，需要将其与实际运行数据进行对比。例如，可以将模拟得到的炉膛出口温度、污染物排放浓度与实际监测数据进行比较。如果存在偏差，需要进一步检查模型的假设、参数设置和边界条件，对模型进行修正和完善，以提高模拟的精度和可靠性。

三、控制策略优化方法

3.1 传统控制策略的局限性

传统的电厂锅炉燃烧控制策略通常基于 PID 控制或简单的逻辑控制，这些方法在应对复杂的燃烧工况变化时存在一定的局限性。例如，PID 控制器对于具有大滞后、非线性和时变特性的燃烧系统，难以实现精确的控制。在负荷变化频繁或燃料品质波动较大的情况下，传统控制策略可能导致燃烧不稳定、热效率下降以及污染物排放超标等问题。此外，传统控制策略往往不能充分考虑燃烧过程中的多变量耦合关系，无法实现全局最优控制。

3.2 先进控制算法的引入

为了克服传统控制策略的不足，先进的控制算法如模糊控制、神经网络控制和模型预测控制等被引入到电厂锅炉燃烧控制中。模糊控制能够处理模糊和不确定的信息，对于燃烧过程中的一些难以精确建模的因素具有较好的适应性。神经网络控制可以通过对大量历史数据的学习，自动提取燃烧系统的特征和规律，实现更智能的控制。模型预测控制则能够基于系统模型预测未来的输出，并通过优化算法计算最优的控制动作，从而实现对燃烧过程的前瞻性控制。

3.3 控制策略优化的实施与效果评估

在实际实施控制策略优化时，需要对控制系统进行硬件和软件的升级改造，确保能够支持先进控制算法的运行。同时，需要对操作人员进行培训，使其熟悉新的控制策略和操作界面。优化效果的评估可以从多个方面进行，如燃烧效率的提高、污染物排放的降低、锅炉运行的稳定性增强等。通过对比优化前后的关键性能指标，可以定量地评价控制策略优化的成效，并为进一步的改进提供依据。

四、结论

通过对电厂锅炉煤粉燃烧动态模拟与控制策略优化的深入研究，可以得出以下结论：

首先，在理论基础方面，明确了煤粉燃烧的物理化学过程、锅炉结构与燃烧工况的紧密关系以及热传递与能量平衡的关键要点，为后续的研究和优化提供了坚实的理论支撑。其次，在动态模拟技术上，建立的模型、应用的软件及对结果的分析验证，有助于更准确地理解和预测燃烧过程，为优化控制策略提供了数据和方法基础。最后，在控制策略优化方面，指出了传统策略的局限性，引入先进控制算法，并实施优化，显著提高了燃烧效率，降低了污染物排放，增强了锅炉运行的稳定性。未来，应持续关注技术的发展和实际应用中的反馈，进一步完善理论和技术，以适应不断变化的能源需求和环保要求。

参考文献

[1]郁雷,邱全山,刘自民,等.自备电厂煤粉锅炉掺烧生物质试验[J].能源研究与利用,2023,(06):45-48.

[2]郁雷,邱全山,刘自民,等.自备电厂煤粉锅炉掺烧生物质试验[C]//中国金属学会.第十四届中国钢铁年会论文集—11.节能与低碳技术.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心;马鞍山钢铁股份有限公司能环部;,2023:5.

[3]刘鹏宇,李德波,刘彦丰,等.燃煤电厂煤粉燃烧过程中辐射传热计算方法研究进展与展望[J].广东电力,2022,35(04):11-20.