2013数模电工杯论文

1、锅炉的优化运行问题摘 要众所周知，能源是国民经济的重要基础，是现在社会正常运转不可或缺的基本条件， 它关系到生活的方方面面。世界各国都很注重能源的利用和新能源的开发。同时，随着 全球能源危机的即将到来，能源优化问题的重要性就不言而喻了。锅炉是一种我们日常生活中用量能量转换设备，火力发电是我国主要的发电方式。随着时间的推移，环保节 能成为中国电力工业结构调整的重要方向。 锅炉的优化现如今锅炉效率依然有待于提高， 解决能源的浪费，提高锅炉的运行效率，是急需要解决的问题。然而，在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空 气量，超过的部分称为过量空气量，过量空气系数是指实际空气

2、量 与理论空气量 之比。 过量空气系数直接影响排烟热损失 、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失 、机械 （或固体）不完全燃烧热损失。可见，当炉膛出口过量空气系数增加时，先减少后增加，有一个最小值，与此最小值对应的空气系数称为最佳过量空气系数。锅炉的优化运 行问题”是通过研究最佳过量空气系数和锅炉运行主要参数。反平衡方法计算锅炉效率，符合实际地提高锅炉运行效率，从而对电厂经济性产生 积极影响更好地满足人们的生活需求。为了解决好锅炉优化运行的问题，我们采用数学建模的形式将其尽可能的优化。 方法：神经网络分析法，导函数模型法，根据所给的数据选取一两个，通过Matlab软件使用线性回归。进行数据的拟

3、合与运算。求得最佳结果。关键词：过量空气系数锅炉运行主要参数反平衡方法锅炉运行效率积极影响问题重述锅炉是火力发电厂的关键设备之一，火电厂对电力事业做出了巨大的贡献，随着经济的 飞速发展，“电”成为人类生活中不可或缺的重要需求品，但资源稀缺是人类面临的共同 问题，节能是我们应尽的责任，由于设备和运行的原因，锅炉的实际效率只能达到设计 效率的80%左右，因此，我们不得不谈谈”锅炉运行效率 的问题。1.2问题（1）确定锅炉运行的最佳过量空气系数；（2）给出锅炉效率与过量空气系数的关系；（3）研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响；（4）探讨锅炉的优化运行方法。问题分析对于问题（1）我们分为三个小问题进行

4、解决1）过量空气系数的定义：在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总 是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量，过量空气系数是指实际空气量V与理论空气量Vo之比。2）过量空气系数与热损失的函数关系：与排烟热损失q2的关系、与化学不（或可燃实气体未）完全燃烧热损失q3的关系、与机械（或固体）不完全燃烧热损，失q4的关系。3）最佳过量空气系数的确定：当炉膛出口过量空气系数 1增加时，Cb q3 q4先减少 后增加，有一个最小值，与此最小值对应的空气系数称为最佳过量空气系数。以300MW 锅炉为例进行分析（锅炉参数见附录 1）表一：实验得到炉膛出口飞灰含碳量 Cfh与过量空气系数数据

5、1.11.151.21.251.31.351.41.451.5Cfh/%5.905.104.754.64.554.504.454.434.50利用表一的数据建立飞灰含碳量 Gh与过量空气系数的方程函数关系并求导，导数为 o 的点即为所求最小值点。对于问题（2）利用已建立的方程将用热损失qi表示出来再带入反平衡方法计算锅炉效率的公式QiQ100 100-( q2 q3 q4 qd来求得锅炉效率与过量空气系数的关系。对于问题（3）我们利用神经元的相关特点进行求解： 多输入单输出特点对应多个运行参数和一个运行效率； 单项输入特点符合锅炉运行流程； 各不同单元之间没有直接联系正如各个运行参数之间没有直

6、接联系三、模型假设1. 假设人为测量误差可以忽略；2假设散热损失qs和灰渣物理热损失qe为常数；（由于无法进行煤质和灰渣含 碳量的在线分析，现在还做不到锅炉效率的在线监测）3假设过量空气系数在1.02.2之间；4.假设在分析过量空气系数时，影响锅炉运行效率的其他因素为最佳状态。四、定义与符号说明根据问题分析，本文定义相关概念如下:常量Q为q5与qe的值之和。X:过量空气系数y： y为Cfh （飞灰含碳量）Q - 低克8料的輔：农黯埔.UP 烟5帝疋的V t kJ*閒f 惭气所筲水療汽的处敷“F. 邢f克魅料粕乍曲的F«l气体枫W1沁 “ 一烟气中所含m*/m*rc . tiW'

7、;的屮比嬉* U/( m ' K hj一木恳汽的'KtJ It 1 kJ/( m1 * K »；«, 一 HAWJ& vtC 监徘 iUJS. 11五、模型的建立与求解问题一模型的建立与求解1区间缩减模型由于实际供给的空气量总是要大于理论空气量，因此过量空气系数的区间下限应为1,先将区间上限确定为3,利用过量空气系数与锅炉运行效率的关系进行检验后，得出当 等于3时效率太低，没有研究的意义，如此循环地缩减区间的范围，直至将上限初步确 定为2.22. 导函数模型问题一要求确定锅炉运行的最佳过量空气系数。通过查阅资料得知炉膛出口飞灰含碳量Cfh与排烟温度，

8、出口处烟气中二氧化物的含量以及锅炉底部灰渣可燃物含量成正比。将附录2的数据通过EXCE处理后拟合得到如图1的函数关系(纵坐标表示飞灰含碳量， 横坐标表示过量空气系数)，再将函数方程求一阶导数可以得到如图2的导函数图形，纵坐标对应为0的点即导数为0的点所对应的横坐标值即为最佳过量空气系数，由图可以直观形象地看出最佳过量空气系数为 1.425图2问题二模型的建立与求解控制变量模型所谓控制变量即为通过改变一个变量，保持其他无关变量不变，研究这一变量对实验结 果产生的影响，进而得出有关结论。在燃料不变的情况下，适当减小过量空气系数可以 提高锅炉的热效率。（1）减少过量空气系数可使排烟量减少，在排烟温度

9、不变的情况下， 使排烟热损失总量下降；（2）不同煤种对应理论空气量和烟气量也不同，因此应该控制 煤的种类，具体选择参照如下表 2-2 o（3）控制好其它变量以后利用图3的关系可以求 得过量空气系数与锅炉运行效率的关系。入的输出元，即对输入1=（11,12,In）而言,煤丽诫洽rc-A7 4:iW爆54.43軌煤5*+673训煤LF5.122. 1 5311.66223IJ20.K().640.750,470.395.3O.2KA，32 662 6771 7_247115 6176.461碑论炯气W,4 4乳"4"汕ft . XOh问题三模型的建立与求解1. 神经元模型 从神

10、经元的特性和功能可以知道，神经元是一个多输入单输出的信息处理单元，而且， 它对信息的处理是非线性的。根据神经元的特性和功能，可以把神经元抽象为一个简单 的数学模型。工程上用的人工神经元模型如图3所示21.o在神经网络结构上，大量不同的神经元的轴突末梢可以到达同一个神经元的树突并形成大量突触。来源不同的突触所释放的神经递质都可以对同一个神经元的膜电位变化产生作用。我们将影响锅炉运行的各个参数比作不同的轴突末梢形成的大量突触，将锅炉运行的效率比作膜电位。从附 录2中选取几个数据，得到参数与效率之间的关系。，在我们的例子中只包含二个单元， 用以输出与每一组输入数据相对应的分类信息.任何一个中间层单元

11、接受所有输入单元传来的信号，并把处理后的结果传向输出单元，供输出层再次加工，同层的神经元彼此 不相联接，输入与输出单元之间也没有直接联接。这样，除了神经元的形式定义外，我 们又给出了网络结构。有些文献将这样的网络称为两层前传网络，称为两层的理由是， 只有中间层及输出层的单元才对信号进行处理；输入层的单元对输入数据没有任何加工， 故不计算在层数之内。考虑到一个仅有输入层与输出层组成的网络系统，输入单元数目 与每一种参数的测量值数目相等，输入出单元数目适当的选取、每一个输入单元与所有 输出单元联接，第j个输入元到第i个输出元的权记为 Wij，同层单元间无横向联接。无 妨假设所有输入值均已规划到-1

12、,1之间，有因为有竞争学习，输出单元只取0或者1两个值。且对应每组的输入，只有一个输出元取1 去一的输出元记为i，称之为优胜者，对于任何一组输入 s,规定优胜者是有最净输取最大值的单元，其中 Wi是输出元i所有权系数组的向量，也就是说W, -1>». （Vj）J如果权向量是按照的方式标准化的，（16）式等价于|竹-佔为-门，（vo即优胜者是其标准化权向量最靠近输入向量的输出元。令Qi=1，其余的输出Oi=0.这样的输出规定了输入向量的类别，但为了使这种分类方式有意义，问题化为如何学习样本 中所有样品，自然地划分聚类，并对每一聚类找出适当的权向量。然后，将已知样品按照随机顺序输入

13、网络。对输入参数S,按照上文所述确定优胜者i对所有与厂有关的权作如下的修正敬门=爪弓-叫r） I nr; Hi、所以其他输出单元的权保护不变。注意到f _ 1（ _ 1 八所有权的修正公式可统一表示为A叫丁吟丿这一形式也可视为Hebb聿的一种体现。（18）式几何意义是清楚的，每次修正将优胜者的权向量向输入向量移近一小段的距离，这使 得同一样品再次输出时，j有更大的获胜可能。可以合理的预期，反复重复上述步骤， 使得每个输出单元对应了输入向量的一个聚类，相应的权向量落在了该聚类样品的重心附近。另外一个问题是这一算法的收敛性。如果式（18）或者（19）总反应学习效率的参数取为一个固定的常数，权重向量

14、永远不会真正在某一个有限点集上稳定下来。因 此，应当考虑在公式中引进随学习时间而变化的收敛因子。实验结果表明：權標对幕3O0M W机组在找监訓的数据计算得出不同ft荷卜运彳饥輦受化啊1 对锅炉效畢和供电煤!C率的影响如衣3/所小。从农中町以ff出,随看锅炉运ff ；土戢空"i系数増人制幣故率平淅降低，典电煤耗序坯渐升即* 8-3不同负荷运疔氧显JI高对锅炉经济性的响负荷，MW2】02402703110 %0000760.Q0034i n(B7-0.279H-0.274心盟1A/z ” kg'(k'h)+23767一3殆锅炉效率(%)烟气含氧量(%)排烟温度(C)炉底灰

15、渣可燃物(%)空气预热器出口烟气 中二氧化碳含量(%)93.85.08134.081.813.2193.35.21126.211.9213.0593.15.88137.76212.7892.76.84123.152.1712.54问题四的求解根据问题一、问题二题和问题三，对问题的建模与分析，对问题四我们有如下分析固体不完全燃烧热损失主要包括灰渣热损失、飞灰热损失和漏煤热损失三部分。而相关标准中并没有对炉渣、 飞灰的含碳量做出有限值， 因此 ,从炉渣含碳量这个因数的变 化对固体未完全燃烧影响了锅炉运行的效率！ 过量空气系数 a 的确定也直接影响锅炉运 行的效率 ,还有如经济负荷等因素等等的影响，

16、所以，对于锅炉优化运行，我们可以1) 尽量使用粉末状的优质煤种2) 锅炉尽量在最经济的负荷下运行3) 调整锅炉运行的燃烧参数，使其达到最佳状态。六、模型的评价与推广1.本文共用了区间缩减模型、导函数模型、神经元模型和控制变量模型等，本文是将过 量空气系数控制在一个适合的区间，再进行以后步骤的操作，因此区间缩减是进行求解 的基础模型，为求解奠定了良好的桥梁；2. 在经过初步确定过量空气系数对锅炉运行效率先产生积极影响， 在达到某一特定值时 便会产生消极影响，因此利用导函数模型正好直观地反映了两者之间的函数关系，使解 题思路更清晰明了，事半功倍；3. 神经元的 4 种生物行为有：(1) 能处于抑制

17、或兴奋状态；(2) 能产生爆发和平台两种情况；(3) 能产生抑制后的反冲；(4) 具有适应性。突触的 4 种生物行为有：(1) 能进行信息综合；(2) 能产生渐次变化的传送；(3) 有电接触和化学接触等多种连接方式；(4) 会产生延时激发。 因此采用神经元模型将以上理论应用到实际解题中时会更综合，更系统；4. 控制变量理论看起来通俗易懂，但是广为人们使用，至今依然是解决大多数问题的重 要思想，采用控制变量使我们的数据更可靠，更具有说服力。锅炉是广大企业的必备生产设备，所以我们所建立的模型也可以推广到其他相关行业， 同时我们也认识到七：参考文献八：附件附录1锅炉运行主要参数数值名称符号单位计算公

18、式及数据结果碳含量Cy%62.61%氢含量，Hy%3.62%硫含量sy%1.08%氧含量Oy%7.21%氮含量Ny%0.68%无机物水分Wy%10.10%灰分Ay%14.70%应用基高位发热量QgKJ kg25020机组负荷MW298245.3215.8192.3烟气含氧量O2%实测数据平均值5.215.085.886.84主汽流量Dt/h实测数据平均值845.2681.6599.3547.8排烟温度pyC实测数据平均值137.76134.08126.21123.15过热蒸汽压力PgrMPa16.9过热蒸汽温度t grC541给水温度tgsC279试验期间平均耗量BKg/h实测数据平均值129

19、357过热蒸汽量DiKg/h实测数据平均值1074705过热蒸汽压力（绝对 压力）PiMpa实测数据平均值16.3过热蒸汽温度tiC实测数据平均值539.3再热蒸汽入口压力 （绝对压力）P2Mpa实测数据平均值3.9再热蒸汽入口温度t2C实测数据平均值338.5再热蒸汽入口流量D2Kg/h实测数据平均值891191再热蒸汽出口压力 （绝对压力）P2Mpa实测数据平均值3.7再热蒸汽出口温度t2C实测数据平均值538.7再热蒸汽出口流量D2Kg/h实测数据平均值928475再热蒸汽减温水压 力（绝对压力）PzjrMpa实测数据平均值7.7再热蒸汽减温水温 度tZrC实测数据平均值169.4再热蒸

20、汽减温水流量DzjrKg/h=928475-89119137284锅炉给水压力（绝对 压力）PgsMpa实测数据平均值18.4锅炉给水温度t gsC实测数据平均值276.4给水流量D gsKg/h实测数据平均值1074785炉底灰渣可燃物Chz%取样分析值2炉底排渣率hz生产长和验收单位商定0.1空气预热器出口烟 气中二氧化碳含量ro2%烟气分析数据平均值13.05环境温度t ambC实测数据平均值20附录2:实验得到炉膛出口飞灰含碳量 Cm与过量空气系数数据1.11.151.21.251.31.351.41.451.5Cfh/%5.905.104.754.64.554.504.454.434.50附录3 : Cm为yy= 533.3*x6 -4498*xE5 + 16064*xF -30995*xE3 + 33973