燃烧室优化范文

燃烧室优化范文（精选11篇）

燃烧室优化 第1篇

国外现有生产微型燃气轮机的公司, 具有生产涡轮增压器或小型燃气轮机的经验。在此基础上, 将先进的高速发电机和变频技术相结合, 在近10年左右发展了新概念的微型燃气轮机发电机组。我国也曾成功研制和生产过小型燃气轮机。正在努力寻求高速发电机、高效板式回热器、空气轴承等方面的突破[3]。分布式发电及热 (冷) 电联产系统的大力推广也将对微型燃气轮机发电机组的发展起到重要的推动作用[4]。国家科技部在“十五”、“十一五”863计划中, 重点资助了“100 k W微型燃气轮机动力系统”的研究, 并且现在我国很多机构和组织也正在大力研究发展微型燃气轮机。其中, 李军军等[5]利用Matlab建立了微型燃气轮机分布式发电系统的动态模型, 研究得出负荷变化情况下, 该系统具有较好的稳定性;刘哲昊[6]利用VC++软件通过C语言对微型燃气轮机模型进行程序编写, 对不同工况进行稳态以及动态仿真;沈煜欣[7]利用CFD软件进行数值模拟, 考察微型燃气轮机的工作特点和流动特征。

燃烧室是燃气轮机的关键部件之一, 其几何结构和内部流动极其复杂, 设计难度较高[8]。相比于实验方法, 数值模拟的方法不仅可降低成本, 减少人力物力的消耗, 还能缩短设计周期。现采用数值模拟的方法深入探索燃烧室内的流场结构, 对比分析一次风旋流器叶片数目及安装角度对燃烧室性能的影响, 以作出合理优化。

1 物理模型及数值模拟方法

1.1 几何模型

王晋声[9]在已有的燃烧室流体域三维实体模型的基础上, 采用UG软件依次更改一次风旋流器叶片数目以及角度进行模拟计算。叶片数目分别取:12、18、24、30;叶片安装角度分别取:40°、45°、50°、55°。图1给出了燃烧室模型结构图, 图2给出了模型流体域局部图。

1.2 网格划分

燃烧室结构比较复杂, 故沿用已有的10个子域, 采用ICEM软件分别划分结构化网格后再拼接。为便于划分网格, 将每一子域根据具体结构沿周向平均拆分, 取其中之一进行六面体网格划分。同时为提高后期模拟计算准确性, 在附面层以及空气与燃料入口处进行网格局部加密。图3给出了网格分块示意图。

按照图3所示的分块方式, 1~10块结构网格划分见图4。

经过正确的的网格划分, 最终保证了网格质量均在0.3以上。完成网格划分后, 将cfx5文件导入Ansys CFX-Pre中, 并根据每一区域实际数目旋转复制网格, 最终完成燃烧室流体域完整网格绘制, 网格数目大约500万。右图 (图5) 给出了完整的六面体结构化网格划分图。

1.3 数值模拟方法

数值模拟采用ANYSY CFX软件进行, 边界条件设置以及相关模型设置如表1。

2 数值模拟结果分析

本次模拟意图通过改变一次风旋流器的结构, 进而改变旋流的强弱即回流区的大小, 从而改善燃烧室内物质流动、传热传质、相变、射流等过程, 优化目标参数 (燃烧效率、总压恢复系数、出口一氧化氮浓度、圆筒内壁温度、出口温度分布因子[10]) , 提高燃烧室性能。

2.1 燃烧室内部流场冷态结果分析

图6给出了改变叶片数目时, 空间流场流线图。从图中可以看出:气体流经一次风旋流器、二次风旋流器、轴向旋流器时会产生比较强烈的旋流。燃气与空气充分混合, 进入火焰筒后产生明显的回流区。在不考虑燃烧传热的冷态情况下, 随叶片数目增加, 旋流增强。

图7给出了改变叶片数目时, Z=0截面速度矢量图。从图中可以看出:燃料甲烷从导管进入燃烧室头部与一二次风旋流器空间。空气则由空气入口进入, 分为四部分:第一部分进入掺混孔冷却高温烟气;其余进入头部的空气会产生两次漩涡, 首先进入二次风旋流器, 形成点火二次风;然后绝大部分空气进入一次风旋流器, 形成预混一次风;最后第四部分空气则通过前端环形表面进入轴向旋流器。流体在通过三次旋流器时, 速度明显提高。可见, 旋流器的存在提高了燃料与空气的流动速度, 加强了二者混合。在不考虑燃烧传热的冷态情况下, 随叶片数目增加, 旋流越强, 燃料和空气在通过旋流器后速度提高越明显。

2.2 燃烧室内部流场及燃烧特性分析

以叶片数目为24、叶片安装角度为45°为例, 分析燃烧室内部流场及燃烧特性:

图8给出了各参数云图分布。通过图8 (a) 以及图8 (b) 分析, 空气在通过一次风旋流器后, 速度明显提高。大约可从40 m/s提高到160 m/s左右。旋流区可以促进燃料与空气充分混合, 如若未形成明显漩涡, 则不利于组织稳定的燃烧, 燃烧的火焰在尚未完成充分的燃烧反应之前就将被气流直接吹向下游方向。反之, 形成漩涡过强会造成压力损失偏高。通过图8 (c) 可以看出, 由于火焰筒壁面设置为绝热条件, 外围空气没有参与燃烧反应, 该处流体域温度较低。一次风旋流较强, 燃料与空气在一次风空气中充分混合、燃烧, 使得燃烧室头部会出现较高温度, 此处应该选择耐高温材料。通过图8 (d) 可以看出:火焰筒前端温度较低, 这是由于喷射有一定的角度, 而回流区的存在将会造成该区内壁温度较高。另外在掺混孔处由于高速空气掺混高温烟气形成回流, 造成掺混孔附近内壁温度很高。若气流喷角越大, 则越易贴壁进而导致前端温度越高。通过图8 (e) 可以看出:出口截面中心温度较高, 可达到1 500 K的高温, 这是由于火焰筒出口距离掺混孔的距离过短造成。出口截面中心局部高温区越大, 会造成出口截面处温度分布严重不均。通过图8 (f) 可以看出:空气以较高的压力水平进入旋流器, 之后有非常明显的总压损失。气体进入火焰筒时面积突然变大, 在两级旋流器的作用下, 燃料与空气充分混合, 形成回流区, 造成总压损失。通过图8 (g) 可以看出:燃料甲烷从导管进入燃烧室头部与一二次风旋流器空间。在点火区甲烷浓度最高, 主燃区在预混时浓度较高, 其他区域甲烷浓度基本为零。旋流器的存在有效的延长了甲烷在火焰筒内的停留时间, 只要内部气流速度不是很快, 甲烷均可完全燃烧。通过图8 (h) 可以看出:氧气浓度较低, 造成扩散燃烧。而扩散燃烧的存在将会导致无论怎么样改变叶片数目也无法降低一氧化氮浓度。通过图8 (i) 可以看出:回流区内燃烧反应最强, 因此产生的氮氧化物也最高。通过图8 (j) 可以看出:出口截面中心氮氧化物最多, 一氧化氮排放量均超过100×10-6 (ppm) 。而且改变叶片数目无法降低一氧化氮排放量。

2.3 改变叶片数目及叶片安装角度对目标参数的影响分析

分别改变一次风旋流器的叶片数目及叶片安装角度, 完成热态数值模拟, 得到各目标参数结果, 进行对比分析。其中

2.3.1 改变叶片数目对目标参数的影响分析

从表3可以看出

1) 叶片数目对燃烧效率影响很小, 甲烷均基本完全燃烧, 燃烧效率达到99%以上。

2) 总压恢复系数随叶片数目增加而减小。

3) 一氧化氮排出量随叶片数目增加, 先明显减小, 后变化平缓, 叶片数目为24、30时较低。

4) 内壁温度最高值、最低值、平均值均在叶片数目为12时最低, 且随叶片数目增加呈现略微升高趋势。

5) 出口温度分布因子随叶片数目增加而减小, 即叶片数目增加, 温度分布更为均匀。

综合以上分析:叶片数目为24时燃烧效率以及出口温度分布较好, 排放一氧化氮最低, 只需提高总压恢复系数以及尽量降低壁温。因此, 叶片数目采用24片。

在叶片数目为24的条件下, 改变叶片角度进行热态模拟。

2.3.2 改变叶片角度对目标参数的影响分析

从表4可以看出

1) 叶片角度对燃烧效率影响很小, 甲烷均基本完全燃烧, 效率达到99%以上。

2) 总压恢复系数随叶片角度增加而减小。

3) 一氧化氮排出量随叶片数目增加变化很小, 在叶片数目为55°时略高, 50°时最低。

4) 内壁温度最高值、最低值、平均值均在叶片角度为40°时最低, 内壁温度随叶片安装角度增加呈现略微升高趋势

5) 出口温度分布因子随叶片安装角度增加而减小, 即安装角度增加, 温度分布更为均匀。

叶片安装角度变大, 会造成圆筒内壁温度升高, 对圆筒材料造成威胁。虽然温度分布较为均匀, 但压力损失较大, 一氧化氮最多。而安装角度较小时, 以上问题可以避免, 但出口截面温度分布出现不均。综合考虑, 选择叶片安装角度为45°作为最佳结果。

优化后, 叶片数目为24, 叶片安装角度为45°, 燃烧效率99.999 7%, 总压恢复系数94.399 6%, 温度分布因子0.250 2, 排出一氧化氮浓度132.85×10-6 (ppm) , 圆筒内壁最高温度1 400.43 K, 最低温度898.949 K, 平均温度1 180.24 K。

3 结论

利用UG NX以及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室内部流场进行了数值模拟, 优化了目标参数, 改善了燃烧室性能, 得出以下结论:

(1) 通过对叶片数目及安装角度的改变, 在分析了速度场、温度场、压力场、气体分布以及NO生成状况的分布规律后, 得出最佳叶片数目是24片, 最佳叶片角度是45°, 火焰筒内气流旋流状况良好, 既形成了明显的回流区、火焰燃烧稳定, 又没有发生贴壁状况, 避免了高温烟气烧蚀火焰筒壁。

(2) 结构的改变对燃烧室内甲烷的燃烧并无影响, 甲烷基本可保证完全燃烧, 效率均可达到99%以上;随叶片数目或安装角度的增加, 总压恢复系数降低, 出口温度分布因子降低, 圆筒内壁温度升高, 但一氧化氮均较高。

(3) 总压恢复系数较低, 说明对于单罐燃烧室, 其阻力损失较大。

(4) 尾部排放的NO浓度值偏高。可能原因如下:一是扩散燃烧引起, 若通过改变结构将燃烧以预混为主, 可大大降低一氧化氮排放浓度;二是火焰筒前端的燃烧反应的局部温度过高, 若尽量降低该区局部温度, 可减少热力型氮氧化物的生成;三是点火燃料占总燃料的比例会明显影响NO的生成量, 合理改善该比例, 可降低一氧化氮排放。

摘要：为了改进微型燃气轮机结构, 优化燃烧室性能, 采用UG及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室进行几何建模、网格划分、数学及物理模型建立。通过热态数值模拟, 研究了叶片数目为12、18、24、30以及叶片安装角度为40°、45°、50°、55°时的燃烧室内流场及燃烧特性。模拟结果得出:随叶片数目及安装角度的增加, 燃烧室内甲烷燃烧效率基本不变, 均可达99%以上, 总压恢复系数降低, 出口温度分布因子降低, 圆筒内壁温度升高, 但一氧化氮排放无法降低。最终选择叶片数目为24、安装角度为45°作为优化结果。

关键词：微型燃气轮机,数值模拟,叶片数目,安装角度

参考文献

[1] 张丽峰.中国能源供求预测模型及发展对策研究.北京:首都经济贸易大学, 2006Zhang L F.The research of the model of energy supply and demand and the development countermeasure of China.Beijing:Capital University of Economics and Business, 2006

[2] 翁一武, 苏明, 翁史烈.先进微型燃气轮机的特点与应用前景.热能动力工程.2003;18 (2) :111—117Weng Y W, Su M, Weng S L.Characteristics and application prospect of advanced micro gas turbine.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2003;18 (2) :111—117

[3] 赵士杭.新概念的微型燃气轮机的发展.燃气轮机技术, 2001;14 (2) :8—13Zhao S H.Development of new concept of micro gas turbine.Gas Turbine Technology, 2001;14 (2) :8—13

[4] 张丹, 周大汉.微型燃气轮机发电机组发展及国产化.上海节能, 2013; (4) :3—8Zhang D, Zhou D H.Microturbine generator’s development and localization.Shanghai Energy Conservation, 2013; (4) :3—8

[5] 李军军, 吴政球.微型燃气轮机分布式发电系统的建模和仿真.湖南大学学报 (自然科学版) , 2010;37 (10) :57—62Li J J, Wu Z Q.Modeling and simulation of micro-gas turbine distributed generation system.Journal of Hunan University (Natural Sciences) , 2010;37 (10) :57—62

[6] 刘哲昊.微型燃气轮机改进回热方案总体性能仿真研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2012Liu Z H.Performance simulation research of improved scheme of regenerative cycle of micro gas turbine.Harbin:Harbin Engineering University, 2012

[7] 沈煜欣.微型燃气轮机的气动设计方法与内部流动研究.北京:中国科学院研究生院, 2009Shen Y X.Investigation on aerodynamic design method and internal flow of micro gas turbine.Beijing:Institute of Engineering Thermophysics Chinese Academy of Sciences, 2009

[8] 徐世泊.微型燃机低污染燃烧室的流动分析与优化设计.大连:大连理工大学, 2004Xu S B.Flow analysis and optimization design for low pollution combustion chamber of micro turbine.Dalian:Dalian University of Technology, 2004

[9] 王晋声.微型燃气轮机燃烧室的结构设计及数值模拟.哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012Wang J S.Structural design and numerical simulation of micro gas turbine combustor.Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012

燃烧室优化 第2篇

【中文摘要】目前我国仍以火电为主,火电在电力装机比重分别高达70%多,发电量比重分别高达80%多,火电厂耗煤占全国煤炭消耗量的50%以上,这就直接导致火电企业排放二氧化硫占全国排放量45%,排放的二氧化碳占全国碳排放量的40%。因此,火电企业,在低碳经济发展中面临着严峻的节能减排压力。锅炉燃烧过程,是一个极其复杂的物理化学反应过程。在火力发电厂的运行中,由于电网负荷、燃料成分含量等各种实际因素的影响,所以锅炉和机组的实际运行状态在不断的进行调整。在确保锅炉蒸汽的品质、产量和安全运行的同时,实现锅炉的经济运行,就必须要对锅炉的送煤、给水、给风等运行参数进行实时的优化调整和控制。目前国内一些电厂所采用的调节控制大多无法根据锅炉燃烧的特点达到最佳的运行工况。而且随着机组负荷变化,运行效率变化也非常大,很难保持机组运行在最佳运行状态。随机组长期运行,如果还是按原来运行控制基准,运行人员也会表现出不适应机组变化。基于种情况,锅炉的燃烧优化控制系统备受研究人员的关注。而火力发电厂要实现节能降耗,减少污染排放,加强锅炉燃烧侧的优化控制则是最行之有效的方法之一。本文研究了锅炉燃烧优化系统的两项关键技术:模型预测技术和最优搜索技术。并且参照一些国外的先进锅炉燃烧优化系统,讨论实时闭环控制的锅炉燃烧优化系统的软件结构及其技术特点。

【英文摘要】At present,China is still dominated by thermal

power.,and is about 75% of the total of Generation.But thermal power consumption accounts for more than 50% of national coal consumption.Led to emissions of sulfur dioxide is about 45% of the country’s total.While the emissions of carbon dioxide accounts for about 40% of the total.Therefore, thermal powers are facing greater pressure of energy saving in the low-carbon economy.Combustion process is a very complex physical and chemical reactions.The actual state of the boiler and crew is in the constant adjustment because of the change of grid load and so on when power plant is in operation.Therefore, to ensure that the steam quality, production and safe operation, and achieve the boilers and other equipment in the economic operation at the same time, we must optimize and adjust the operating parameters of the boiler which is in operation.Currently used by the regulation control are often not fully control for the characteristics of boiler operating the best conditions.Moreover, with the unit load changing , the change in efficiency operating is also very large, which can not keep unit operating in the best running curve.Over time, the original operational control basis will change ,and the experience of operating personnel will not meet the unit changes.In this case, optimization control system of the

boiler combustion has been more and more attented.In order to achieve saving energy, reducing pollution of thermal power , enhancing optimal control of combustion side of unit is one of the most direct and effective method.In this paper,we desguss two key technologies boiler combustion Optimization System: prediction model technology and optimal search technology.And reference to overseas advanced combustion optimization system discuss the software architecture and technical characteristics of the real-time closed-loop control of the boiler combustion optimization system.【关键词】燃烧系统 神经网络 遗传算法 目标函数 【英文关键词】combustion control system neural networks genetic algorithm objective function 【目录】火电厂锅炉燃烧优化方法分析与研究5-6绍9-10Abstract6

第1章 绪论9-15

摘要1.1 背景介1.3 燃烧优化闭1.2 锅炉燃烧优化现状10-11环控制技术11-13键点13

1.4 成功实施燃烧优化闭环控制软件的关

第2章 锅炉燃烧特性的2.2 电站锅炉燃烧过1.5 本章小结13-15

2.1 概述15神经网络模型15-30程建模的要求15-1717-19

2.3 人工神经网络基本原理

2.3.2 2.3.1 人工神经网络的数学模型17-18人工神经网络的特点18-192.4 BP 神经网络模型设计

19-242.4.1 BP 神经网络模型19-22

2.4.3 模型的层数22-232.4.5 代价函数和激励函数232.5 BP 算法的改进24-25

2.4.2 模型的输2.4.4 模型的拓2.4.6 学习2.6 BP 网络的泛

2.8 入与输出22扑结构23速率23-24化能力25-26本章小结29-30术30-43简介31-3233-34骤35-36

2.7 神经网络模型的训练过程26-29

第3章 基于预测模型的锅炉燃烧最优搜索技

3.2 遗传算法3.3.1 编码3.1 最优搜索技术综述30-313.3 遗传算法的步骤32-363.3.2 适应度34-35

3.3.3 遗传算法的基本步

3.4 遗传算法在3.3.4 遗传算法的收敛性36锅炉燃烧优化中的应用36-4236-37小结42-4343-48

3.4.1 锅炉燃烧优化模型

3.5 本章3.4.2 遗传算法的设计和应用37-42

第4章 锅炉燃烧闭环优化系统探讨4.1 锅炉燃烧优化软件结构43

4.2 国外先进锅炉燃烧优化系统现状43-47优化控制系统44-45最优化技术45-464646-4748-5048-49

4.2.1 Power Perfecter 锅炉燃烧

4.2.2 ULTRAMAX 生产过程的在线辨识与4.2.3 GNOCIS PLUS 燃烧优化系统4.2.4 NeuSIGHT 神经网络燃烧优化闭环控制系统4.3 本章小结47-485.1 研究工作总结485.3 展望49-50

第5章 总结5.2 今后研究的重点

攻读硕

参考文献50-52

致谢士学位期间发表的学术论文及其它成果52-53

火电厂锅炉燃烧优化分析 第3篇

关键词：电站锅炉；燃烧优化

火力发电企业是能源消耗大户，也是我国节能降耗工作的重中之重。在火力发电厂中，燃料煤的成本占发电成本的70%，而我国火力发电平均煤耗与世界先进水平仍有不小的差距。火力发电厂在消耗大量煤炭生产电能的同时，也带来了严重的环境污染问题。所以必须在管理上提高运行人员水平，在技术上提高机组发电效率，采取技术上可行、经济上合理、符合环保要求的措施，减少各环节的损失和能源浪费，控制污染物的排放[1]。

电站燃煤锅炉的燃烧优化技术是以最优化理论为指导，依据锅炉及其他设备运行状况，使锅炉能在设计负荷范围内保持最佳的燃烧状态。

1.锅炉燃烧优化技术的分类

从锅炉燃烧优化技术角度看，锅炉燃烧优化技术可以分为三类：

第一类通过在线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节锅炉燃烧，这类燃烧优化技术目前在国内占据着主导地位。

第二类燃烧优化技术是在DCS的基础上，作为锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化。随着先进控制和人工智能技术的逐步成熟和在工业上成功的应用，这类燃烧优化技术发展迅猛。

第三类燃烧优化技术在设备层面，通过对燃烧器、受热面等的改造实现锅炉的燃烧优化调整。

2.对锅炉运行参数的优化

随着锅炉技术的不断发展，在锅炉蒸汽参数提高和锅炉容量增加的同时，其结构也会因此而逐渐复杂化，致使其在安全和经濟方面，都对锅炉的运行及调节提出了更高的要求，其运行的各项参数是保证正常运行的关键，所以，掌握参数的变化过程就显得极为重要，实际运用中，锅炉的运行参数囊括了锅炉蒸发量、主蒸汽压力温度、再热蒸汽压力温度、燃料量、给水温度、风温风量风压、烟温烟压、炉膛压力等，其变化情况也较为复杂，在实际的运用中具有运行工况的不稳定性现状，所以对锅炉的运行调节应当从以下方面来进行[2]。

首先，要保证锅炉的安全运行，保证蒸汽品质以及汽包的正常水位，使得锅炉的主蒸汽压力及汽温保持在额定范围，与此同时，也要消除各种异常，对锅炉的实际操作和变化规律进行及时的掌握，全面调整相关性能摸底试验得出的参数值，并在此形势下，找到最佳运行基数值；其次，要采用冷空气动力场试验，在实施此试验时，应当先确定设备优化的目标，继而依据其寻找锅炉调整范围和运行方式，实现对锅炉运行参数的优化；最后，依据实验结果分析不同负荷下的锅炉情况，进而达到对最佳运行方式的选择，以求达到最佳的运行基准值，完善其运行参数的优化。

3.对锅炉燃烧控制系统 DCS的优化

在火电厂的运行中，对锅炉燃烧中控制系统地优化改造，是有效促使燃烧效率提高的主要基础，经笔者研究发现，当前火电厂中的对锅炉的改造，大多是通过对DCS系统的优化改造来实现的，主要的措施是提高DCS结构构成方式和组成模式，进而实现对锅炉燃烧中存在问题的综合控制，以达到提高锅炉燃烧效率的目的。

该类型燃烧优化不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在控制的基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率，降低NOx排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，因而成为很多电厂首选的燃烧优化技术。但在实际运用上因可靠性不是很高，严重影响了均衡燃烧控制系统的实际使用效果和广泛推广，主要体现在以下几个方面：

3.1测量问题

测量是锅炉效率计算的关键点，但目前国内的此类设备的测量滞后比较大，导致在线计算的锅炉效率不准确，成为锅炉运行优化控制的一大障碍。要实现NOx的闭环控制，同样也要求NOx的精确和快速测量，这种烟气分析仪表虽然技术和应用都比较成熟，但是设备的价格比较贵，运行维护工作量大，成为燃烧优化控制的又一个难题。现场一般都安装了氧化锆氧量计来进行烟气含氧量的实时测量，但是普遍存在测量误差大、短时间内波动大的问题，这严重影响了锅炉效率计算的准确性和闭环控制的效果。

3.2自适应建模

入炉煤种的不稳定，再加上锅炉检修、积灰、结渣等因素的影响，使得在性能试验数据基础上建立的锅炉模型失配严重，所以如何利用最新的燃烧数据进行模型的在线自适应修正显得格外重要。

3.3如何保证燃烧稳定下实现最大范围的寻优

燃烧优化控制的寻优范围太窄，优化后效果可能会不明显，寻优范围太广，将可能影响燃烧的稳定性。由于近年煤炭资源的紧缺，煤质经常得不到保证，因此燃烧稳定性往往被优先考虑。这使得燃烧优化控制软件需要对燃烧的稳定性进行充分考虑，而不只是简单的性能目标的寻优问题[3]。

4.对锅炉燃烧设备的优化

4.1优化锅炉燃烧器

随着锅炉燃烧技术的进步，燃烧器也在进行着更新换代，国家环保标准越来越严格，越来越多的火电企业将燃烧器更换至低NOx燃烧器。在优化改造时，应当结合锅炉实际，选择合适的燃烧器，此外，还应当结合实际应用情况，综合分析和研究的基础上，提出燃烧器的改造方案。

4.2锅炉静态燃烧优化

对电厂锅炉进行改造的过程中，进行静态燃烧优化。所谓静态燃烧优化，即以锅炉燃烧调整试验为基础，来确定燃烧系统的最佳运行参数，有针对地针对进行优化，从而达到优化锅炉燃烧运行的目的。具体的实施过程中，结合调整实验条件与工况要求、锅炉效率的计算与修正、实验数据的测量与采样，以及试验过程的优化和试验工况的拟定，并最终达到对锅炉燃烧运行静态的优化[4]。

5.结束语

综上所述，锅炉高效稳定运行对电厂的运行发展意义重大，在保障机组安全运行的基础上，笔者从三方面阐述进行锅炉燃烧优化，以便能达到提高锅炉效率，希望能为我国电厂锅炉的稳定运行提供有益的参考。

参考文献：

[1]刘海峰.电站燃煤锅炉燃烧优化系统研究[D].华北电力大学，2013.

[2]武志飞.超（超）临界锅炉燃烧系统设计选型与运行优化[D].河北联合大学，2012.

[3]孔亮，张毅，丁艳军，吴占松，电站锅炉燃烧优化控制技术综述，电力设备，Vol.7，No.2，2006年。

电力锅炉燃烧优化策略探讨 第4篇

电力锅炉燃烧效率关乎我国能源战略的发展。随着自动控制技术的引入, 现代电力锅炉的送风量和送粉量实现优化配置, 提高电力锅炉的燃烧效率从而实现成本优化和减少碳排放。因此, 如何实现电力锅炉燃烧的最优控制, 具有重要的研究价值。火电锅炉是一种复杂的参数时变非线性系统, 同时受到燃煤品质等众多外部因素的影响, 导致控制技术很难实现电力锅炉燃烧过程的实时最优控制。

1 电力锅炉燃烧控制的研究现状

现代工业发展迅速, 国家电网已经进入智能电网时代, 能够实现发电自动控制, 电网频率、电压自动控制和变电站无人值守等高度自动化的功能。与之对应, 作为电力生产设别的电站锅炉的要求也越来越高。在欧美发达国家, 锅炉燃烧的自动化控制已经获得了加大的应用和推广, 近几年来, 通过合理的技术引入和国产技术的研究, 我国大型锅炉的燃烧优化控制已经获得了长足进步并取得了大量成果。

我过电力锅炉的热效率在70%~80%之间, 当参与电网削峰填谷需求时, 锅炉在非额定负荷下工作, 各项参数偏离最优值, 不但造成效率下降, 成本增加, 而且会产生意外停机的隐患。随着计算机技术的高速发展, 计算机控制技术获得广泛应用, 火电锅炉的控制系统研究主要包括系统网络、工程师站和操作员站、组态语言和图形界面。控制系统利用现场总线技术并利用各种先进的控制策略, 实现过程控制自动化和信息管理自动化的结合。其中控制策略主要包括PID控制和模糊控制两个方面。

2 我国电力锅炉燃烧控制的不足

量测设备固有的量测误差和通信过程及数模接口处的误码、延迟, 关键量测数据 (如:飞灰含碳量、排烟温度和烟气含氧量等) 误差偏大或者滞后, 导致风、煤调节失准, 燃烧过程恶化, 效率降低;此外, 这些关键参数间的交互影响和作为调节盘踞的理论依据缺乏深入研究。

无论是国产控制系统还是进口控制系统, 大多采用PID控制器, PID控制器的原理简单, 速度较快, 可以有效处理简单系统的控制问题。但是锅炉燃烧系统属于动态多输入多输出系统, 且包含大量非线性、死区和滞后等特性的元件, 无法建立精确的数学模型。利用单一的控制器, 法有效的实现锅炉燃烧过程的有效控制, 即使在某些事件断面可以实现稳定运行, 但只要出现扰动或者参数变化, 控制策略就会失效。

控制系统中各种参数都是按照稳态运行时进行整定的离线参数, 缺乏自适应能力, 而实际运行工况多变, 单一控制策略无法满足锅炉内部扰动、外部扰动、暂态和稳态等多变的运行状况。如常规主汽压力控制参数按照稳态过程设置, 当电网负荷侧出现打扰动时发电机需要提高发电量, 此时锅炉燃烧的调节速度滞后, 会出现压力越线的问题。

实际发电厂有多组锅炉和多组发电机并行运行, 共用一个主蒸汽母管的情况。为保证母管压力的稳定, 传统的控制策略是由调压炉单独承担调压任务, 其他锅炉保证稳态运行;但当某一时间段母管压力出现大幅震荡时, 单一锅炉无法实现调压任务, 此时可能会导致母管压力的失稳。

3 监测系统节能工作中的改进

量测信号的优化。电力系统PMU量测等具有同步量测和高精度的量测设施可以有效解决量测信息的同步问题。通过对锅炉量测信号添加时标, 实现量测信息的同步, 可以有效避免量测信号的时间误差导致的精度问题。同时, 利用量测信号的冗余度, 对量测生数据进行合理的滤波处理, 剔除错误数据, 滤除误差信息, 有效提高量测数据的精度。

控制技术和控制策略的优化。控制技术包括积分微分 (PID) 控制、模糊控制和预测控制等。不同的控制技术有各自的优缺点, 单一的使用某一个方法无法实现锅炉燃烧过程的有效控制。通过分析锅炉系统中不同子系统的特点和不同控制方法的优缺点, 对不同的子系统选择或者研发出理的控制方法实现针对性控制;对于更复杂的情况, 利用不同控制方法融合技术, 如模糊PID控制、模糊预测控制等, 实现对燃烧系统的复合优化控制。

燃烧系统的协调优化和复合控制。锅炉燃烧控制系统主要包括:送风控制系统、炉膛压力控制系统和燃料量控制系统。进行上述系统的控制进行协调优化, 可能会导致子系统非最优控制, 但可以实现整个燃烧系统的最优控制, 保证燃烧系统的最优运行。

燃烧优化系统顶层设计优化。优化系统可以分为5部分, 包括原始信号的校准、信号的构建、控制系统优化、锅炉燃烧状态的评估和燃烧优化方案的反馈改进。通过改进优化设计的顶层结构, 明确各功能模块的职责, 构建合理的软件平台、采用相应的技术手段和新能评价指标进行现场调试, 保证锅炉燃烧优化系统功能的有效性。

4 总结与展望

电力锅炉燃烧过程的优化控制, 保证锅炉运行各项指标的最优化, 实现经济燃烧和绿色燃烧。但由于电力锅炉燃烧过程建模的复杂性, 以及实际运行各项指标参数间的复杂关系, 各种理论和方法目前还不够完善。电力锅炉的分析计算模型, 锅炉运行中的各种优化控制方法和参数都需要进一步的深入研究和不断提高, 为提高火电厂的经济运行以及电力企业的整体运行进行技术性指导。

摘要：锅炉是火电企业的关键生产设备, 目前火电锅炉能耗约占全国总能耗的20%, 锅炉运行的经济稳定关乎发电企业的竞争力和我国能源的安全。随着工程化水平的提高, 在火电生产行业中, 对电站锅炉的应用水平已经发展到了一个新的历史高度, 电力锅炉的燃烧优化问题有重要的研究价值和工程应用价值。基于目前广泛使用的控制系统, 本文开展针对电厂锅炉燃烧过程中控制策略的优化问题探讨。

关键词：电力锅炉,自动化技术,控制技术,优化技术

参考文献

[1]王存令.电站锅炉燃烧控制系统的优化策略[D].山西大学, 2010.

[2]陈公凯.电站锅炉燃烧自动系统协调优化控制策略的研究[D].山东大学, 2009.

[3]杜杰, 王满家.电站锅炉燃烧控制的新方法—能量平衡法的研究[D].山西电力技术, 1995, 15 (04) :37-40.

[4]高大明.大型电站锅炉燃烧系统优化控制研究[D].华北电力大学, 2005.

燃烧室优化 第5篇

凹腔超声速燃烧室氢气燃烧流场数值模拟

对带长深比为10的凹腔结构的燃烧室二维氢燃烧流场进行数值模拟.燃料喷注方式采用凹腔上游喷注加辅加凹腔前壁、底壁、后壁喷注.采用三阶MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程组,湍流模型采用剪切修正的RNG k-ε湍流模型,对喷氢燃烧工况进行了计算研究,并分别分析了凹腔中不同燃料喷注方式对燃烧特性的影响.结果表明:凹腔是火焰驻留的主要区域;凹腔上游喷注氢,可以使燃料在凹腔中混合燃烧.辅加凹腔中喷氢的三种方式对燃烧状况产生一定的`影响.在凹腔前壁、底面辅加喷氢.没有增强凹腔的稳焰特性,对整个燃烧状态影响不大;在凹腔后壁喷氢,能够增加凹腔中的燃料含量,加强了回流效果,对燃烧状态影响较大.三种喷注方式都没有从根本上改变凹腔燃烧流场的特性.

作 者：杨事民 唐豪 黄h Yang Shimin Tang Hao Huang Yue  作者单位：南京航空航天大学,能源与动力学院,南京,210016 刊 名：火箭推进 英文刊名：JOURNAL OF ROCKET PROPULSION 年，卷(期)：2008 34(1) 分类号：V235.211 关键词：超燃冲压发动机   燃烧室   数值模拟   凹腔结构   燃料喷注方式  

“硫在氧气中燃烧”实验的优化设计 第6篇

[摘要]针对浙教版初中科学教材中“硫在氧气中燃烧”演示实验的不足，对实验进行装置的优化设计。使实验药品微量化，实现绿色化学实验。改进后的实验取得了较好的实验效果。

[关键词]硫在氧气中燃烧 演示实验 优化设计

一、问题的提出

在初中科学《氧气的性质》一节中，“硫在氧气中燃烧”是一个重要的教师演示实验。但教材中介绍的实验方法存在着以下不足：实验过程中硫跟铜制燃烧匙会发生化学反应，使得铜制燃烧匙利用率降低；实验结束后，没有尾气处理过程，二氧化硫自由扩散，污染空气。于是，课题组通过实验探究，对实验进行了优化设计，使实验药品微量化，实现了绿色化学实验。通过改进后的实验装置进行实验教学取得了较好的教学效果。

二、实验的设计

1.实验仪器与药品

实验试剂：5%过氧化氢溶液、二氧化锰固体、硫粉、20%氢氧化钠溶液；

實验仪器：脱脂棉、注射器、集气瓶（250mL）、与集气瓶配套的木塞、玻璃燃烧匙、气球、玻璃导管、药匙、酒精灯等。

2.实验装置图

3.实验步骤和现象

（1）实验准备：在与集气瓶配套的木塞上打出两个孔，可以塞进玻璃燃烧匙、玻璃导管。木塞上插入注射器。在玻璃导管上连接一个气球，作为集气瓶内气压的平衡装置。

（2）加料：用脱脂棉包裹小半药匙的二氧化锰固体放入集气瓶底部，在注射器中加入15 mL 5%的过氧化氢溶液，逐滴滴加过氧化氢至包有二氧化锰的脱脂棉处，使之反应，产生氧气。

（3）引燃：在玻璃燃烧匙中加入半匙硫粉，在酒精灯上对玻璃燃烧匙进行加热，引燃后迅速放人集体气瓶中将木塞塞上。

（4）实验现象：硫粉在氧气中剧烈燃烧，产生淡蓝色火焰，同时气球逐渐膨胀。

（5）尾气吸收：取下过氧化氢注射器，换一只装有20%氢氧化钠溶液的注射器，注入氢氧化钠进行尾气吸收，不断挤压气球使得气球内的二氧化硫也能被充分吸收。

4.实验注意事项

（1）集气瓶中氧气的产生最好同引燃硫粉的操作同时进行，可叫一学生上来帮忙，而且在引燃硫粉时尽量不要在空气中停留太久，以免产生大量二氧化硫污染空气。

（2）脱脂棉不宜太厚，放入后要压平，不要接触到燃烧匙，也不宜太薄，否则粉末会散开。

三、实验改进优点

（1）反应实验、气体制备及收集均在一个集气瓶中发生，装置轻便，方便教师搬运与转移，且装置可反复利用，即可作为此反应的专属装置，充分体现了实验的微型化、绿色化学和环保概念。

（2）不需要事先制取氧气，便于操作，可以让学生辅助操作，很好地调动了化学课的课堂气氛。

（3）用气球收集反应产生的二氧化硫气体，后又用氢氧化钠溶液直接从注射器注入，充分吸收内部多余的二氧化硫气体，保护环境，防止气体泄漏带来环境污染。

（4）现场制备氧气，并且制取时间短、浓度大，火焰颜色明显，气体迅速膨大，现象直观明显。

（5）用脱脂棉包裹二氧化锰固体，防止液体与粉末直接反应造成粉末在瓶内飞溅，并且脱脂棉的渗透作用使得二氧化锰与过氧化氢反应能够缓慢进行，防止由于反应过于剧烈造成危险。

（6）将铜制燃烧匙改为玻璃燃烧匙，延长燃烧匙的使用时间，增加装置的重复利用率。

四、装置的应用

中小型煤粉锅炉燃烧系统优化控制 第7篇

据统计,我国有各类中小型煤粉锅炉(80 t以下)近40万台,每年耗煤量达3亿多吨。但相当一部分煤粉锅炉设备陈旧,存在供粉量不均匀、结渣、燃烧不充分等问题,成为仅次于火电厂的第二大煤烟型污染源[1];同时,由于煤粉锅炉(以下简称锅炉)控制系统自动化水平低,使工人劳动强度大、劳动条件差。因此,提高锅炉的热效率和其控制系统的自动化程度是目前亟待解决的问题。

1 传统的锅炉燃烧系统存在问题分析

(1)供粉量不均匀

传统一次风机结合螺旋搅拌的操作方式会造成进煤量不均匀,使锅炉出现“喘气”现象;中间粉仓锥体容易造成供粉量的变化;若煤粉湿度偏高,会使煤粉挂壁造成流动不畅,从而影响供粉量。

(2)结渣

结渣是指炉膛中的灼热灰渣与未燃尽的煤粉冲刷到水冷壁、屏式过热器等辐射受热面上呈液态或半液态黏性物,形成紧密的灰渣层。其中,煤质的灰质组成是锅炉结渣的内因,且煤灰的熔融温度越低,灰粒子就越容易达到软化状态,出现结渣现象;锅炉的结构参数、燃烧器布置等直接影响锅炉结渣的程度;炉膛火焰温度是影响结渣的外部因素,炉内空气动力场调整不当时,使火焰偏斜到炉墙水冷壁附近,加重结渣程度[2]。

(3)燃烧不充分、炉膛负压不稳

在锅炉燃烧系统中,煤粉的燃烧充分程度是通过氧含量指标来体现的。传统链条锅炉不对氧含量指标进行精确测量和计算,常使氧含量偏高或偏低。影响炉膛负压的参数与煤粉的燃烧程度有关,燃烧越均匀则炉膛负压越稳定,进粉量波动和风速波动都会造成负压波动。

(4)工作人员操作不当

工作人员在长期操作环境下形成并习惯了老式的操作方式,喜欢以经验和主观认识操作锅炉运行,容易出现操作不当事故。

针对上述问题,笔者以一台20 t的导热油炉为控制对象,设计了一套锅炉燃烧系统集散控制系统(DCS)。

2 系统总体方案

锅炉燃烧系统集散控制系统结构如图1所示,下位机采用西门子S7-200 PLC控制器,上位机采用组态王软件编制了监控程序。

该系统从以下几个方面解决传统的锅炉燃烧系统所存在的问题:

(1)改善供粉系统

在中间粉仓卸料阀下面加入一个扇形礼帽,使大粉仓煤粉在落入中间粉仓之前先落在扇型礼帽上,再通过礼帽均匀落下,减少了供粉时由于冲击力带来的波动;在PLC程序中编入中间粉仓粉量自动补给功能,使供粉更加精确。

(2)改变炉膛结构和除灰系统

为改善炉膛结渣问题,锅炉燃烧系统集散控制系统采用新型立式炉体,其特点是燃烧器向下喷粉。这种炉型可以使煤粉在进入锅炉的第一时间燃烧,使煤灰在燃烧器预燃室停留时间缩短,燃烧过后灰体也更容易清除,大大减少了结渣的可能性。

(3)增加多种连锁保护程序,使锅炉稳定运行、锅炉燃烧系统各项参数达标。

(4)增加监测点。锅炉燃烧系统集散控制系统的监测点共有16个,包括炉膛负压、炉膛温度、进出口油差压、氧含量、粉仓重量、火焰强度等,由PLC采集以上数据并上传至上位机[3,4]。

3 系统硬件设计

锅炉燃烧系统集散控制系统硬件电路包括以下3 种:

(1)循环泵和冷却泵控制电路。由于循环泵和冷却泵功率较大(160 kW),电动机启动电流大,该系统采用ABB公司生产的软启动器启动循环泵和冷却泵,使启动过程平滑。图2为循环泵和冷却泵控制回路,图3为循环泵和冷却泵主回路。

(2)一次风机、点火器、点火主枪、点火油泵等控制电路。采用传统的中间继电器、接触器、热继电器控制方式控制电动机,控制电路中有手动切换按钮,当锅炉燃烧系统集散控制系统检修或发生故障时,可就地手动启动或停止电动机。

(3)引风机和螺旋给料控制电路。由于维持炉膛负压需要通过调整引风风量来实现,同时锅炉供粉量也要根据出口油温的要求而变化,因此,需要采用变频器控制电动机转速。本系统采用西门子变频器的0～10 V电压信号控制电动机转速。

4 系统软件设计

(1)下位机PLC程序

锅炉燃烧系统集散控制系统下位机PLC程序主要包括过程控制程序、故障报警程序和模拟数据读取程序3个部分。其中,过程控制程序包括控制电动机启动和停止程序、电动机的顺序连锁保护程序、引风机通风时间程序、自动上粉程序、引风机变频器控制程序等。故障报警程序包括电动机故障报警及处理程序、油温连锁程序、油压连锁程序等。模拟量数据读取程序包括PLC模拟量模块数据读取与转换程序、现场显示仪表数据读取与转换程序[5]。

(2)上位机组态软件

上位机组态软件采用组态王6.53编制,包括3个画面:工艺流程画面,用于显示锅炉燃烧系统的工艺流程,如图4所示;锅炉参数值显示画面,用于显示现场测量仪表的实时数据;控制画面,用于实现电动机的远程控制,如图5所示。

5 系统调试及数据分析

锅炉燃烧系统集散控制系统软硬件安装完毕后,首先对现场实际值与仪表采集的数据进行校对,然后对各个风机电动机的转向进行排查,核对无误后,开始点炉。锅炉起炉后,每5 min记录1次数据,记录结果如表1所示。

从表1可看出,锅炉从开始点炉到运行正常大约需要5～10 min,之后炉膛负压维持在300 Pa左右,达到了稳定负压的效果;炉膛温度1维持在980℃左右、炉膛温度2维持在650℃左右,符合锅炉运行指标;氧含量维持在3%左右,说明煤粉燃烧充分;出口油温在达到260℃后自动停炉,粉仓重量低于1 300 kg开始下料、高于2 000 kg停止下料,满足控制设计的要求;通过计算表1中数据得到每分钟下粉约38 kg,达到20 t锅炉的负荷。

6 结语

锅炉燃烧系统集散控制系统调试运行结果表明,锅炉连续运行72 h后无故障发生,各项参数在安全范围内波动,实现了自动补粉、炉膛负压恒定燃烧、油温油压连锁等新功能;炉体内没有发现结渣现象,解决了传统的煤粉锅炉燃烧系统供粉不均、结渣和负压不稳的问题,各项技术指标符合设计要求,实现了煤粉锅炉燃烧系统的优化控制。

参考文献

[1]牧良牧.煤粉锅炉工业计算机控制系统[J].黑龙江造纸,2001,8(1):3-8.

[2]杨宁,廖宏楷.珠海发电厂锅炉结渣原因分析及对策[J].广东电力,2004,17(3):91-94.

[3]何新军.PC机与PLC在电机智能测控系统中的通讯实现[J].节能技术,2001,19(6):610-613.

[4]谢松云,张建,董大群.工业计算机控制系统的应用现状和发展方向[J].测控技术,1999,18(8):13-16.

电站锅炉燃烧优化技术研究发展综述 第8篇

关键词：电站锅炉,燃烧优化,发展趋势,软测量

1 前言

锅炉极其配套体系本身都是有着特定的煤种适应区间的, 不过对于我们国家的很多火力发电单位来讲, 因为煤种的变化很大, 煤炭的品质不好, 同时还由于锅炉在具体的运作时面对着设备革新等等的很多要素, 出现了燃烧无法实现最优的现象, 所以要切实的对其优化处理, 在特定的区间之内提升设备的经济性以及环保型。在这个层次上来看, 对设备燃烧开展互利的优化调节是最为恰当的方法, 因此探索该项优化工艺就成为了当前的一项关键内容。

此处讲到的燃烧优化具体的说是经由对设备燃料供应以及配风数据的调节, 和对它的控制措施的变化等, 来确保进入到炉膛中的燃料能够尽快的燃烧, 而且在合乎设备负载变动规定的背景下, 获取最为优秀的燃烧工控。之所以开展燃烧优化调控其意义在于如下的四点。第一, 确保汽压以及蒸发量等正常。第二, 保证着火稳定, 火焰充满炉灶, 没有残渣, 过热器的气温不会太高。第三, 确保机组运作的费用最为节省。第四, 降低污染物的释放量。一直以来, 工作者都在积极的进行设备燃烧优化工艺的探索, 而且也获取了许多成就。笔者具体阐述了该项活动相关的内容。

2 燃烧优化工艺的具体情况和当前面对的几大事项

如今, 不管是我国抑或是国外很多人员都在积极的探索高效率的燃烧优化工艺, 这方面的资料非常多, 具体可以分成如下的几大层次。

2.1 基于燃烧优化调整试验的研究

经由合理的调节能够得到精准的风煤比例, 进而明确体系的最为合理的运行指数, 而且得到精准的电脑控制曲线, 以此来指引工作的开展。在运作的时候, 可以结合特殊的意义开展调整测试活动, 获取最佳的燃烧工艺。此类优化内容都要靠着专门的工作者多次的进行测试, 非常的耗费时间和经历, 通常只是在新的设备运行或是旧有的运行方式有很大变化时才进行。

2.2 基于燃烧理论建模技术的研究

由于不断的对燃烧理论进行建模分析, 并且积极的探索求解措施, 因此在该方面获取了很多的成就。不过此类措施的运算步骤很繁琐, 尤其是当燃烧机理模糊时, 无法进行精准综合的建模工作。所以, 这个方法一般是用到离线分析工作中, 要想用到在线建模中还是有一定的困难。

2.3 基于燃烧设备层面的设计与改造研究

主要是基于燃烧技术的理论研究, 通过锅炉改造, 特别是燃烧器的优化设计、改造来实现锅炉的燃烧优化调整, 该类型的科技目前早已发展到非常成熟, 稳定的时期了。不过还是面对着一些阻碍要素, 比如燃烧器的设计、改造同样受到制粉系统和煤种的限制。

2.4 基于检测技术的燃烧优化研究

利用炉膛火焰检测技术、锅炉排放物检测技术、风煤在线测量技术以及煤质在线分析技术等对影响锅炉燃烧的重要参数进行检测分析来实现锅炉的燃烧优化。运行人员通过实时监测一次风量、烟气含氧量、煤粉浓度细度、煤质分析、飞灰含碳量、火焰图像等参数来调节锅炉燃烧, 确保锅炉能够高效优质的进行燃烧活动, 此类优化科技目前在发展中占据非常关键的位置。不过如今厂方设置的燃烧数值测量设备的精确性不是很好, 而且不是十分的稳定, 正是因为这些干扰要素的存在, 在很大程度上严重的抑制了锅炉燃烧优化产品功能的发挥。

2.4.1 炉膛火焰检测技术的发展应用

过去的火焰检测科技一般是用来监测设备自身的燃烧情形的, 避免其在点火或是负载较低等的不稳固燃烧的状态下出现炉膛炸裂问题, 是炉膛安全监视系统 (FSSS) 的技术组成部分。近年来, 国内外对炉膛火焰检测和燃烧诊断进行了广泛深入的研究, 火焰检测技术特别是火焰图像处理技术用于指导锅炉燃烧优化运行已成为新的途径。火检技术也已由传统的直接式火检, 紫外线、红外线、可见光火检等间接式火检发展到数字式和图像式火检。

2.4.2 锅炉排放物检测技术的发展应用

锅炉排放物检测的参数包括飞灰含碳量、烟气组分等。检测设备的稳定性、实时性和测量准确性等将对燃烧组织产生直接的影响, 因此, 锅炉排放物检测技术的研究是燃烧优化技术发展的基础性工作。常规的烟气检测技术和仪器有:烟尘连续监测系统 (CEMS) ;飞灰测碳仪;烟气含氧量的检测 (包括热磁式氧量仪和氧化锆氧量计) ;一氧化碳检测以及其他参数的测量设备。

最近几年, 研究人员积极的研究排放物质的检测工艺以及装置, 而且获取了很多的成就, 此类成就促使了设备燃烧优化工艺的进一步发展, 其在相关的优化调节活动中发挥了非常关键的作用。由于人工智能等工艺的发展, 软测量技术作为新兴的研究领域, 它在锅炉排放物检测中的应用将会取得更加可喜的成果。

2.4.3 煤质在线分析技术的发展应用

进入到炉膛中的煤炭的品质的改变会在很大程度上影响到燃烧活动, 电站锅炉越来越多燃用低质煤或混配煤, 偏离设计煤种过多, 给运行调整带来很大的困难。过去通过采样化验煤质的方法尽管具有很高的分析精度, 不过其误差很是显著, 并且最少要几个小时才可以得到结果, 对于调整实时燃烧等的促进意义并不是很明显。所以发展煤质在线分析技术对于锅炉燃烧实时优化具有重要意义。

3 电站锅炉燃烧优化技术发展方向和前景

3.1 加强检测技术的改进工作

锅炉燃烧参数检测技术是燃烧优化技术的基础, 检测装置和技术目前普遍存在品质和测量准确性的不足。该内容早已被相关的单位和工作者列为分析的重点内容, 并且进行了很多的探索活动。此处要提出的时, 要想处理好这个问题就要使用软测量科技。在软测量建模中, 有基于工艺机理的方法、基于对象数学模型的方法、基于回归分析的方法、基于模式识别的方法、基于粗糙集理论的方法、基于人工神经网络、基于支持向量机的方法等。目前, 人工神经网络已经广泛应用到工业过程建模和控制中, 其中比较典型的是BP神经网络建模、RBF神经网络建模等。

3.2 燃烧控制系统向闭环控制和综合智能控制发展

对基于检测技术或智能控制技术的锅炉燃烧优化技术而言, 其走向系统化、工业化应用的关键是实现在线闭环运行, 使之直接参与生产控制过程。随着技术日趋成熟和锅炉燃烧优化指导系统在电站的广泛应用, 实现燃烧优化的闭环控制正在成为人们关心和研究的新课题。针对要解决的困难, 利用DCS硬件优势和灵活方便的软件组态功能实现这一控制系统, 此时不但硬件花销不大, 而且体系的维护总量不高, 稳定高效, 是以后发展的关键趋向。

因为燃煤锅炉本身的动态特征十分的繁琐, 燃烧控制体系的完善是一个十分繁琐的工作, 要使用高效的控制方法, 进而从总体上提升体系的功效。所以, 针对锅炉此类的繁琐体系来讲, 结合分级控制体系, 建立在智能协调、局部优化的基础之上, 有针对性地采用经典和先进的控制策略, 构成综合智能控制, 已经成为重要的发展趋势。

参考文献

关于电站锅炉燃烧优化技术的研究 第9篇

石油危机以来, 为了保证电能的及时供应, 燃煤机组以及燃煤技术得到迅速的发展, 但是电站锅炉的自动化水平仍然非常低。二十世纪七十年代测量技术的改进有效促进煤炭燃烧效率的提高。氧化锆氧量计大大提高了锅炉燃烧后释放的烟气内氧气含量检测的准确性, 在我国各个电站得到普遍应用, 另外风速监测技术也是诞生在二十世纪七十年代的优化技术。

我国在二十世纪八十年代进行了技术改进, 平均煤炭消耗大大降低, 先进的燃烧优化技术是煤炭消耗降低的重要原因之一。我国在这一时期燃烧优化技术主要表现在对炉膛以及燃烧器等的优化设计上。这一时期研究人员还重点分析了锅炉燃烧器的运行方式来实现燃烧的优化, 主要有燃烧器的运行以及锅炉燃烧器的射流存在的偏转问题, 这都有效促进了锅炉燃烧技术的提高。

我国在二十世纪九十年代电站锅炉燃烧技术得到更好地提高, 降低了污染, 主要是因为浓淡燃烧器引发了煤粉分离形式的稳燃器。这个时期各大火力发电站使用的机组采用了效率比较高的NOx燃烧器, 比如带有顶部燃烬风或者是存在偏转式二次风的直流式的燃烧器、PM形式的燃烧器等。这一时期评价煤炭燃烧性质的研究方法以及实验设备和测试手段等都取得了非常大的进步。伴随着我国信息技术、电子技术以及人工智能技术的进步, 我国电站锅炉燃烧优化技术进入了新的发展时期。主要有煤炭燃烧烟气的检测装置、煤粉的浓度检测和煤质成分的检测以及锅炉炉膛内火焰检测系统的诞生以及优化。

我国经济发展逐渐从粗放型转入集约型, 对电站锅炉的燃烧不仅要追求经济效益还要实现安全性以及环保性。目前, 我国电站锅炉燃烧优化技术取得了长足的进步但是还存在一些比较严重的问题。

2 主要的锅炉燃烧优化技术

所谓电站锅炉燃烧优化就是通过合理调整锅炉燃料的供给以及配风参数, 同时改变锅炉燃烧的控制方式, 促进炉膛内的燃料能够及时、稳定、持续地燃烧。同时能够承载机组负荷的变动并保证燃料燃烧达到最优。调整燃烧优化的目的是在满足外界电负荷所需要的蒸汽量的基础上, 保证电站锅炉运行的安全性以及经济性, 具体目的如下:第一, 保证电站锅炉设备内稳定的汽压以及汽温, 保证锅炉工作时有足够的蒸发量。第二, 电站锅炉炉膛内的燃料着火稳定。燃料燃烧要安全, 燃烧的火焰能够均匀地充满炉膛内, 确保不会出现结渣, 在燃烧的过程中不会烧毁燃烧器以及锅炉的水冷壁, 锅炉内的过热器也不会超温。第三, 使电站锅炉整体的机组在运行中能够保持最高的经济性。第四, 在燃烧的过程中能够减少污染物的排放。

2.1 调整试验的应用

科学的锅炉燃烧优化的调整试验可以找到最合理的风煤比例, 在实验中确定锅炉燃烧设备应该设置的运行最佳参数, 同时制定合理科学的计算机控制曲线, 这样就可以采用这个控制曲线来指导锅炉燃烧的运行与操作。在实验的过程中专业人员要保证大量正交以及单因素等的实验, 这种调整实验消耗大量的时间与精力, 所以这种实验一般就是应用在新机组的试运行以及旧机组的燃烧设备以及所用燃料的种类和机组的操作方式的改变时。

2.2 在燃烧理论的基础上的建模技术的运用

这种方法主要是深入理解燃烧理论并根据这个理论建立模型探讨求解的方法, 数值模拟锅炉的燃烧情况, 近两年我国这种研究技术取得了非常可喜的成果。但是这种方法的计算比较复杂, 所需要的时间也比较长, 在一些燃烧机理不够明确的情况下无法建立完善以及比较正确地锅炉模型。在燃烧过程中进行在线建模和燃烧优化还存在很大的问题, 所以说这种方法主要应用在离线分析以及高仿真研究上。

2.3 燃烧设备的设计与改造

在燃烧理论研究的基础上进行电站锅炉的改造。主要是对燃烧器等实行优化设计和改造。燃烧设备也是影响燃烧效率的重要原因, 提高燃烧设备的水平能够保证燃烧效率的提高, 这种技术取得了良好的成果, 已经进入了比较稳定的阶段。但是需要注意的是燃烧器的设计以及改造等还会受到煤种以及燃烧制粉系统的影响。

2.4 在检测技术基础上的燃烧优化研究

利用检测技术实现燃烧优化主要是指能够利用锅炉炉膛内的火焰检测技术、风煤测量技术、媒分析技术以及锅炉燃烧排放物实时检测技术等来分析影响锅炉燃烧的相关参数最终实现燃烧优化。运行人员以及工作人员通过实时监测烟气的含氧量、燃烧之后煤粉的浓度、媒质非江西以及飞灰的含碳量以及火线图像等相关参数来调节锅炉的燃烧, 最终实现煤炭的高效与经济燃烧。目前, 这是应用最为广泛的燃烧优化技术。不过需要注意的是我国电厂安装的相关参数的测量仪的精确性不够高, 测量的数值不够准确, 这就降低了燃烧优化设备作用的发挥。

2.5 火焰检测技术的应用

以往电站主要应用火焰检测技术进行锅炉内燃烧情况的监测, 避免因为点火不当或者是长时间在低负荷的状况下发生锅炉炉膛的爆炸。这个技术也是锅炉炉膛安全监测技术的重要组成部分。近年来随着科学技术的发展, 国内外的炉膛火焰检测技术都取得了重大的发展成果尤其是火焰图像处理技术更是取得了长足的进步。现在应用比较广泛的火检技术主要是数字式火检技术以及图像式火检技术。虽然很多电厂主要把火检技术应用在炉膛的安全监视上但是还存在非常多的问题, 不过随着研究的深入以及科学技术的进一步发展, 这类技术必将取得更好的成果, 在燃烧优化上将会有更好的前景。

3 锅炉燃烧优化技术的发展方向以及前景

综合前文我们可以看出锅炉燃烧优化技术取得了非常大的成果, 但是也存在比较多的问题。总的来说, 锅炉燃烧技术就是要通过采用合理先进的技术解决锅炉燃烧现存的问题最终实现高效燃烧。

3.1 做好检测技术的改进

电站锅炉燃烧相关参数的检测是燃烧优化技术最基本的内容, 目前应用的检测装置以及技术存在品质不够高以及测量精确性不够等问题, 这大大降低了锅炉燃烧的优化。相关企业以及研究人员开始改进这种检测技术。软测量技术能够有效解决这类问题。软测量建模主要有基于工艺机理、回归分析法以及模式识别的方法。现在使用最为广泛的是人工神经网络。

3.2 燃烧器的优化设计以及继续燃烧技术的发展

做好煤炭继续燃烧主要是针对我国煤炭质量较差来说的, 我国火力发电厂使用的煤炭质量比较差, 所以在使用过程中一定要做好煤炭继续燃烧。机组的温燃是满足电力需求的重要措施, 要实现机组的温燃主要是发展温燃技术并促进燃烧器的使用。另外做好煤炭洁净也可以很好地促进煤炭的燃烧, 主要是烟气净化技术以及低污染燃烧。

4 结束语

燃烧优化是一个非常复杂的系统性工作, 主要的研究理论有燃烧理论、检测技术以及控制技术等。虽然这些技术取得了很大的进步, 但是还存在一些问题, 在日后的发展中要结合电站锅炉燃烧的特性改进相关技术。经过总结我们可以看出燃烧优化技术可以有效保证锅炉安全低污染地运行并提高煤炭的燃烧效率。

摘要：火力发电厂中向汽轮发电机组提供蒸汽的锅炉, 主要包括锅炉本体和一些辅助设备。燃料在锅炉的炉膛中燃烧释放热能, 经过金属壁面传热使锅炉中的水转化成具有一定压力和温度的过热蒸汽, 随后把蒸汽送入汽轮机, 由汽轮驱动进行发电。燃烧优化技术能够有效提高锅炉燃烧的效率并减少污染。本文重点分析了电站锅炉燃烧优化技术。

关键词：电站锅炉,燃烧,优化技术

参考文献

[1]廖宏楷, 周昊, 杨华, 王力, 沈跃良.风煤在线测量的锅炉燃烧优化系统[J].动力工程, 2012 (04) .

[2]徐军伟, 宋兆龙, 王磊.电站锅炉燃烧优化技术现状和发展动向[J].江苏电机工程, 2009 (03) .

萘燃烧焓测定实验条件的正交优化 第10篇

作为热化学的基本数据之一，通过燃烧焓测定，可以获得物质的热容、生成焓、相变焓以及过程的吉布斯自由能等热化学数据。因此，燃烧焓的测定实验是重要的物理化学实验之一。它的教学实践，可以帮助学生理解相关的物理化学理论知识、掌握基本的物理化学实验技术和方法，培养学生的动手能力和科学素养。

燃烧焓的实验测定通常是在量热计中进行的。若燃烧反应中的气体视为理想气体，根据热力学推导，

式中，T是热力学温度;燃烧反应的热力学能变化;为燃烧反应方程式中气体的化学计量系数;R为摩尔气体常数。

根据系统与环境热交换的不同，量热计分为绝热量热计、等温量热计、热导式量热计。氧弹式绝热量热计是通过测定恒容反应热Qv，即后，然后得到燃烧焓。此外，绝热量热计当量系数K值是指整个量热系统(包括氧弹和量热桶)温度升高1 K时需要吸收的热量，单位为J·K-1，通常是用苯甲酸作为标准物质来确定的。

在大多数的实验教科书中，燃烧焓测定都给出一些实验条件[1]。这些条件主要包括样品质量、样品压片时所用的压力、氧弹中充入氧气的压力等。此外，燃烧焓的测定还受点火条件、搅拌器搅拌速度、量热桶水量等因素的影响。在教科书中，样品称量的质量确定为0.6 g左右、氧弹氧气充入压力为2.0 MPa，但没有说明选择的原因;样品的压制是在简易压片机上进行，无法确定压片时的准确压力;因此，学生不清楚如何选择这些实验条件，以及改变这些条件会对测量产生如何影响。弄清楚这些，可以使学生更好地对理解燃烧焓实验的基本原理和相关的物理化学理论知识，还有利于培养学生的学习兴趣和实验思考能力。

考虑到测定过程受到多种因素的影响，因此可以进行实验条件优化。正交设计方法是处理多因素实验，并可进行离散优化的一种科学实验方法[2]。它从正交性、均匀性出发，利用正交表等，合理安排实验，用这种方法只做较少次的实验便可判断出较优的条件;若再对结果进行简单的统计分析，便可较为全面、系统的掌握实验结果，做出正确的判断。因此，它可以用来处理燃烧焓测定实验的实验条件的确定问题。本文对燃烧焓测定的实验条件使用了无交互作用的三因素四变量正交因素表L16(43)进行优化，从而确定这些实验条件中的主要或次要因素，以期对物理化学教学有所帮助。

1 实验部分

量热实验过程参照物理化学实验教材[3]:称量一定量的萘，使用769YB-24B压片机在一定压力下压制成’15 mm的圆片;精确称量后，装入氧弹，充入一定压力氧气，接好点火电源，放入XRT-1A氧弹式量热计(氧弹体积300 m L)，量热桶装水3000 m L，开启搅拌器，并开始记录温度的变化;待温度稳定后，扳动点火开关。

我们使用三因素四变量正交表L16(43)，如表1所示，来考察实验条件对燃烧焓测定的影响。三个因素分别是样品质量(因素A)、压片压力(因素B)和氧充气压力(因素C)。其中，样品质量对应的四个变量分别为0.40 g、0.60 g、0.80 g和1.00 g，分别记为A1～A4;压片压力的分别为1.0 MPa、2.5 MPa、5.0 MPa和7.0 MPa，记为B1～B4;氧弹充气压力分别为1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa和4.0 MPa，分别记为C1～C4。

2 结果

2.1 不同因素对燃烧焓测定影响

燃烧焓测定中，从点火开始，记录量热桶温度和时间，作温度(T)-时间(t)图，使用Dickson进行热漏校正[4]计算温度变化%T值。根据%T和使用苯甲酸作为标准物质测得的量热计当量系数K值，计算的大小，最后求算出燃烧焓，其中，T为实验时的夹套热力学温度。表2列出了对于正交实验各实验条件下的燃烧焓测定值和相对误差。

注:根据物理化学教材[5]，萘燃烧焓在25℃的文献值是-5153.9 k J·mol-1。考虑到实验的温度为13℃，使用Kirchhoff公式:修正;13℃时，修正后萘燃烧焓为-5156.9 k J·mol-1。

从测定结果看，燃烧焓测定值在4800～5300 k J·mol-1，相对误差最大为6%。显然，不同的实验条件的改变对燃烧焓测定有一定的影响。图1不同因素对燃烧焓测定的影响。当改变样品质量时，燃烧的测定值变化不大，而改变氧弹充氧压力时，测定值有较大的波动。

2.2 直观分析

利用正交实验表和燃烧焓测定结果(表2)，可以对各因素进行综合直观分析。为了简化，对所有燃烧焓测定值分别扣除修正的文献值，即5156.9 k J·mol-1后。如表3所示，三个因素中，氧弹中氧气充入的压力(C)对燃烧焓测定的影响最大，而样品质量(A)的影响最小。因此，可以得出最好的测试条件是A2B1C4。

注:分析时，燃烧焓的测定值减去修正后的文献值，即-5156.9 k J·mol-1。

最优水平为A2B1C4，即样品质量为0.60 g，压片压力为1.0 MPa，氧弹充氧压力为4.0 MPa，这是正交实验表中未做过的。我们在该条件下，进行实验验证。测定萘的燃烧焓为-5154.3 k J·mol-1。与萘温度修正后的文献值是-5156.9 k J·mol-1相比，相对误差为0.05%;显然，实验测定结果误差要于正交实验表中的各个实验的相对误差均小(表2)。

2.3 方差分析

直观分析法比较简单，易懂，只要对实验结果做少量计算，通过综合比较，便可得出更优的生产条件。但是直观分析不能得出实验结果的精度，即不能区分对应的实验结果间的差异究竟是由因素水平所引起的，还是由实验误差引起的。相比之下，方差分析可以将因素水平变化所引起的实验结果间的差异与误差波动所引起的差异区分开来[2]。

在多因素实验中，毫无例外地也存在误差，此时计算误差的偏差平方和可用正交表中未安排因素的空白列计算。为了简化计算，我们将测量结果扣除修正后的文献值(-5156.9 k J·mol-1)。方差分析如表4所示。

根据表4的数据处理结果，因素A、B和C的偏差平方和SA、SB和SC分别为9450.6、45726.7和141117.8;空白列S空=S误=19738.3。可见看出，SA小于S误。因此，因素A对萘燃烧焓测定结果的影响很小，其偏差实际上主要是误差干扰造成的。

采用单因素实验的方差分析方法进行显著性检验。

自由度为:fA=fB=fC=4-1=3,f空=f误=4-1=3

由上可知，VA小于V误。因此，因素A可以取任一水平。这样，应该将SA和S误合并在一起，用以估计误差影响的大小，而且误差的自由度越大，进行显著性检验时越灵敏。

合并后误差的平均偏差平方和:

检验因素B和C的显著性:

因素C的自由度fC=3,S误△的自由度f误△为6。根据显著性水平分布表[2],F0.01(3,6)=9.78,F0.05(3,6)=4.76。可以得出，FB<F0.05(3,6),FC)F0.01(3,6)，所以，因素B对燃烧焓测定的影响不显著;而因素C有着显著影响。这与正交因素水平的直观分析结果相一致。

3 讨论

根据萘的燃烧反应:

在温度为273.15 K时1 g的萘将消耗氧气，在1.0 MPa的压力为232.1 m L,2.0 MPa下为116.0 m L,4.0 MPa下为58.0 m L。对于容积为300 m L的氧弹，可以计算出燃烧焓测定实验中氧气过量比例，即(充入O2量-消耗O2量)/消耗O2量。

在萘的质量为0.40～1.0 g范围内，氧气过量比例在不同氧气充入压力下的随质量变化情况如图2所示。在一定的充氧压力下，氧气过量的比例随样品质量的减小而增大;而样品质量不变的情况下，充氧压力越大，氧气过量程度越大。例如2.0 MPa时，氧气过量比例从1.0 g的1.6增加到0.40 g的5.5;在质量均为0.40 g的情况下，当充氧压力从0.4 MPa下的0.3增加到4.0 MPa下的11.9。

为了更深入了解充氧压力对燃烧焓测定的影响，我们在样品质量为0.60 g情况下，在氧弹中充入压力范围为0.4～4.0 MPa的氧气，观察了量热桶水温的变化情况。如图3所示，在不同的压力下，水温在点火后快速升高，然后趋于稳定;但是，在充氧压力大于1.0 MPa时，水温在1200 s时均稳定在21.8℃;在0.6 MPa时，水温稳定在21.5℃，在0.4 MPa时，稳定在21.1℃。显然，当充氧压力小于1.0 MPa时，氧气不够充分，无法充分燃烧，测量误差较大。我们还观察到随着氧气压力增大，水温稳定的速度也越快。这是因为在氧气充分的条件下，压力越大，燃烧越快，缩短了量热桶中水温达到稳定的时间。

4 结论

燃烧焓测定是大学物理化学教学的基本实验之一，因此弄清楚测定过程的各种影响因素对于开展教学实践是很有必要的。本文使用三因素四变量正交表L16(43)，研究了萘质量、压片压力和氧弹充气压力等因素对燃烧焓的测定的影响。结果发现，因素中影响最大的是氧弹充气压力，而萘质量、压片压力对测定的影响不大;最佳测定条件是萘质量0.6 g，压片压力1.0 MPa，充氧压力4.0 MPa。

摘要：燃烧焓测定是物理化学教学中基本实验之一。日常教学中发现,学生实验时对测定条件的选择依据不清楚,也不清楚这些条件对测定的影响大小。因此测定结果往往存在较大的偏差。为此,我们使用三因素四变量正交表L16(43),研究了萘质量、压片压力和氧弹充气压力等因素对燃烧焓的测定的影响。研究发现,因素中影响最大的是氧弹充氧压力,而萘质量、压片压力对测定的影响不大;最佳测定条件是萘质量0.6 g,压片压力1.0 MPa,充氧压力4.0 MPa。

关键词：物理化学教学,燃烧焓,正交实验,氧弹,压力,优化

参考文献

[1]庄继华.物理化学实验.3版[M].北京:高等教育出版社,2004:34-39.

[2]高允彦.正交及回归试验设计方法[M].北京:冶金工业出版社,1988:17-19,21-28.

[3]许瑞云.物理化学实验[M].上海:上海交通大学出版社,2009:99-103.

[4]冯仰婕,邹文樵.应用物理化学实验[M].北京:高等教育出版社,1990:7-11.

高强化柴油机燃烧过程的优化研究 第11篇

柴油机工作过程组织好坏直接影响着柴油机动力性、经济性及可靠性。燃烧过程优化可以降低发动机的最高燃烧压力,提高发动机可靠性;提高发动机的空气利用率,缩小空气滤体积,降低整车高度及重量,提高整车的机动性及灵活性。

本文采用仿真和试验相结合方法,在保持动力性和经济性不变条件下,通过燃烧过程优化研究,降低发动机最高燃烧压力和过量空气系数,以提高发动机可靠性及军用车辆的机动性和灵活性。

1 原机的主要技术参数及研究目标

原机为1台排量为2.8 L、四冲程、水冷、直喷、模拟增压单缸柴油机,它所采用的燃油喷射系统为机械单体泵,可以同时对油量和喷射时刻进行调节控制。标定点和最大扭矩点的性能指标及研究目标见表1。

2 燃烧室的优化研究

2.1 燃烧室方案的提出

通常情况下,直喷式柴油机宜采用直口ω形燃烧室。这是因为直口ω形燃烧室对进气涡流强度有一定的要求,进气涡流对气缸内混合气的形成及燃烧起着非常重要的作用[1,2]。其次,直口ω形燃烧室进气过程紊流运动较强,但在压缩终了将大幅度衰减,在有进气涡流的情况下,紊流可以从涡流中汲取能量,使压缩终了时燃烧室内保留较强的紊流,但效果十分有限[3]。另外,这种燃烧室与其进气系统、供油系统相匹配,在起动性和经济性等方面己取得了很好的效果,同时燃烧室的工艺水平也较好[4]。

而缩口ω形燃烧室,虽然具有较大的挤流强度、较长的涡流持续期和较合理的涡流分布,更有利于混合气的形成,可以进一步加速扩散燃烧,产生较高的缸内压力和温度,具有最好的燃烧性能[5],但缩口ω形燃烧室的热应力较大,残余废气不易排出,实现增压比较困难。

通过燃烧室内的气体流动分析可知:缩口燃烧室和直口燃烧室各有优缺点,缩口燃烧室的性能较好,但燃烧压力较高,可靠性较差;而直口燃烧室性能次之,但工艺性较好,可靠性较高。针对本文的研究目标和2种燃烧室的特点,本文提出小口径直口ω形燃烧室为研究方案,目的是降低最高燃烧压力,同时又使其活塞具有高的可靠性[6,7]。

2.2 燃烧室的设计及计算网格

为了达到研究目标,根据提出的小口径ω形燃烧室的研究方案,设计了2种燃烧室方案,并利用KIVAⅢ软件对这2种燃烧室内流场进行了模拟分析。图1为2种方案的燃烧室结构尺寸和计算网格。

2.3 计算的初始条件和边界条件

计算的初始条件和边界条件见表2。

2.4 燃烧室方案的优化

2.4.1 挤流速度与涡流比

图2为1#燃烧室与2#燃烧室挤流速度的对比。由图2可知:1#燃烧室挤流和逆挤流速度明显高于2#燃烧室,这是由于前者的挤压面积较大。挤流和逆挤流速度最大值分别出现于上止点前10 °CA和上止点后12 °CA。较强的挤流运动可以增强燃烧室内的湍流强度,更好地组织缸内的气体运动,有利于提高燃烧效率,当活塞下行时,燃烧室中的气体向外流向环形空间产生逆挤流,它主要发生在燃烧室边缘,这有利于侧向碰壁喷雾的油气混合和壁面油膜的蒸发,有助于将燃烧室内的混合气流出,使其进一步和气缸内的空气混合,促进后期燃烧,也有助于提高空气利用率,降低过量空气系数。

图3为1#燃烧室与2#燃烧室腔涡流比的对比。腔涡流比表征活塞凹坑内流体周向运动情况。由图3可知:随着活塞向上运动,1#燃烧室与2#燃烧室凹坑内的涡流比也随之增加,至上止点附近达到最大值,然后随活塞下行而迅速衰减。由于1#燃烧室挤压面积远大于2#燃烧室,在上止点附近,在燃烧室的凹腔内1#燃烧室的腔涡流比要大于2#燃烧室,特别是在上止点后的一段时间内,1#燃烧室内涡流比较大,此时为扩散燃烧期,凹腔内活跃的流体运动有助于促进油束发散,加速空气与油粒的掺混,加快油粒的雾化、蒸发,加速着火前混合气的形成和预混合气体的燃烧。在“热混合”效应的作用下,促使燃烧室中央部分的新鲜空气与壁面及其附近的油粒相混合,有助于扩散燃烧的迅速进行。形成良好的混合气能缩短滞燃期和燃烧持续期,使柴油机工作柔和,燃烧完善,从而实现良好的经济性、动力性和排放指标[8]。

2.4.2 纵剖面流场演变规律

图4为1#燃烧室与2#燃烧室的纵剖面流场演变规律。由图4可知:在上止点前60 °CA时,缸内速度矢量都基本朝上,大小分布由下往上递减,其最大值约等于活塞速度,表明气流运动主要是由活塞运动引起的。随着活塞向上运动,气缸中挤压区带有很大角动量的流体被挤入燃烧室凹坑内,并由于周向旋流的离心力作用,挤入燃烧室的流体被甩向燃烧室的周壁附近,同时与燃烧室内原本向上运动的流体相互作用,1#燃烧室在上止点前10 °CA、2#燃烧室在上止点前2 °CA时,在燃烧室唇口下部形成2个对称的漩涡。随着活塞的继续上行,1#燃烧室在上止点前5 °CA,2#燃烧室在上止点时刻,分别在其内部形成4个漩涡。上止点后,随着活塞的下行,凹腔内的流体流出凹腔,凹腔内的漩涡逐渐消失,但1#燃烧室内的漩涡消失速度比2#燃烧室慢。漩涡使空气运动加强,保证了燃烧室内混合气生成的速率,加强了扩散燃烧,高温、高压气体携带未燃燃油和燃烧中间产物排出燃烧室,使燃油及时得到完全燃烧。因此,与2#燃烧室相比,1#燃烧室漩涡更有利于混合与燃烧,有助于提高空气利用率[9]。

2.4.3 纵剖面旋流速度等值线的变化规律

图5为1#燃烧室与2#燃烧室的纵剖面旋流速度等值线的变化规律。由图5可知:随着活塞向上运动,挤压区域内带有较大角动量的流体被挤入活塞凹坑内,由于回转半径减小而角动量变化不大,使凹坑内特别是凹坑上部燃烧室唇口附近旋流速度明显增大,且由于1#燃烧室的挤压面积大于2#燃烧室,挤入燃烧室凹腔内的角动量较大,旋流速度明显大于2#燃烧室。上止点后,随着活塞下行,1#燃烧室和2#燃烧室的旋流速度逐渐减小,但1#燃烧室凹坑上部燃烧室唇口附近旋流速度始终大于2#燃烧室。由于旋流能使湍流强度和湍流动能增加,大幅度提高了火焰传播速率,从而改善发动机性能。 因此,与2#燃烧室相比,1#燃烧室能提高发动机的空气利用率,降低过量空气系数。

2.4.4 湍流动能等值线图

图6为1#燃烧室和2#燃烧室不同时刻湍流动能等值线图的比较。由图6可知:随着活塞的上行和下行,燃烧室内的流体流入以及流出凹腔,湍流动能呈先增后减的趋势。在相同时刻,1#燃烧室的高湍流动能分布区域均大于2#燃烧室。由于大的湍流动能及湍流分布区域可缩短滞燃期,减少预混合燃烧的份额,降低压力升高率,从而降低最高燃烧压力。同时大的湍流动能还有助于提高火焰传播速度,促进混合与燃烧。因此,与2#燃烧室相比,1#燃烧室更有利于研究目标的实现。

2.5 燃烧室优化结果

(1) 从挤流速度与涡流比对比分析可知,1#燃烧室挤流速度与涡流比明显高于2#燃烧室。

(2) 从纵剖面流场演变规律对比分析可知,在上止点前形成漩涡的时刻,1#燃烧室比2#燃烧室提前8 °CA,而在上止点后1#燃烧室又比2#燃烧室漩涡消失较慢。

(3) 从纵剖面旋流速度等值线的变化规律对比分析可知,由于1#燃烧室的挤压面积大于2#燃烧室,挤入燃烧室凹腔内的角动量较大,旋流速度明显大于2#燃烧室,上止点后旋流速度逐渐减小,但1#燃烧室旋流速度始终大于2#燃烧室。

(4) 从不同时刻湍流动能等值线图对比分析可知,随着活塞的上行和下行,湍流动能呈先增后减的趋势。在相同时刻,1#燃烧室的高湍流动能分布区域均大于2#燃烧室。

通过两种燃烧室缸内流场的对比分析,1#燃烧室的性能均优于2#燃烧室。

3 喷油嘴方案的试验研究

采用性能较优的1#燃烧室活塞和3种不同规格的8孔喷油嘴分别进行标定点和最大扭矩点的匹配试验。3种喷油嘴的规格为: 8×ϕ 0.40 mm×150°(A#油嘴)、8×ϕ 0.42 mm×150°(B#油嘴)及8×ϕ 0.44 mm×150°(C#油嘴)。试验结果如图7～图10所示。

由图7可见:在3种喷油嘴中,B#喷油嘴在标定点和最大扭矩点时的燃油消耗率最低,分别为226.7 g/(kW·h)和217.2 g/(kW·h)。由图8可见:在3种油嘴中,B#喷油嘴在标定点和最大扭矩点时的最高燃烧压力最低,分别为14.1 MPa和14.3 MPa。由图9可见:在3种油嘴中,B#喷油嘴在标定点时的排温最低,为675 ℃;在最大扭矩点时的排温为680 ℃,与A#喷油嘴相同,稍高于C#喷油嘴。由图10可见:在3种油嘴中,B#喷油嘴在标定点时过量空气系数最低,为1.87;在最大扭矩点时的过量空气系数为1.76,介于A#喷油嘴与C#喷油嘴之间。

综上考虑,在3种喷油嘴方案中,B#喷油嘴,即8×ϕ 0.42 mm×150°喷油嘴的性能最佳,达到了本文的研究目标。

通过3种喷油嘴的对比分析,A#、B#、C#喷油嘴的喷孔截面积分别为1.004 8、1.107 8、1.215 8 mm2,B#喷油嘴的喷孔截面积介于A#喷油嘴与C#喷油嘴之间,但性能最优。这是因为对A#喷油嘴来说,尽管其喷孔截面积缩小、喷油压力提高,在某种程度上改善了喷油雾化质量,但是也存在油束贯穿度小,以及喷油持续期长等问题,再加上进气涡流强度大,使前后油束间产生了重叠,导致燃烧恶化。同样对C#喷油嘴来说,尽管其喷孔截面积增大、喷油持续期缩短,但喷油压力降低,喷油雾化质量下降,导致燃烧恶化。而只有B#喷油嘴,由于其喷孔截面积介于A#喷油嘴与C#喷油嘴之间,其雾化质量、喷油持续期取得了较好折中,得到了较优的性能指标。

4 结论

(1) 通过仿真研究,优化了燃烧室方案,得出1#燃烧室的性能优于2#燃烧室。

(2) 采用1#燃烧室,通过单缸机试验研究,优化喷油嘴方案,得出8×ϕ 0.42 mm×150°的喷油嘴方案最优。

(3) 在采用1#燃烧室和8×ϕ 0.42 mm×150°喷油嘴方案的前提下,发动机标定点和最大扭矩点的最高燃烧压力从15.5 MPa降低到14.5 MPa,过量空气系数从2.1降低到1.9。

参考文献

[1]刘书亮.柴油机燃烧室内气流及紊流的研究[J].内燃机学报,1983,1(2):79-92.Liu S L.Astudy of air flow and turbulence in the combustionchamber of a diesel engine[J].Transactions of CSICE,1983,1(2):79-92.

[2]史绍熙,刘书亮.发动机气缸内涡流比的预测及紊流强度变化规律的研究[J].内燃机学报,1989,7(3):191-198.Shi S X,Liu S L.Prediction of air swirl ration and investiga-tion of turbulenceintensityin engine cylinder[J].Transactionsof CSICE,1989,7(3):191-198.

[3]段家修,刘书亮,李康.增强燃烧室内空气紊流降低柴油机油耗、噪声及有害排放的研究[J].内燃机学报,1997,15(3):290-295.Duan J X,Liu S L,Li K.Investigation of diesel combustion forreducing fuel consumption,noise and exhaust emissionsthrough increasing the tarbulence level in the com bustionchamber of a DI diesel engine[J].Transactions of CSICE,1997,15(3):290-295.

[4]杨海青,陈生辉,王士钫.直喷式柴油机缸内紊流及其对柴油机性能影响的研究[J].内燃机学报,1997,15(2):179-184.Yang H Q,Chen S H,Wang S F.An investigation of in-cylin-der turbulence andits effects on the performance of a DI dieselengine[J].Transactions of CSICE,1997,15(2):179-184.

[5]苏万华.直喷式柴油机燃烧室内挤流谱的显示和挤流速度的解析[J].内燃机学报,1994,12(1):23-28.Su W H.An experi mental and analytical study on squish pat-tern and squish velocity in a DI diesel engine[J].Transactionsof CSICE,1994,12(1):23-28.

[6]辛中杰.TY1100柴油机缩口ω形燃烧室与直口ω形燃烧室对比试验分析[J].拖拉机与农用运输车,1997(6):32-36.Xin Z J.Comparing test and analysis of conventional and re-en-trant combustion chamber for TY1100 diesel engine[J].Trac-tor&Farm Transporter,1997(6):32-36.

[7]邓俊.车用柴油机燃烧系统参数优化与缸内流场分析[D].长春:吉林大学,2003.

[8]Nishida K,Hiroyasu H.Si mplified three-di mensional modelingof mixture formation and combustionin a DI diesel engine[C]//SAE 890269,1989.