船用焚烧炉三维数值模拟及其模糊控制技术研究

摘要

船用焚烧炉是船舶的重要防污染设备之一。随着全球经济的发展和船舶数量的增加，船舶垃圾对海洋环境的污染也越来越严重，垃圾焚烧处理技术在减容化、无害化方面的综合效果，作为一种比较成熟的处理方式在远洋船舶上得到广泛应用。由于船舶垃圾本身的特殊性，造成船舶垃圾成分多变，影响焚烧的稳定性。船舶垃圾焚烧炉的焚烧过程是强耦合的多输入多输出非线性系统，使得传统的焚烧过程自动控制难以实现垃圾稳定焚烧的要求，大大限制了垃圾焚烧处理技术的应用和发展。本文针对船用焚烧炉的技术发展现状和焚烧炉的特殊结构，从焚烧过程稳定性控制的角度出发，对焚烧炉炉膛结构的优化和垃圾焚烧过程中炉膛压力的稳定性进行了研究。主要内容如下： ⑴分析了垃圾焚烧过程的物理化学特性，阐述了稳定燃烧的重要性和影响焚烧效果的关键参数，结合船用焚烧炉的运行特点，对垃圾焚烧的燃烧机理和污染物生成机理进行了研究。 ⑵应用数值分析方法对船用焚烧炉的内部流场进行数值模拟，通过对计算结果分析研究，改进并优化了焚烧炉的炉膛结构，可望大大提高垃圾焚烧效率，降低污染排放。 ⑶通过对垃圾焚烧过程特性进行分析研究，在影响垃圾焚烧效率的众多因素中，风门挡板的调节最为重要。风门挡板的调节虽然并不直接影响垃圾的焚烧，但却直接影响进入炉膛内部的空气量、炉膛压力、炉膛温度和废气排放温度，进而对垃圾的焚烧效果产生影响。因此风门调节直接关系到垃圾焚烧的稳定性、燃尽率、二次污染物排放、低温腐蚀、高温结渣、运行的经济性等，为在整个垃圾焚烧过程中保持稳定、高效焚烧，必须稳定风门挡板的波动，使炉膛压力、炉膛温度和排气温度相互协调，稳定在一个比较理想的状况。 ⑷为了进一步提高焚烧炉的燃烧稳定性，利用现代计算机技术和现代智能控制理论，研究开发了适用于船舶垃圾焚烧炉调风门的稳定性控制系统，并将现代智能控制方法－模糊控制方法引入到无精确数学模型的船舶垃圾焚烧炉控制系统中，在数值分析的基础上设计了船舶垃圾焚烧炉炉膛压力的模糊控制器，并对模糊控制器进行了仿真研究。