Mathematical model of a steam boiler as a control plant

Abstract

The article highlights the problems associated with unpredictable outages, uncertainties in fuel supply, unpredictable changes in coal quality, and deterioration of the infrastructure of a thermal coal-fired power plant due to the use of high-ash fuels. Traditional methods of solving these problems lack adaptability and flexibility. The aim of the study was to improve the efficiency of operation of boiler units of thermal coal-fired power plants, which consists in increasing the service life, by improving the models of thermal coal quality management under random perturbations of its composition using automated measurement of abrasive materials in the dust removal system in real time. A simulation model of the influence of coal quality on the erosion wear of heat exchange surfaces of a steam boiler of a thermal coal-fired power plant was developed, consisting of a model of coal transportation and supply, a model of coal quality control, and a model of coal abrasiveness. The models were validated using a computerized flotation test comparison experiment and a one-factor analysis of variance. The experimental results showed that the group mean errors generally do not differ significantly. A method was also developed for controlling the quality of combusted coal when the abrasive composition of the coal batch formed by the supplier is disturbed. The proposed models and methods have the potential to significantly improve the efficiency of thermal coal-fired power plants through the use of computer-integrated systems for managing pipe wear resistance and reducing the need for premature repair and replacement of equipment, as well as ensuring satisfactory quality of fuel and abrasive compositions, namely, fixing the service life of pipes within 5-9 years, as opposed to the unconscious use of highly abrasive fuel, which will cause an urgent shutdown of a thermal coal-fired power plant within a year. This study opens the way to improving the operation of a thermal coal-fired power plant and expands the understanding of the relationship between coal quality and equipment wear. However, further empirical studies with a larger data set would be useful to improve the accuracy and versatility of the model.

У статті висвітлено проблеми, пов'язані з непередбачуваними відключеннями, невизначеностями з постачанням палива, непередбачуваною зміною якості вугілля та зношеністю інфраструктури теплової вугільної електростанції через використання високозольних видів палива. Традиційним методам вирішення цих проблем бракує адаптивності та гнучкості. Мета дослідження полягала у підвищенні ефективності експлуатації котлоагрегатів теплових вугільних електростанцій, яка полягає у збільшенні терміну експлуатації, за рахунок вдосконалення моделей керування якістю енергетичного вугілля при випадкових збуреннях його складом за допомогою автоматизованого вимірювання абразивних матеріалів в системі пиловидалення в реальному часі. Було розроблено імітаційну модель впливу якості вугілля на ерозійний знос теплообмінних поверхонь парового котла теплової вугільної електростанції, яка складається з моделі транспортування та постачання вугілля, моделі контролю якості вугілля та моделі стану абразивності вугілля. Моделі були перевірені за допомогою комп’ютерного експерименту порівняння флотаційних випробувань та однофакторного дисперсійного аналізу. Експериментальні результати показали, що групові середні похибки загалом різняться не значимо. Також було розроблено метод керування якістю вугілля, що спалюється, при збуренні абразивним складом партії вугілля, яке формує постачальник. Запропоновані моделі та методи мають потенціал для значного підвищення ефективності роботи теплових вугільних електростанцій за рахунок використання комп’ютерно-інтегрованих систем керування зносостійкості труб і зменшення потреби в передчасному ремонті та заміні обладнання, а також забезпечення задовільної якості палива та абразивних складів, а саме зафіксувати термін експлуатації труб в межах 5-9 років, на відмінну від несвідомого використання високоабразивного палива, що викличе термінову зупинку теплової вугільної електростанції протягом 1 року. Це дослідження відкриває шлях до покращення роботи теплової вугільної електростанції і розширює розуміння взаємозв'язку між якістю вугілля та зносом обладнання. Однак подальші емпіричні дослідження з більшим набором даних були б корисними для підвищення точності та універсальності моделі.