基于模糊綜合評判法的鍋爐系統(tǒng)能效研究

霍睿敏, 盧 玫

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

基于模糊綜合評判法的鍋爐系統(tǒng)能效研究

霍睿敏, 盧 玫

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

為了科學(xué)全面地評價電廠鍋爐系統(tǒng)能效,采用模糊綜合評判法,從工程實踐的技術(shù)經(jīng)濟性角度出發(fā),以鍋爐系統(tǒng)能效為一級目標(biāo)層,選取了關(guān)于燃料水平、設(shè)備水平和運行狀況作為二級準(zhǔn)則層,并將具體影響因素歸類整理為三級指標(biāo)層.分析各因素值變化對系統(tǒng)能效的指向性影響,確定隸屬度函數(shù),通過專家組評議求得權(quán)重向量,建立了一套完整的鍋爐系統(tǒng)能效模糊綜合評判體系.該體系可對鍋爐系統(tǒng)能效進(jìn)行定量分析,評價某層面的能效利用現(xiàn)狀,為后續(xù)優(yōu)化指明方向,也可用于機組間的競賽對比.

鍋爐系統(tǒng); 能效; 模糊綜合評判法

鍋爐系統(tǒng)是電廠能量轉(zhuǎn)化、交換的主要設(shè)備,為了進(jìn)一步發(fā)掘其節(jié)能潛力,應(yīng)該建立一套完整的鍋爐系統(tǒng)能效評價體系.而傳統(tǒng)能效分析方法主要有熱量法和熱火用法:熱量法模型高度簡化,越來越難以適應(yīng)當(dāng)今高參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電廠系統(tǒng);熱火用法揭示能量轉(zhuǎn)換利用中的內(nèi)部損失,卻只能診斷不可逆性的大小及部位,還需進(jìn)一步研究.

張淼[1]對鍋爐各環(huán)節(jié)進(jìn)行了宏觀與微觀的熵分析;王雨絲、李永華等[2-3]對電站鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡和火用平衡分析,得出主要熱損失為排煙損失和爐體散熱損失,主要火用損失為傳熱火用損失和燃燒火用損失,并提出相應(yīng)改進(jìn)措施.但熱量法與熱火用法都只關(guān)注熱力系統(tǒng)中能量在傳遞轉(zhuǎn)換過程中的利用、損耗情況,對于工程實踐問題,還應(yīng)綜合考慮其他各項因素,才能更全面合理地構(gòu)建評價體系.

模糊綜合評判法(FCE)可以處理多屬性事物問題,優(yōu)勢在于結(jié)果清晰且可對比性強,既由層次性體現(xiàn)了影響因素及評價標(biāo)準(zhǔn)的模糊性,又可以借鑒實踐經(jīng)驗,使評價結(jié)果更符合實際,能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合有效的評估,所以在工程管理中得到廣泛應(yīng)用.

當(dāng)前對電廠系統(tǒng)建立綜合評價的指標(biāo)體系,多側(cè)重管理需求角度,靳濤、滿若巖等[4-5]確定的評價體系有可靠性、經(jīng)濟性、技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)及主要運行小指標(biāo)4類.李勇等[6]綜合評價了經(jīng)濟、運行及運維指標(biāo),主要偏向于電網(wǎng)調(diào)度的要求.何成兵等[7]針對燃煤鍋爐,重點考慮環(huán)保因素,分析火用效率及環(huán)境影響、燃料管理指標(biāo)的影響.劉京等[8]考慮能源利用水平和燃料設(shè)備、運行操作對電站鍋爐煤耗的影響,結(jié)合熱火用法,給出了系統(tǒng)改進(jìn)方向.

為了更科學(xué)合理地安排指標(biāo)體系,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用模糊綜合評判法,從電廠技術(shù)經(jīng)濟性角度出發(fā),以鍋爐系統(tǒng)能效為目標(biāo)層,引入燃料水平、電廠設(shè)備、運行狀況準(zhǔn)則層及其所包含的指標(biāo)層,構(gòu)建電廠鍋爐系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系,評估電廠鍋爐系統(tǒng)的能源利用現(xiàn)狀,找出薄弱環(huán)節(jié),為后續(xù)優(yōu)化提供依據(jù).

1 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),根據(jù)其總體目標(biāo)受多項因素影響程度,歸納劃分隸屬等級,用隸屬度來描述模糊界限,把模糊關(guān)系合成,然后依層逐次綜合進(jìn)行整體判斷.可以將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,其基本思想可作以下歸納[9].

首先分析對評價對象造成影響的因素,并按種屬關(guān)系合理分層分類,在每一層級中,都按照相同思想完成以下步驟:將同一上層因素下包含的所有因素,構(gòu)成集合X={x1,x2,…,xn};將評價結(jié)果按等級分層,對應(yīng)評價集V={v1,v2,…,vm};而因素集X與評價集V之間的模糊關(guān)系,可以用隸屬度評價矩陣R來表示,式(1)中rij表示因素xi(i=1,2,…,n)對評價結(jié)果vj(j=1,2,…,m)的隸屬度.

(1)

然后根據(jù)各因素對上一層因素的重要性程度分配相應(yīng)權(quán)重,建立權(quán)重向量W=(w1w2… wn).接著進(jìn)行模糊綜合運算,將權(quán)重向量W和各因素評價矩陣R合成,得到其所屬上一層因素的評價結(jié)果向量B.

最后按照層級次序,由低層級向高層級的方向,將評價結(jié)果與權(quán)重逐步合成,可得目標(biāo)層的最終評價結(jié)果,在不同機組間也可用來評判比較.

2 影響鍋爐系統(tǒng)能效的因素分析

采用模糊評判法,首先需要確定影響鍋爐能效的因素.由常用的熱平衡與火用平衡分析可知,鍋爐系統(tǒng)能效損耗主要由不完全燃燒損失、鍋爐散熱損失及排煙損失造成.而反映到具體的運行環(huán)節(jié)中,對鍋爐系統(tǒng)能效有影響的主要因素可以歸納為所用燃料水平、設(shè)備自身情況及系統(tǒng)運行控制3個方面.

2.1 燃料水平

水分與灰分都是燃料中的主要雜質(zhì).燃燒過程中水分汽化吸熱,降低了燃料發(fā)熱量,燃料難于著火且會結(jié)渣,水蒸氣隨排煙帶走大量熱量,加劇腐蝕煙道.灰分增多會造成燃燒困難,燃燒后鍋爐出灰量大,易在受熱面積灰結(jié)渣,煙氣流速高時灰粒會對煙道進(jìn)行劇烈磨損.

燃料的低位發(fā)熱量取決于可燃物含量,發(fā)熱量越高,燃燒過程獲得能量越多,爐內(nèi)溫度升高,更易于燃料的著火與燃燒.

2.2 設(shè)備水平

鍋爐運行實際負(fù)荷較低,可能難以滿足用汽需求,隨燃料消耗量及產(chǎn)熱的減少,燃料未完全燃燒熱損失及散熱損失增加.而鍋爐超負(fù)荷運行會增大設(shè)備壓力,爐膛溫度升高,可能引發(fā)安全隱患.負(fù)荷變化很大時,會增加燃燒調(diào)整難度,影響運行穩(wěn)定性.

漏風(fēng)系數(shù)反映了設(shè)備結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性與密封性,鍋爐多為微負(fù)壓燃燒,防止燃燒產(chǎn)物外漏.主要監(jiān)測部位有爐膛、空氣預(yù)熱器及尾部煙道,漏風(fēng)系數(shù)直接關(guān)系到外部空氣的滲入,嚴(yán)重的漏風(fēng)會使煙氣溫度降低,加大排煙損失,傳熱性能變差.

2.3 系統(tǒng)運行狀況

過量空氣系數(shù)α主要影響燃燒狀況,如果α偏小,鍋爐內(nèi)不完全燃燒熱損失增大;如果空氣過量太多,會使?fàn)t膛溫度降低,燃燒速度降低,導(dǎo)致排煙熱損失增大.

送風(fēng)入口風(fēng)溫度如果過低,會造成空氣預(yù)熱器入口段結(jié)露堵灰,運行經(jīng)濟性降低.在實際運行過程中,應(yīng)利用自然條件或廢熱利用來升高送風(fēng)入口風(fēng)溫度.

飛灰可燃物含量反映燃料在爐膛內(nèi)未完全燃燒程度,含量越大,說明機械未完全燃燒損失越大,燃料利用率低,且會磨損設(shè)備,甚至引起燃燒火焰拉長等不良影響.

排煙溫度可以體現(xiàn)鍋爐燃燒時的通風(fēng)量是否合理,若通風(fēng)量不合適,會使?fàn)t膛溫度降低,煙溫提高,造成燃料浪費.排煙溫度低,會導(dǎo)致介質(zhì)受熱度減少,易發(fā)生結(jié)露、堵灰、腐蝕.

煙氣氧含量主要來自于空氣中在爐膛內(nèi)未參與燃燒的氧量,及煙道行程設(shè)備的漏風(fēng)氧量.煙氣氧含量增多會導(dǎo)致煙氣量增多,排煙熱損失增加,引風(fēng)機負(fù)荷增大.

主蒸汽溫度與主蒸汽壓力都是直接關(guān)系火電廠運行經(jīng)濟性的主要參數(shù).溫度、壓力的升高會提升鍋爐效率,減少供電煤耗,但如果過高也會引起后續(xù)汽輪機設(shè)備的調(diào)節(jié)級葉片過負(fù)荷,影響機械強度,導(dǎo)致設(shè)備損壞,不利于安全生產(chǎn).

鍋爐系統(tǒng)輔機主要包括給煤機、磨煤機、給水泵、疏水泵、引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、電除塵等,其耗能情況直接影響到系統(tǒng)能效.

3 鍋爐系統(tǒng)能效的模糊綜合分析

3.1 影響鍋爐系統(tǒng)能效水平的因素選取

根據(jù)上述分析,本文將鍋爐系統(tǒng)能效定為一級目標(biāo)層,設(shè)立燃料水平、設(shè)備水平及系統(tǒng)運行狀況為3個并行的二級準(zhǔn)則層,并在二級準(zhǔn)則層下將對應(yīng)的各影響因素設(shè)為三級指標(biāo)層,由此構(gòu)成鍋爐系統(tǒng)能效綜合評價的指標(biāo)體系[10-11],如圖1所示.

圖1 鍋爐系統(tǒng)能效綜合評價指標(biāo)體系

3.2 評價集及隸屬度函數(shù)確定

對于鍋爐系統(tǒng)能效的評價,設(shè)立評價集V={差,合格,良好,優(yōu)秀},各項因素的評分取最佳狀態(tài)為1,最差狀態(tài)為0,具體評價集的等級劃分見表1.

三級指標(biāo)層的具體得分由隸屬度函數(shù)確立.以實際值xij與設(shè)計值xij0的數(shù)量關(guān)系之比為橫坐標(biāo)基準(zhǔn),根據(jù)每個因素的具體變化對鍋爐系統(tǒng)能效的指向性影響,確定評價得分的隸屬度函數(shù)走向,主要分為正向型、負(fù)向型及區(qū)間型隸屬函數(shù),采取梯形和半梯形形式[8].規(guī)定各因素對系統(tǒng)能效影響最優(yōu)時隸屬度得分為1,最差時隸屬度得分為0.

表1 評價集等級劃分

正向型隸屬度得分函數(shù)表達(dá)式和圖像如式(3)和圖2所示;負(fù)向型隸屬度得分函數(shù)表達(dá)式和圖像如式(4)和圖3所示;區(qū)間型隸屬度得分函數(shù)表達(dá)式和圖像如式(5)和圖4所示.圖中,a,b,c,d為各因素實際值與設(shè)計值的數(shù)量比,用以分隔函數(shù)定義域的分段區(qū)間.

(3)

(4)

(5)

圖2 正向型隸屬度得分函數(shù)圖像

圖3 負(fù)向型隸屬度得分函數(shù)圖像

圖4 區(qū)間型隸屬度得分函數(shù)圖像

在同一準(zhǔn)則層下,計算出各元素在不同狀態(tài)下參數(shù)變化對應(yīng)的隸屬度得分,排布為橫行,再將該準(zhǔn)則層下所有元素的隸屬度得分順次按行排列,構(gòu)成的矩陣即為此準(zhǔn)則層下元素的隸屬度集評價矩陣.

3.3 評價因素權(quán)重的確定

評價因素的權(quán)重是依照元素重要性程度進(jìn)行定量分配的參數(shù),以上一層元素為基準(zhǔn),將其下一層包含的元素兩兩比較,用1～9級標(biāo)度法[12]表明元素集X的相對重要程度,如表2所示.

表2 1～9級標(biāo)度及其含義

評價因素權(quán)重通常是由富有經(jīng)驗的專家組打分確定.本文邀請10位富有實踐經(jīng)驗的工程師、教授打分,并取其算術(shù)平均值,得到二級準(zhǔn)則層及一級目標(biāo)層下各元素的重要性標(biāo)度集.

燃料水平準(zhǔn)則層:M1={3,2,7}

設(shè)備水平準(zhǔn)則層:M2={5,3,2,4}

系統(tǒng)運行狀況準(zhǔn)則層:M3={3,2,2,5,3,4,3,7}

鍋爐系統(tǒng)能效目標(biāo)層:M4={4,3,7}

在每一準(zhǔn)則層下,有n個因素,可以構(gòu)造判斷矩陣A,定義

(6)

式中,aij=f(xi,xj)由元素xi與xj的重要性標(biāo)度系數(shù)mi,mj兩兩相比得出,可知aij與aji互為倒數(shù),當(dāng)i=j時,aij=1.

因判斷矩陣受人的主觀判斷影響,與客觀重要程度存在一定誤差,為保證結(jié)果在合理精度范圍內(nèi),就需要進(jìn)行一致性檢驗.當(dāng)一致性比率CR<0.10時,判斷矩陣構(gòu)建合理,求出最大特征向量,進(jìn)行歸一化處理,利用幾何平均法[6]可得到權(quán)重向量W,計算如下:

(7)

由此在燃料水平、設(shè)備水平、系統(tǒng)運行狀況3個準(zhǔn)則層下,通過一致性檢驗后,可以得出各自的判斷矩陣與權(quán)重向量分別為

W3=(0.112 0.069 0.069 0.171 0.112

0.115 0.112 0.240)

同樣,在鍋爐系統(tǒng)能效目標(biāo)層下,求得3類準(zhǔn)則層的權(quán)重向量W4=(0.286 0.214 0.5).

4 評判實例

某電廠采用G-75/5.29-M12次高溫、次高壓循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng),根據(jù)某段時間內(nèi)監(jiān)測運行參數(shù),進(jìn)行能源利用現(xiàn)狀評價.

因鍋爐系統(tǒng)長期使用同樣煤種,設(shè)備情況差別不大,且保持相對穩(wěn)定運行狀態(tài),所以取一段時期內(nèi)的參數(shù),經(jīng)處理得算術(shù)均值為代表值,由隸屬度函數(shù)對應(yīng)計算得分,所得準(zhǔn)則層下的隸屬度集評價矩陣R=(rij)n×1為單列矩陣.由指標(biāo)層向準(zhǔn)則層、再向目標(biāo)層綜合推進(jìn)計算,評判結(jié)果如表3～5所示.

表3 燃料水平準(zhǔn)則層下的模糊綜合評判結(jié)果表

表4 設(shè)備水平準(zhǔn)則層下的模糊綜合評判結(jié)果表

表5 系統(tǒng)運行狀況準(zhǔn)則層下的模糊綜合評判結(jié)果表

對于該電廠的鍋爐系統(tǒng),由上文得到的根據(jù)某段時間內(nèi)電廠監(jiān)測的運行參數(shù),進(jìn)行能源利用現(xiàn)狀評價,得分B=WR,可得各準(zhǔn)則層與目標(biāo)層的模糊綜合評判得分如下.

燃料水平準(zhǔn)則層:

B1=W1R1=(0.250 0.167 0.583)·

(0 1 1)T=0.75

設(shè)備水平準(zhǔn)則層:

B2=W2R2=(0.357 0.214 0.143 0.286)·

(0.667 0.76 0.92 0.6)T=0.704

系統(tǒng)運行狀況準(zhǔn)則層:

鍋爐系統(tǒng)能效目標(biāo)層:

由上可得,該電廠鍋爐系統(tǒng)在燃料水平、設(shè)備水平、系統(tǒng)運行狀況3個準(zhǔn)則層的得分分別為0.75,0.704,0.688,對應(yīng)評語都為合格,整體系統(tǒng)能效得分為0.714,屬于合格一類,仍然有很大的節(jié)能提升空間.

具體從表3～5內(nèi)各準(zhǔn)則層下元素的評判結(jié)果可以得出:燃料水平偏低,實際燃料的水分較大,煤質(zhì)較差不利于燃燒,而后續(xù)飛灰可燃物含量偏高,說明燃燒狀況不太理想.該段時間內(nèi)鍋爐負(fù)荷設(shè)置也不太合理,可以結(jié)合實際生產(chǎn)需要適當(dāng)小幅加荷.因設(shè)備使用年限長,鍋爐系統(tǒng)的漏風(fēng)情況較嚴(yán)重,引起外部空氣內(nèi)滲,加大了排煙量,煙氣氧含量偏高,且輔機耗能相對較大,需要注意控制并合理檢修維護(hù),以提高整個鍋爐系統(tǒng)的能效狀況.

5 結(jié)束語

模糊綜合評判法可以將難以界定的模糊關(guān)系轉(zhuǎn)換為定量分析,通過科學(xué)客觀的整合評判,結(jié)合層次分析法,有效解決多屬性、非確定性問題,以此為基礎(chǔ)能夠極大提升技術(shù)管理水平,在復(fù)雜工程系統(tǒng)問題研究方面有廣闊的應(yīng)用前景.本文基于該方法對電廠鍋爐系統(tǒng)能效進(jìn)行評判,根據(jù)工程運行實際,綜合考慮技術(shù)管理方面的影響因素,建立了三級評價指標(biāo)體系,對能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析.

通過此次分析,可以綜合評價得分與權(quán)重比例,主要針對運行過程中能源利用率低的環(huán)節(jié),進(jìn)行電廠鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)改造,從而提升能效水平與經(jīng)濟效益.該模糊綜合評價體系也可以推廣至其他電廠的考核管理,其分析方法與評定結(jié)果都有一定的借鑒意義.

[1] 張淼.電廠鍋爐的熱力學(xué)分析[D].沈陽:東北大學(xué),2008.

[2] 王雨絲,夏家群,和浩浩,等.600 MW超臨界火力發(fā)電機組鍋爐效率分析[J].工業(yè)加熱,2016,45(1):5-8.

[3] 李永華,孫剛,仇元剛,等.電站鍋爐的火用效率分析[J].鍋爐技術(shù),2009,40(5):27-30.

[4] 靳濤,付忠廣,滿若巖,等.火電廠綜合評估的模糊評價法[J].熱能動力工程,2010,25(5):473-477.

[5] 滿若巖,付忠廣.基于模糊綜合評判的火電廠狀態(tài)評估[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(5):5-10.

[6] 李勇,何蕾,龐傳軍,等.基于層次分析法的火電廠運行情況量化評價方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(2):500-504.

[7] 何成兵,劉京,顧煜炯.燃煤電站鍋爐系統(tǒng)能效評價方法研究[J].煤炭學(xué)報,2015,40(4):951-958.

[8] 劉京,宋磊,何成兵.評價電站鍋爐能源效率的模糊綜合評判方法研究[J].鍋爐技術(shù),2014,45(6):26-31.

[9] 謝季堅,劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].4版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2013.

[10] 蔣明昌.火電廠能耗指標(biāo)分析手冊[M].北京:中國電力出版社,2011.

[11] 趙奕奕,張萬路.提高工業(yè)鍋爐和蒸汽系統(tǒng)效率培訓(xùn)教材[M].北京:中國計量出版社,2007.

[12] 繆宛新,楊玉新,張旭峰.火電廠可持續(xù)發(fā)展的模糊綜合評價模型[J].中國電力教育,2007(S2):154-155.

(編輯:丁紅藝)

Energy Efficiency of Boiler Systems Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

HUO Ruimin, LU Mei

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

In order to evaluate the energy efficiency of boiler systems scientifically and comprehensively,a fuzzy comprehensive evaluation method was proposed.From the angle of technical economy in engineering practice,the energy efficiency of boiler systems was defined as the primary target layer.The fuel level,equipment level and operation condition were selected and adopted as the secondary criterion layer.The specific factors were classified and applied as the tertiary index layer.By analyzing the factors’ directivity effect on system energy efficiency,membership functions were determined.And the weight vector was obtained by the expert group review.So,a complete fuzzy comprehensive evaluation system was established.It can be used to quantitatively analyze the efficiency of boiler systems,as well as to evaluate the current utilization situation of energy efficiency in certain layer.It can provide advices for the subsequent optimization and the working condition comparison among units.

boilersystem;energyefficiency;fuzzycomprehensiveevaluation

1007-6735(2017)01-0063-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.01.011

2016-10-31

霍睿敏(1991-),女,碩士研究生.研究方向:熱力系統(tǒng)能效研究.E-mail:hrm11111@qq.com

盧 玫(1958-),女,教授.研究方向:強化傳熱和能量有效利用.E-mail:rose_luu@usst.edu.cn

TK 22

A