基于模糊評價理論對層燃工業(yè)鍋爐綜合性能的研究與分析

胡 琬，郁鴻凌，楊東偉

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

建立一個多層次的綜合評價模型包括建立科學有效的能效評價指標體系以及合適的評價方法。通過對鍋爐進行綜合能效評價，能對鍋爐及其輔助系統(tǒng)的能效水平有更全面的了解，進而為提高能效水平提供分析依據，并指導運行。

目前，李晨懿等［1］已將模糊評價法用于治理電壓暫降問題，建立了一種隸屬度函數判定電壓暫降源類型。該函數能有效減少誤差，但僅適用于電網調峰，對工業(yè)鍋爐的借鑒性不足。劉軍等［2］將模糊評價法用于控制中儲式磨煤機的最佳運行工況，并利用遺傳算法進行優(yōu)化，但其僅從專家經驗的單一角度進行優(yōu)化，缺乏客觀性的考慮。李妍等［3］則提出了“隸屬度函數模型+評分表”的歸一化方法，用于評價新能源的出力波動性。該方法具有一定的預測性，但缺乏對當前能源狀態(tài)的實時評價，不能具體指導生產。徐長寶等［4］將模糊評價法運用在智能電站中，以便及時有效地評估系統(tǒng)狀態(tài)，但權重設定靈敏度較低，在工業(yè)鍋爐的運用上有一定的局限性。

基于低碳經濟背景的工業(yè)鍋爐能效評價并非單一的經濟效率評價，需結合環(huán)境影響因素、燃料設備管理評估等內容，本文運用熵權法和層次分析法確定權重，從而提高評價結果的準確性，使得鍋爐的綜合能效評價結果更加科學合理。

1 鍋爐系統(tǒng)能效評價指標體系的建立

1.1 ?分析指標

能源評價除了熱效率指標，還應考慮鍋爐的?效率。由于工業(yè)鍋爐自動監(jiān)測技術并未十分完善，無法實時監(jiān)測到計算各項?損系數。由計算經驗可知，燃燒?損失和傳熱?損失在整個?損失中所占比重遠高于其他幾項，因此默認?效率達不到設計要求時，鍋爐的燃燒和傳熱狀況較差。本文將?效率和熱效率作為能效綜合評價指標。

整臺鍋爐?效率ηe可表示為

式中：ηr為鍋爐熱效率；Q 為煤的收到基低位發(fā)熱量；e 為煤的燃料?；T0為環(huán)境溫度；Tm為鍋爐汽水系統(tǒng)平均吸熱溫度。

式中：hst、hwa分別為鍋爐出口蒸汽、鍋爐給水焓值；sst、swa分別為鍋爐出口蒸汽、鍋爐給水熵值。

煤的燃料?計算式為

式 中 ， Car、 Har、 Oar、 Nar分 別 代 表 收 到 基 碳 、氫、氧、氮的質量分數。

1.2 燃料設備指標

工業(yè)鍋爐中實際用煤與設計用煤往往存在較大差異，煤質的優(yōu)劣很大程度上影響了鍋爐的整體運行水平，所以將燃料水平作為鍋爐綜合評價指標之一。

根據題意，題目中的函數定義域為分母不能為0，也就是x>0，所以與題目相關的選項就是A,即只有A選項中的函數f(x)=lnx定義域為x>0，B中定義域為x不等于0，C選項和D選項中的函數定義域為實數集R，所以正確答案為A.

工業(yè)鍋爐種類各異，管理方式粗放，存在很多設備老化、漏風等問題，設備水平也是需要考慮的因素。因此，將爐膛漏風系數、省煤器漏風系數、空氣預熱器漏風系數作為設備水平的評價指標。

1.3 環(huán)保指標

工業(yè)鍋爐的發(fā)展必須將環(huán)保因素列入評價指標。環(huán)保指標包括煙塵排放濃度、二氧化硫排放濃度和氮氧化物排放濃度。環(huán)保指標規(guī)定值參考《鍋爐大氣污染物排放標準》［5］。

1.4 評價指標值

進行能效綜合評價時每個指標在不同工況下都會對應一個工況最佳值，評價指標體系主要以指標實際值與最佳值的偏差系數作為具體評價模型的指標值，以增強不同機組之間的可比性。本文所選取的效率指標最佳值是通過設計值在不同工況下的數據總結出的最佳值曲線得出。

2 鍋爐系統(tǒng)模糊綜合評價模型的建立

首先需要確定能效評價的方法以及指標。將指標綜合才能全面反映鍋爐的整體運行狀況。根據運行數據計算評價指標的大小，通過與指標基準值進行比較得到每個指標的評價結果，確定不同指標對評價目標的影響程度，并采用組合賦權法進行賦權。最后進行評價模型計算，得到綜合評價結果。

2.1 模糊評價理論

模糊綜合評價方法以模糊數學［6］理論為基礎，通過建立模糊矩陣來解決實際問題。模糊集合的定義為：假設存在一個集合U，U 中含有模糊子集A，對于任意U 中的元素x，都能確定其對模糊子集A 的隸屬程度，以一個數μA（x）來表示，即

2.2 評價集的建立

根據確定的鍋爐能效評價指標，建立綜合評價因素集。數學表達式為U = {U1，U2，U3}，其中U1= {U11，U12}，U2= {U21，U22}，U3={U31，U32，U33}。具體評價指標體系如圖1 所示。

2.3 隸屬度函數的建立

本文所涉及到的評價指標大多是定量指標，因此選用模糊分布法確定隸屬度函數較為合理。再通過先驗知識或者實驗數據確定符合實際的參數，確定最終的隸屬度函數。

2.4 組合賦權法確定權重

圖 1 工業(yè)鍋爐能效評價指標體系Fig. 1 Energy efficiency evaluation index system of industrial boiler

評價指標的權重確定方法直接影響評價結果的準確性。常見的單一賦權法有客觀賦權法和主觀賦權法。主觀賦權法客觀性較差，在應用中存在一定的局限性。客觀賦權法太過依賴于實際的問題域。將主觀賦權法和客觀賦權法進行組合構造出“熵權法+層次分析法”的組合賦權法，能使評價結果更加合理準確，更符合實際情況。

設aj、bj分別為第j個指標的客觀和主觀權重，組合權重wj由式（4）確定［7］，即

式中，α為偏好系數。

確定α的值是組合賦權法的核心。由于各個指標之間的相對重要程度通常不同，按主觀經驗將同一指標的重要等級進行排序：①各指標的重要等級相同，取α= 1。②各指標的重要等級有所側重，將主觀和客觀賦權法排序且與原有的重要等級排序結果相同，取α= 1，結果不同且客觀賦權法排序與原等級排序相同，取α= 0.5。③三者排序均不同取α= 0。

2.5 模糊評價模型計算

根據所建立的能效指標評價體系，整體的模糊綜合評價模型為

式中：當 時，評價為優(yōu)秀；當時，評價為良好；當時，評價為合格；當 時，評價為不良。

3 模糊綜合評價方法的工程應用

以山西大同某DHL2-1.25-AII 型層燃蒸汽鍋爐為評價對象，其設計煤種是二類煙煤。

3.1 鍋爐參數

DHL2-1.25-AII 型蒸汽鍋爐機組設計參數：額定蒸發(fā)量為2 t·h-1；額定工作壓力為1.25 MPa；額定工作溫度為193 ℃；設計熱效率為81.52%；過量空氣系數為1.65。鍋爐設計煤種參數：Car、Har、Oar、Nar分別為46.55%、3.06%、6.11%、1.94%、0.86%；Q為17 693.4 kJ·kg-1。

選取該鍋爐在穩(wěn)定狀態(tài)下的運行數據進行分析評價，并計算出鍋爐的熱效率、?效率以及相關評價指標值。鍋爐主要運行參數和能效利用效率評價指標數據分別如表1、2所示，其中q2、q3、q4、q5和q6分別為排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、散熱損失和灰渣物理熱損失。

表 1 鍋爐主要運行參數Tab. 1 Main operating parameters of boiler

3.2 鍋爐系統(tǒng)能效評價指標值確定

?效率的取值越大，表明能源利用水平越高，隸屬度函數取偏大型半梯形分布。熱效率越大，則各項熱損失之和越小，鍋爐的運行狀況越好，隸屬度函數取偏小型半梯形分布。計算隸屬度值分別為μ(χ11)=0.968, μ(x12)=0.817, μ(x121)=1, μ(x122)=1, μ(x123)=0, μ(x124)=1, μ(x125)=1。

表 2 能效利用效率評價指標數據Tab. 2 Data of energy efficiency evaluation index

煤的低位發(fā)熱量、水分、灰分需要控制在一定的范圍內，燃料設備因素的燃料質量指標的隸屬度函數取中間型梯形分布。漏風系數越小越好，則設備水平指標的隸屬度函數取偏小型半梯形分布。計算隸屬度值分別為μ(χ211)=0, μ(x212)=0, μ(x213)=0， μ(x221)=1, μ(x222)=0.25, μ(x223)=0.29。

鍋爐的環(huán)保指標越高，對環(huán)境影響越小。環(huán)保因素指標隸屬度函數取偏小型半梯形分布。計算隸屬度值分別為μ (x31)=0.1, μ(x32)=0, μ(x33)=1。

3.3 組合賦權權重確定

根據各指標值，同時運用熵權法與層次分析法分別確定權重。最后決策者利用經驗知識判斷兩兩因素之間的重要程度，依據式（4）最終確定權重。三級指標：燃料質量指標（0.55，0.15，0.3）；設備水平指標（0.4，0.3，0.3）。二級指標：效率指標（0.4，0.6）；燃料設備指標（0.65，0.35）；環(huán)保指標：（0.37，0.49，0.14）。一級指標：能源利用效率指標（0.45）；燃料設備因素指標（0.3）；環(huán)保因素指標（0.25）。

3.4 鍋爐系統(tǒng)綜合評價結果

能效綜合評價結果如表3 所示。由表中可知：評價對象的能效等級僅達到合格且得分為0.59。燃料指標偏離設計值以及鍋爐漏風情況較為嚴重，使得燃料設備因素指標得分為0.19，評價等級不良，環(huán)保運行指標得分為0.21，污染物排放高于國家污染物排放標準值，處于不良運行水平。所以即使鍋爐的效率指標達到了優(yōu)秀水平，但綜合評價得分并不是很理想，存在很大的改造提升的空間。能效綜合評價的結果不是最終目的，需要在能效評價的過程中找出鍋爐存在的問題，再根據具體問題具體分析，得出解決方法，最終提高鍋爐的整體能效水平。

表 3 能效綜合評價結果Tab. 3 Comprehensive evaluation results of energy efficiency

鍋爐的飛灰含碳量偏大，導致熱損失偏大。同時，發(fā)現(xiàn)過量空氣系數為2.34，遠大于設計標準（1.65）。造成漏風過大的原因，有可能是該實驗臺主要用于鍋爐實驗，爐膛或煙道密封性不良。熱力測試實驗數據的分析結果與評價結果基本吻合。

4 結 論

本文運用模糊綜合評價法，對DHL2-1.25-AII 型層燃蒸汽鍋爐綜合能效進行評價。雖然其熱效率得分為0.85，達到設計要求，但燃料設備因素指標得分為0.19，環(huán)保因素指標得分為0.2。由于鍋爐新建，很大原因是因為漏風過大。由于權重系數的影響因而綜合評級得分為0.59，說明鍋爐能效還有較大的提升空間。通過熱力測試實驗側面驗證，表明該評價方法具有較高的可靠性。相比于其他以熱效率為主的鍋爐評價法，模糊綜合評價法不僅考慮鍋爐能源利用水平，而且考慮燃料設備與環(huán)保因素，并依據因素重要程度不同合理分配權重，使該評價方法更加科學合理。