基于層次分析法的多目標(biāo)鍋爐吹灰策略

郜建良, 錢　虹, 陳　綱, 周　泉

(1.上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院, 上?！?00090;2.華能上海石洞口第一電廠 檢修部, 上海　200942)

?

基于層次分析法的多目標(biāo)鍋爐吹灰策略

郜建良1, 錢虹1, 陳綱2, 周泉2

(1.上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院, 上海200090;2.華能上海石洞口第一電廠 檢修部, 上海200942)

針對(duì)鍋爐受熱面積灰污染而造成鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性下降的問(wèn)題,以安全性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)構(gòu)建面向不同受熱面的吹灰策略模型.通過(guò)運(yùn)用層次分析法的建模、求解和分析,得到了不同受熱面的吹灰控制策略,以指導(dǎo)鍋爐的吹灰過(guò)程,保證鍋爐整體在充分吸熱的狀態(tài)下,減少對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響,確保鍋爐吹灰的安全性、經(jīng)濟(jì)性.

電站鍋爐; 多目標(biāo); 層次分析法

鍋爐受熱面積灰結(jié)渣問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生又難以徹底解決[1],尤其是電站鍋爐受熱面的積灰污染,不僅降低鍋爐運(yùn)行熱效率,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行或停機(jī),對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響[2-3],降低電廠的經(jīng)濟(jì)效益.目前,大容量電站鍋爐的各受熱面均配有不同形式的吹灰器,一般采用定時(shí)定量的吹灰方式對(duì)各個(gè)受熱面進(jìn)行吹掃.各個(gè)受熱面的積灰情況不同,采用相同的吹灰頻次,不可避免會(huì)造成吹灰過(guò)度或吹灰不足.因此,鍋爐機(jī)組變定時(shí)吹灰為按需吹灰十分必要[4].近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)鍋爐的優(yōu)化吹灰進(jìn)行了大量的研究,并取得了顯著的研究成果,但也存在一定的不足.如文獻(xiàn)[5]提出運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化吹灰,在一定情況下可以較好地指導(dǎo)吹灰,但當(dāng)煤種發(fā)生較大變化時(shí)測(cè)量結(jié)果也將產(chǎn)生較大的偏差;文獻(xiàn)[6]提出采用污染因子模型進(jìn)行受熱面積灰的監(jiān)測(cè),可以較好地監(jiān)測(cè)各個(gè)受熱面的積灰情況來(lái)指導(dǎo)吹灰,但并未考慮各受熱面吹灰對(duì)鍋爐整體吸熱特性的影響;文獻(xiàn)[7]不僅提出運(yùn)用清潔因子指導(dǎo)吹灰,并考慮各受熱面吹灰對(duì)本受熱面的經(jīng)濟(jì)性影響,但并未考慮各受熱面吹灰對(duì)鍋爐整體經(jīng)濟(jì)性的影響.本文以鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為指標(biāo),從受熱面的整體分布上考慮吸熱的吹灰指導(dǎo),避免單一受熱面吹灰造成的局部影響,并通過(guò)運(yùn)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)構(gòu)建多目標(biāo)吹灰模型,對(duì)模型進(jìn)行求解、分析得到對(duì)專家吹灰系統(tǒng)推理控制策略.

1　多目標(biāo)吹灰模型

1.1層次分析法機(jī)理

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,其基本原理為:首先,將問(wèn)題層次化,按照各對(duì)象之間的相互關(guān)系進(jìn)行分層;然后,將各層對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析,構(gòu)造判斷矩陣;最后,利用求解判斷矩陣的特征向量,獲得各層次要素對(duì)于上一層次的優(yōu)先級(jí)次序,進(jìn)而建立權(quán)重向量.層次分析法一般分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層,其中目標(biāo)層是要達(dá)到的目的;方案層是實(shí)施的方法;準(zhǔn)則層是連接方案層和目標(biāo)層的指標(biāo)[8].

層次分析法的一般步驟是首先建立層次結(jié)構(gòu)模型,具體如圖1所示.模型由判斷模型、最優(yōu)傳遞模型、權(quán)重模型構(gòu)成.采用九標(biāo)法構(gòu)造兩兩比較的判斷模型:

其中aii=1,aij=1/aji,即矩陣A為互反矩陣.然后構(gòu)建最優(yōu)傳遞模型:

(1)

求解最優(yōu)傳遞模型各行元素之積為:

(2)

再求解各行的n次方根,將其作為特征向量w′的第i個(gè)分量:

(3)

(4)

得到的wi越大,則對(duì)應(yīng)的ai重要程度越高.

圖1　層次結(jié)構(gòu)模型

1.2多目標(biāo)吹灰模型的構(gòu)建

為了提高鍋爐吹灰的有效性和合理性,在鍋爐吹灰時(shí)需要根據(jù)一定的優(yōu)先權(quán)排序?qū)Ω鱾€(gè)受熱面進(jìn)行吹掃,即建立合理的鍋爐吹灰控制策略.本文采用上述的層次分析法對(duì)積灰狀態(tài)下的各個(gè)受熱面的吹灰順序進(jìn)行綜合排序,使得各個(gè)受熱面避免過(guò)吹和欠吹,提高吹灰的有效性和合理性.

本文構(gòu)建的多目標(biāo)吹灰模型以吹灰經(jīng)濟(jì)性和安全性為目標(biāo),其中經(jīng)濟(jì)性包括減溫水、微量減溫水、吹灰蒸汽的節(jié)約情況,安全性是指鍋爐管壁超溫、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度在合理范圍、受熱面的吹灰磨損等.以重要度、關(guān)聯(lián)度和影響度為評(píng)價(jià)指標(biāo),即:各受熱面吹灰對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性或安全性的重要程度;各受熱面吹灰對(duì)其他受熱面吸熱情況的影響,進(jìn)而對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性或安全性影響的關(guān)聯(lián)程度;各受熱面吹灰對(duì)鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響程度.

多目標(biāo)鍋爐吹灰模型分為3層,即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層.具體如圖2所示.

根據(jù)多目標(biāo)吹灰模型構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型.首先,構(gòu)建判斷模型:

(5)

式中:aij——以某項(xiàng)因素為判斷指標(biāo)時(shí),方案ai比aj的重要程度的大小.

a1——省煤器吹灰方案;

a2——低溫過(guò)熱器吹灰方案;

a3——高溫過(guò)熱器吹灰方案;

a4——屏式過(guò)熱器吹灰方案;

a5——水冷壁第1層吹灰方案;

a6——水冷壁第2層吹灰方案;

a7——水冷壁第3層吹灰方案;

a8——水冷壁第4層吹灰方案;

a9——水冷壁第5層吹灰方案;

a10——水冷壁第6層吹灰方案;

a11——低溫再熱器吹灰方案;

a12——高溫再熱器吹灰方案.

其次,構(gòu)建最優(yōu)傳遞模型:

(6)

其中bij=10Cij;

求解最優(yōu)傳遞矩陣各行元素之積為:

(7)

求解各行Mi的12次方根:

(8)

最后,進(jìn)行歸一化處理,可以得到各方案的權(quán)重值wi,進(jìn)而得到權(quán)重模型矩陣w:

(9)

權(quán)重值越大表示對(duì)應(yīng)的方案發(fā)生時(shí),對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性或經(jīng)濟(jì)性影響越大.按照權(quán)重值由小到大的次序?qū)Ψ桨高M(jìn)行排序,得到的次序?yàn)榇祷业淖顑?yōu)吹灰控制策略.

2　多目標(biāo)吹灰的順序過(guò)程決策

根據(jù)多目標(biāo)吹灰模型,分別以安全性、經(jīng)濟(jì)性、安全性與經(jīng)濟(jì)性相平衡為3個(gè)不同的目標(biāo),通過(guò)計(jì)算分析得到3種情況下的吹灰控制策略.

2.1以安全性為目標(biāo)的吹灰控制策略

通過(guò)多目標(biāo)吹灰模型,以安全性為目標(biāo),運(yùn)用九標(biāo)法并根據(jù)式(5)構(gòu)建各判斷矩陣.

根據(jù)式(6)至式(9),得到權(quán)重模型矩陣:

(10)

根據(jù)權(quán)重矩陣,得到以安全性為目標(biāo)的吹灰控制策略如圖3所示.

2.2以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的吹灰控制策略

通過(guò)多目標(biāo)吹灰模型,以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),運(yùn)用九標(biāo)法并根據(jù)式(5)構(gòu)建各判斷矩陣.

圖3　以安全性為目標(biāo)的吹灰控制策略

根據(jù)式(6)至式(9),得到權(quán)重模型矩陣:

(11)

根據(jù)權(quán)重矩陣,得到以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的吹灰控制策略如圖4所示.

2.3以安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)的吹灰控制策略

根據(jù)以上內(nèi)容中求得的分別以安全性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的權(quán)重矩陣,按照安全性和經(jīng)濟(jì)性各占50%的原則,求得以安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)的權(quán)重矩陣:

w3=0.5w1+0.5w2=

(12)

根據(jù)權(quán)重矩陣,得到以安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)的吹灰控制策略與以安全性為目標(biāo)的吹灰控制策略相同.

通過(guò)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知,鍋爐中積灰最嚴(yán)重的受熱面為屏式過(guò)熱器和水冷壁的上部,這兩部分對(duì)鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性影響最大,且在吹灰中對(duì)其他受熱面吸熱影響最大;高溫過(guò)熱器和水冷壁中部積灰相對(duì)較輕,這兩部分對(duì)鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性影響相對(duì)屏式過(guò)熱器和水冷壁上部要小一點(diǎn),且在吹灰中對(duì)其他受熱面吸熱影響也相對(duì)較小;高溫再熱器和低溫再熱器的吸熱是主要影響微量減溫水用量的因素,且微量減溫水是影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo);省煤器、低溫過(guò)熱器、水冷壁下部積灰最輕,且在吹掃過(guò)程中對(duì)其他受熱面的影響也最小.通過(guò)上述分析不難發(fā)現(xiàn),以安全性為目標(biāo)和以安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)時(shí)得到的吹灰策略較為合理.

圖4　以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的吹灰控制策略

由于層次分析法在取值時(shí)存在經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題,導(dǎo)致了本文在進(jìn)行以安全性為目標(biāo)和以安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)分析時(shí),出現(xiàn)了吹灰策略相同的現(xiàn)象,但通過(guò)式(10)與式(12)比較,可以看出兩者的權(quán)重不同.隨著實(shí)際工作應(yīng)用中吹灰經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)權(quán)重趨于多樣化的取值,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)進(jìn)一步研究分析,將會(huì)得到更優(yōu)的吹灰策略指導(dǎo).

3　結(jié)　論

(1) 通過(guò)應(yīng)用層次分析法,分析不同受熱面進(jìn)行吹灰對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響情況,較好地得到了吹灰控制策略;

(2) 分別對(duì)安全性、經(jīng)濟(jì)性、安全性與經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算,得到了不同的吹灰控制策略,通過(guò)機(jī)理分析發(fā)現(xiàn),在以安全性為目標(biāo)和以安全性與經(jīng)濟(jì)性相平衡為目標(biāo)時(shí),得到的吹灰控制策略相對(duì)于以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)時(shí)的吹灰控制策略更為合理.

[1]朱予東,閻維平,高正陽(yáng).600 MW 機(jī)組鍋爐對(duì)流受熱面污染狀況實(shí)驗(yàn)與吹灰優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(2):196-200.

[2]徐嘯虎,周克毅,胥建群.鍋爐灰污染損失數(shù)學(xué)模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,32(30):20-24.

[3]王新,馬波,向文國(guó).600 MW機(jī)組鍋爐對(duì)流受熱面灰污在線監(jiān)測(cè)研究[J].江蘇電機(jī)工程,2007,26(5):63-65.

[4]顏磷,趙敏,顏文俊.鍋爐對(duì)流面灰污監(jiān)測(cè)和吹灰優(yōu)化控制策略的研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(4):57-60.

[5]鄭亞峰,盧海彬,謝紅軍.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能吹灰優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2011,24(10):38-40.

[6]柳青,閻維平,高正陽(yáng),等.330 MW機(jī)組鍋爐受熱面污染特性的試驗(yàn)研究[J].華東電力,2005,33(4):21-24.

[7]陳寶康,閻維平,高正陽(yáng),等.300 MW燃煤電站鍋爐受熱面優(yōu)化吹灰模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J].動(dòng)力工程,2004,24(5):485-489.

[8]張炳江.層次分析法及其案例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014:32-35.

(編輯桂金星)

Sootblowing Strategy of Boiler Based on the AnalyticHierarchy Process Multi-objective

GAO Jianliang1, QIAN Hong1, CHEN Gang2, ZHOU Quan2

(1.School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;2.Maintenance Department, Shanghai Shidongkou First Power Plant Huaneng Power International, Inc.,Shanghai200942, China)

Ash fouling on heating surfaces of boiler results in the reduction of economic efficiency and safety in the operation of a boiler.The model of soot blowing strategy for different heating surfaces is built based on the goals of improving economic efficiency and safety.The model uses the analytic hierarchy process method to build the structure of the problem by solving the problem as well as analysis,the control strategy for different heating surfaces is obtained.The control strategy is used to guide the soot blowing process of the boiler,which ensures the boiler to stay in the situation of overall sufficiency absorption of heat,and reduces the influences to the boiler.Thus,the economic efficiency and safety are guaranteed.

station boiler; multi-objective; analytic hierarchy process

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.004

2015-12-08

簡(jiǎn)介：錢虹(1967-),女,博士,副教授,上海人.主要研究方向?yàn)榭刂评碚摲椒ㄅc應(yīng)用.E-mail:qianhong.sh@163.com.

TK227;TM621.2

A

1006-4729(2016)03-0225-06