基于專家置信度的褐煤最佳摻燒比例研究

章義發(fā), 周文臺

(1. 國家電力投資集團有限公司, 北京 100033；2. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司, 上海 200240)

近年來，煤價不斷上漲，造成電廠盈利水平持續(xù)下降，選擇摻燒低成本的劣質(zhì)煤成為改善電廠經(jīng)營狀況的有效途徑。摻燒低成本劣質(zhì)煤時，除了考慮機組的經(jīng)濟性外，還需綜合考慮鍋爐的安全性與環(huán)保性[1-2]。由于每個電廠對經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性要求的側(cè)重點不同，且很多指標難以量化，因此在配煤摻燒的運用中，很難準確衡量最優(yōu)化摻配比例。

在確定最佳配煤摻燒比例時，采取的往往是不影響安全的前提下，最大可能地提高劣質(zhì)煤摻配比例，以達到最大經(jīng)濟效益。而這種方法在評價安全性和環(huán)保性時較為籠統(tǒng)，缺乏層次及客觀性，在評價經(jīng)濟性時又缺乏側(cè)重性。筆者將層次分析法引入配煤摻燒的評價體系中，以解決配煤摻燒時各指標權值模糊和不確定性的問題。

1 試驗鍋爐及煤質(zhì)

某電廠試驗機組鍋爐為超超臨界壓力直流鍋爐，型號為SG-3098/27.46-M539。鍋爐為變壓運行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置；采用機械刮板撈渣機固態(tài)排渣方式；燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNTFS)；制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配置6臺HP1203型中速磨煤機，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況時，5臺磨煤機投運，1臺備用。

該鍋爐實際燃用煤種為煙煤，摻燒煤質(zhì)為褐煤，煤質(zhì)成分見表1。

表1 燃用煤質(zhì)成分Tab.1 Quality analysis of two kinds of coal tested

2 層次分析法

2.1 價值工程

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種系統(tǒng)分析方法，對多因素、多準則、多方案的綜合評價及趨勢預測較為有效[3-5]。層次分析法的特點是在對復雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化，從而為多目標、多準則或無結(jié)構(gòu)特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法，尤其適合于對決策結(jié)果難于直接準確計量的場合。

2.2 配煤摻燒功能指標

配煤摻燒的功能分析中，評價功能由鍋爐及相關輔機的經(jīng)濟性、安全性與環(huán)保性綜合確定，而每個指標又由若干個指標組成。因此，把所有功能指標分為2個層級，如圖1所示。第1層級為總目標層級：u=(u1,u2,u3)。第2層級為總目標層級下的子目標層級，包括u1、u2和u3，其中u1為經(jīng)濟性，對應子目標層級u1=(u11,u12)；u2為安全性，u2=(u21,u22,u23,u24,u25)；u3為環(huán)保性，u3=(u31,u32,u33)。

圖1 配煤摻燒功能指標層次圖Fig.1 Profile of unit indexes for co-firing analysis

根據(jù)電廠實際需求，從經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性角度對配煤摻燒功能評價因素進行分析。經(jīng)濟性包括鍋爐效率和廠用電率，在計算鍋爐煤耗時，鍋爐效率和廠用電率往往合并進行處理。在本文研究中，由于電廠的廠用電率指標是該廠單獨考核的指標，且該廠廠用電率指標完成難度遠大于煤耗指標，因此分開進行分析。安全性包括摻燒褐煤以后的結(jié)焦安全性、制粉系統(tǒng)安全性、金屬壁溫安全性、汽溫安全性以及其他安全性，其他安全性則包括摻燒褐煤可能導致風量與煙氣量增加引發(fā)的風機安全性問題，以及高溫腐蝕安全性等可能性很小的問題。

3 配煤摻燒對象化分析

3.1 AHP賦權理論及信度分析[6-7]

由于在配煤摻燒過程中，不同人員對各個指標的重視程度不同，有的人側(cè)重經(jīng)濟性，而有的人更側(cè)重安全性。另外，對同一指標，如結(jié)焦程度以及可能帶來的安全隱患，不同人員的判斷有所不同。由于上述指標存在主觀賦權，因此引入信度分析進行理論計算。

3.1.1 信度分析理論

設有n個評判對象，i=1,2，…，n；m個評判專家，評判專家包括電廠的技術骨干、生產(chǎn)經(jīng)營相關管理者、電力科學研究院相關專家等，j=1,2，…，m。每個專家對n個對象的評判結(jié)果xij的取值用等級表示。根據(jù)信度分析理論[8]，評判的實際值Xij為真值Ti和評判誤差Eij之和。根據(jù)信度系數(shù)的定義，可以計算出每個評分人員的信度系數(shù)C：

(1)

式中：ljk為專家評分之間的離均差積和；ljj和lkk分別為評判人員離均差平方和。C越大，表示該專家評分與事實越相符，所占的打分權重也越大。

3.1.2 AHP賦權理論

(2)

(3)

通過上述方法，不難得出第1層級權重向量W=(A1,A2,A3)，且A1+A2+A3=1。第2層級權重向量W1=(A11,A12),且A11+A12=1；W2=(A21,A22,A23,A24,A25)，且A21+A22+A23+A24+A25=1；W3=(A31,A32,A33)，且A31+A32+A33=1。

3.2 功能指標的評定

3.2.1 功能評價級

針對配煤摻燒的相關指標，評價集合包括十分重要、更重要、重要、略重要和一般重要5個等級，V=(v1,v2,v3,v4,v5)，經(jīng)專家組商議，對應的數(shù)學取值分別為9、7、5、3和1.

3.2.2 功能模糊判斷矩陣

首先進行單因素ui(i=1,2,…，n)評判，因素ui的評判等級vj(j=1,2,…，m)的隸屬度為rij，這樣就得到第i個因素ui的單因素集。由m個因素評判集得到一個總的評判矩陣為[8]：

(4)

式中：rij為ui對vj的隸屬度。

3.2.3 功能模糊判斷矩陣的確定

通過前述專家評分，結(jié)合權重系數(shù)，對目標層進行排序，并對三階以上矩陣進行一致性檢驗[9]，限于篇幅，此處不展開分析。

按照功能評價級中對應的數(shù)學取值，并結(jié)合專家組的權值系數(shù)加權評價，最終確定功能評價數(shù)據(jù)取值，結(jié)果見表2～表5。以表2為例，若干名專家按照各自的權重系數(shù)對安全性與環(huán)保性進行評分，評分結(jié)果位于表2第2行第3列，評分數(shù)字7表示與環(huán)保性相比，安全性更重要，而環(huán)保性與安全性相比，則取值1/7，該值位于表2中的第3行第2列位置。同理可知，安全性和經(jīng)濟性同等重要，取值為1。通過計算表2中的排序向量，分別得出安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性在評價中所占的比重。表3～表5中的數(shù)據(jù)按照前述方法依次求得。

表3～表5中的λ、CI、CR為一致性檢驗的符號與對應數(shù)值，目的是檢驗多參數(shù)重要比較的一致性，避免出現(xiàn)A>B、B>C、C>A的情況。通過計算，各參數(shù)具有一致性，限于篇幅，此處不深入展開。

表2 總目標層排序求解結(jié)果Tab.2 Results of total target layer sorting solution

表3 u1層排序求解結(jié)果Tab.3 Results of u1 layer sorting solution

表4 u2層排序求解結(jié)果Tab.4 Results of u2 layer sorting solution

表5 u3層排序求解結(jié)果Tab.5 Results of u3 layer sorting solution

4 配煤摻燒試驗工況

4.1 摻燒試驗工況

針對某百萬機組進行褐煤摻燒試驗，由于電網(wǎng)負荷限制，試驗負荷點為75%負荷，具體試驗工況見表6。

表6 試驗工況及折算煤價Tab.6 Test conditions and converted coal price

4.2 摻燒試驗評價方法

由于經(jīng)濟性指標是定量數(shù)值，而非經(jīng)濟性指標屬于定性判斷，兩者難以統(tǒng)一兼顧，因此本試驗的評價體系采用綜合評價體系。

4.2.1 評價等級

對各層級的指標采用A、B、C、D、E五等級法來判斷。其中：A表示非常好,評分區(qū)間[90，100]；B表示較好，評分區(qū)間[80，90)；C表示一般，評分區(qū)間[70，80)；D表示較差，評分區(qū)間[60，70)；E表示非常差，評分區(qū)間[0，60]。

專家根據(jù)褐煤摻燒情況，對每個指標進行等級劃分，并在對應的區(qū)間內(nèi)進行打分。

4.2.2 評價指標

鍋爐的經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性的相關評價指標如表7所示。

表7 不同項目的評價指標Tab.7 Evaluation indicators for different projects

4.2.3 評價步驟

由于經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性的評價標準難以統(tǒng)一，因此在判別最佳摻配比例時，所有專家達成共識，采用綜合評判的方法進行評價。具體包含以下兩步：

第一步：專家對所有工況進行打分，并按照對應信度系數(shù)進行計算，所有試驗工況中，所有單項得分必須高于E，即不得出現(xiàn)某一專家綜合評價非常差的指標。此外，按照每一單項的權值得到的綜合評分不得低于C，即摻燒試驗的綜合評價不得出現(xiàn)專家組認為的非常差或較差的情況。

第二步：按照第一步篩選結(jié)束后，能夠確認配煤摻燒的經(jīng)濟性、安全性及環(huán)保性整體符合要求。再進行經(jīng)濟性比較，主要比較配煤摻燒以后的燃料成本變化率、鍋爐效率變化率及廠用電率變化率。廠用電率與鍋爐效率的比較以鍋爐效率為基準，按照經(jīng)濟性u1層的排序結(jié)果進行權重折算。

4.3 摻燒試驗結(jié)果

4.3.1 綜合評分

專家組成員按照前述評分方法進行評分，并按照信度系數(shù)計算，結(jié)果見表8。

表8 不同工況下的評分結(jié)果Tab.8 Rating results under different working conditions

當褐煤摻燒比例低于30%時，鍋爐采用4臺磨煤機運行；當褐煤摻燒比例在30%～50%時，需要采用5臺磨煤機運行；當褐煤摻燒比例高于50%時，則需要采用6臺磨煤機運行。與之匹配的風量變化也會引起三大風機電耗增加。由于該廠自身對廠用電率指標要求較為嚴苛，因此在廠用電率增加這一項中，電廠相關評分專家均給出了極低的分數(shù)。此外，在磨煤機安全性方面，隨著褐煤摻燒比例的提升，磨煤機出口溫度下降較為明顯，干燥明顯不足。從其他指標的專家評分結(jié)果來看，均較好。

4.3.2 經(jīng)濟性指標判別

純燒煙煤時，鍋爐效率為94.35%，非汽輪機側(cè)廠用電率為2.85%。表9給出了不同褐煤摻燒比例下鍋爐效率及廠用電率的絕對變化值。

表9 不同工況下的經(jīng)濟性指標Tab.9 Economic indicators under different working conditions %

配煤摻燒的收益等于燃料成本降低的收益減去鍋爐效率降低的收益以及廠用電率增加的收益部分。如圖2所示，ΔF為未將廠用電率加權，即實際電廠的經(jīng)濟收益，隨著褐煤摻燒比例的提升，實際收益不斷增加。ΔF′則是考慮廠用電率所占權重以后得到的收益，最大收益對應的褐煤摻燒比例為20%，可見并非摻燒比例越高越好，這也恰恰體現(xiàn)了引入專家權重分析的價值。

圖2 配煤摻燒收益圖Fig.2 Incomes vs. blending ratio

5 結(jié) 論

(1) 在配煤摻燒的價值評價中，引入信度分析理論及層次分析法能夠有效解決經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性多指標難以統(tǒng)一評價的問題，并能夠根據(jù)每個專家的側(cè)重點進行針對性的評價，有利于根據(jù)每個電廠的實際情況，對相應側(cè)重的指標進行有效分析。

(2) 摻燒經(jīng)濟煤種后，隨著摻燒比例的提升，電廠獲得的直接經(jīng)濟收益增加，即運行中應盡量摻燒經(jīng)濟煤種，但是考慮到環(huán)保指標、安全指標及廠用電率評價指標等多層級評價后，最大收益會發(fā)生變化。因此，應跟據(jù)每個電廠的實際情況制定合理的摻燒策略。