垃圾池焚燒一體智能化模型建立與實(shí)證分析

曾衛(wèi)東，田 爽，王傲寒

垃圾池焚燒一體智能化模型建立與實(shí)證分析

曾衛(wèi)東，田 爽，王傲寒

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

針對傳統(tǒng)垃圾熱值計(jì)算的大滯后性問題，本文依靠對垃圾池入爐量及發(fā)酵天數(shù)等數(shù)據(jù)的采集，利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行分析，建立智能化數(shù)學(xué)模型，預(yù)測垃圾入爐量。利用該一體智能化模型，可在垃圾劇烈燃燒嚴(yán)重影響爐溫之前獲得蒸汽負(fù)荷。該模型可以針對不同垃圾爐的不同特性，對不同工況的焚燒爐進(jìn)行預(yù)測建模。本文研究結(jié)果可為后續(xù)垃圾發(fā)電廠自動燃燒控制系統(tǒng)（ACC）的投入提供重要依據(jù)。

垃圾焚燒；智能化模型；垃圾池；最小二乘法；多項(xiàng)式擬合；預(yù)測建模

垃圾熱值分為低低、低、中等、高4個等級，根據(jù)不同等級的垃圾熱值設(shè)置不同的燃燒調(diào)整策略。但是現(xiàn)有垃圾熱值計(jì)算具有很大滯后性。實(shí)踐中，主要依靠司爐人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，這對司爐人員的要求比較高，而且調(diào)整往往具有一定滯后性，導(dǎo)致垃圾焚燒自動控制無法很好地實(shí)現(xiàn)，需要過多的人員手動干預(yù)，影響垃圾焚燒處理效率[1]。因此，需要研究城市生活垃圾的熱值和發(fā)酵時間等因素之間的關(guān)系，建立并優(yōu)化垃圾熱值計(jì)算方法，最大限度降低垃圾熱值計(jì)算的滯后性影響因素，將其更科學(xué)地應(yīng)用于垃圾焚燒自動化控制，進(jìn)而優(yōu)化垃圾焚燒自動化控制方案，達(dá)到更高效地進(jìn)行垃圾焚燒處理的目的[2]。

本文基于最小二乘法和多項(xiàng)式擬合的原理，根據(jù)垃圾入爐量和垃圾發(fā)酵時間來預(yù)測鍋爐蒸汽負(fù)荷。通過建立模型，找出相關(guān)關(guān)系，就可根據(jù)運(yùn)行需求，設(shè)定鍋爐負(fù)荷，調(diào)節(jié)垃圾入爐量，進(jìn)而控制垃圾蒸發(fā)量[3-4]。

1 建立最小二乘法與多項(xiàng)式擬合模型

1.1 最小二乘法原理

最小二乘法是通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配的一種數(shù)學(xué)方法[5]。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。

1.2 最小二乘法與多項(xiàng)式擬合預(yù)測

擬合預(yù)測是建立一個數(shù)學(xué)模型去逼近實(shí)際數(shù)據(jù)序列的過程。焚燒爐投運(yùn)時，通過給定蒸發(fā)量和給定垃圾發(fā)酵時間計(jì)算出理論給定垃圾入爐量。其中，給定鍋爐蒸發(fā)量根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行需求及鍋爐負(fù)荷設(shè)定，給定垃圾發(fā)酵天數(shù)是由垃圾吊控制室記錄給出[6]。選取垃圾入爐量和垃圾發(fā)酵時間作為自變量，鍋爐蒸發(fā)量作為因變量，尋求三者間函數(shù)關(guān)系=(,)。在某種準(zhǔn)則下與所有數(shù)據(jù)點(diǎn)最為接近，即曲線擬合得最好[7-9]。

設(shè)給定的一組數(shù)據(jù)(x,y,z) (=0,1,2,3,…,)，共+1個數(shù)據(jù)點(diǎn)，取多項(xiàng)式(,)，使

式中，a(=0,1,2,3,…,)為待求未知系數(shù)，多項(xiàng)式最高次冪為[10]。

最小二乘法實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 最小二乘法實(shí)現(xiàn)流程

2 實(shí)證分析

為了驗(yàn)證本文模型在垃圾發(fā)電負(fù)荷預(yù)測中的有效性，選取某垃圾發(fā)電廠3臺焚燒爐全年的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)分季度進(jìn)行多項(xiàng)式模型擬合。結(jié)合電廠運(yùn)行三班倒班制，選用8 h垃圾入爐總量、垃圾發(fā)酵天數(shù)以及8 h蒸發(fā)總量來進(jìn)行模型的數(shù)據(jù)擬合，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 某垃圾焚燒發(fā)電廠3臺爐全年燃燒參數(shù)

Tab.1 The full-year combustion parameters of three furnaces in a waste incineration power plant

應(yīng)用MATLAB分別對春、夏、秋、冬各季度的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[11]，樣本數(shù)據(jù)不包含電廠停爐檢修的數(shù)據(jù)，其運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。MATLAB主程序如圖3所示。

圖2 多項(xiàng)式擬合結(jié)果對比

圖3 MATLAB主程序

擬合分別得到春、夏、秋、冬季平均誤差約為14.2%、15.3%、14.5%、14.3%。分析得知，由于采樣周期內(nèi)，焚燒爐需要定期停爐檢修，重新啟爐后因其爐內(nèi)熱容積低，造成再次啟爐后產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)多是與理論值相差較大的實(shí)際值，可以將這些異常數(shù)據(jù)視為粗大誤差。在判別某個測量值是否有粗大誤差時，可以采用3準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，若滿足粗大誤差條件將該數(shù)據(jù)剔除[12-13]。

結(jié)合運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，本文選取了50組數(shù)據(jù)作為擬合樣本，10組數(shù)據(jù)作為測試樣本。將數(shù)據(jù)代入MATLAB程序中，得到擬合樣本結(jié)果對比如圖4所示。由圖4可見，整體數(shù)據(jù)平均誤差約為8%。

圖4 擬合樣本結(jié)果對比

因此，可以近似地將垃圾入爐量、垃圾發(fā)酵時間和蒸發(fā)量三者之間的相關(guān)性，擬合為多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式，即

將測試樣本的垃圾入爐量和垃圾發(fā)酵時間代入式(3)用以驗(yàn)證多項(xiàng)式的可行性。實(shí)際與預(yù)測誤差對比如圖5所示。由圖5可知，誤差在工況允許范圍內(nèi)。因此本文針對該廠3臺爐所建立的多項(xiàng)式模型可用于該垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒一體智能給料平臺。

3 總結(jié)與展望

1）垃圾入爐量與蒸發(fā)量相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型的建立，能夠?yàn)槔l(fā)電廠自動燃燒控制系統(tǒng)（ACC系統(tǒng)）提供重要依據(jù)[14-15]。

2）傳統(tǒng)的ACC系統(tǒng)控制里，利用鍋爐熱平衡原理估算垃圾入爐的熱值，有一定時間的滯后，這種大滯后的工況給ACC系統(tǒng)控制帶來了不可預(yù)知的不穩(wěn)定性。而垃圾入爐量與蒸發(fā)量數(shù)學(xué)模型的建立，使垃圾熱值計(jì)算提前于垃圾燃燒工況之前，降低了入爐垃圾的熱值波動對焚燒爐燃燒工況的影響，同時可以為司爐人員提供便利，準(zhǔn)確指導(dǎo)垃圾吊工作人員對垃圾入爐量進(jìn)行控制，減少了人為因素的干擾，對垃圾發(fā)電廠高效發(fā)電具有指導(dǎo)意義。

3）該模型可以針對不同垃圾爐的特性不同，依據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選，對不同工況的焚燒爐建立預(yù)測建模。對于垃圾發(fā)電廠智能化控制系統(tǒng)的建立具有重要意義。

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Establishment and research of intelligent model for waste tank incineration

ZENG Weidong, TIAN Shuang, WANG Aohan

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In view of the lagging problem of conventional waste calorific value calculation, relying on collecting the data such as the amount of waste fed into the furnace and the number of fermentation days, this paper uses mathematical means to establish an intelligent mathematical model, and predict the amount of waste fed into the furnace. By applying this intellectualized model, the steam load can be obtained before the severe combustion of waste seriously affects the furnace temperature. The model can be used to build predictive models for different incinerators under different operating conditions according to their different characteristics. The research results provide an important basis for the input of automatic combustion control system (ACC) in subsequent waste power plants.

waste incineration, intelligent model, waste tank, least square method, polynomial fitting, prediction and modeling

X799；TP273

B

10.19666/j.rlfd.201907136

2019-07-08

曾衛(wèi)東(1976—)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡姀S自動化及智能控制技術(shù)，zengweidong@tpri.com.cn。

曾衛(wèi)東, 田爽, 王傲寒. 垃圾池焚燒一體智能化模型建立與實(shí)證分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 125-128. ZENG Weidong, TIAN Shuang, WANG Aohan. Establishment and research of intelligent model for waste tank incineration[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 125-128.

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）