基于層次分析法的大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行分析?

王麗翠

（天津城市職業(yè)學(xué)院 天津 300250）

1 引言

電力行業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)各行業(yè)發(fā)展中起到基礎(chǔ)性的作用，而電力行業(yè)若想要保持快速且持續(xù)的發(fā)展，就需要有安全、穩(wěn)定、高效的電力建設(shè)來做支撐。超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是一種先進(jìn)且很高效的發(fā)電技術(shù)，其熱效率高，因此能有效降低發(fā)電的煤耗，同時(shí)節(jié)能環(huán)保的作用也十分顯著。我國(guó)超臨界機(jī)組發(fā)展較晚，但發(fā)展迅速，如何提高超臨界機(jī)組的穩(wěn)定性，負(fù)荷響應(yīng)的快速性以及降低成本提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，成為研究的重要問題。

超臨界機(jī)組指的是主蒸汽壓力大于水的臨界壓力（22.129 MPa）的機(jī)組。伴隨著冶金工業(yè)、自動(dòng)化等技術(shù)的迅速發(fā)展，超臨界機(jī)組運(yùn)行所需的技術(shù)和材料已日漸成熟。我國(guó)的超臨界機(jī)組發(fā)展相對(duì)較晚，但發(fā)展非常迅速，現(xiàn)已廣泛投運(yùn)，并在逐步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行［1］。

現(xiàn)階段我國(guó)超臨界機(jī)組主要分布在沿海地區(qū)和電力缺口較大的區(qū)域，沿海地區(qū)海水直接作為冷卻水，冷卻效果基本不受季節(jié)的影響，而且海水溫度低，冷卻效果好，易于維持凝汽器的真空度和降低汽輪機(jī)的背壓，從而在有效提高機(jī)組循環(huán)熱效率的同時(shí)可以大量節(jié)約淡水資源。但對(duì)于平均氣溫相對(duì)較高、煤炭資源缺乏、運(yùn)輸不方便或者水資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，建設(shè)超臨界機(jī)組則需要解決很多問題，且運(yùn)行效果也不容易達(dá)到理想的狀態(tài)。目前，可靠性仍然是發(fā)展超臨界機(jī)組需要考慮的問題，而材料的強(qiáng)度對(duì)其可靠性起著關(guān)鍵的作用。伴隨著超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高，系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、鍋爐管等關(guān)鍵部件的耐高溫性、強(qiáng)度等方面提出了更高的要求。而新材料的應(yīng)用又提高了建設(shè)的成本。

本文通過分析超臨界機(jī)組的運(yùn)行方式，運(yùn)用層次分析法對(duì)優(yōu)化大型超臨界機(jī)組的各種措施進(jìn)行了分析。

2 層次分析法（Analytic Hierarchy Process）

AHP（Analytic Hierarchy Process）層次分析法是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家Saaty在20世紀(jì)70年代提出的一種新型決策方法。運(yùn)用層次分析法分析問題首先把一個(gè)復(fù)雜的問題表示為一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過判斷，構(gòu)建判斷矩陣，通過分析每個(gè)因素對(duì)決策方案的權(quán)重，從而將各因素對(duì)決策方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序，為分析或者預(yù)測(cè)事物的發(fā)展趨勢(shì)提供依據(jù)［2］。層次分析法的流程如圖1所示［3］。

圖1 AHP流程圖

3 大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行層次分析模型

應(yīng)用層次分析法分析大型火力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行問題，首先要把問題層次化，構(gòu)造出大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化的層次分析結(jié)構(gòu)模型。層次分析模型主要分為三層。

最高目標(biāo)層，即大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的總目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行最優(yōu)化。

第二層為優(yōu)化運(yùn)行的分目標(biāo)，分目標(biāo)定位為：1）負(fù)荷響應(yīng)的快速性，即鍋爐啟停、變負(fù)荷等方面運(yùn)行時(shí)的速度；2）運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，即降低投資與運(yùn)行成本，降低發(fā)電煤耗，提高電廠循環(huán)熱效率；3）機(jī)組的穩(wěn)定性，即提高超臨界機(jī)組的安全性、可靠性。

優(yōu)化大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組的措施層包括：1）優(yōu)化鍋爐燃燒系統(tǒng)；2）優(yōu)化其啟動(dòng)系統(tǒng)；3）對(duì)材料的選擇；4）優(yōu)化其運(yùn)行方式。

根據(jù)上述，建立層次模型如圖2所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

4 構(gòu)造判斷矩陣

4.1 構(gòu)造A—B的判斷矩陣

通過查閱相關(guān)資料，采用兩兩比較法構(gòu)造出A—B判斷矩陣如表1所示。

表1 A—B判斷矩陣

最大特征值為3.0092，最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為［0.2565，0.4660，0.8468］。CI=（3.0092-3）/2=0.0046，n=3時(shí)，RI=0.515，CI/RI=0.0089＜0.10，故判斷矩陣具有滿意的一致性。

4.2 構(gòu)造B1—C的判斷矩陣

燃燒系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響：改善煤粉的質(zhì)量同時(shí)改進(jìn)燃燒系統(tǒng)技術(shù)可以提高煤粉的燃燒效率，降低煤耗，降低成本［4］。

啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)若使用帶再循環(huán)泵的，將會(huì)增加造價(jià)，另外出現(xiàn)故障維修起來比較困難，使成本增加。但采用這種啟動(dòng)系統(tǒng)直流鍋爐在啟動(dòng)過程中可以降低熱量損失和工質(zhì)損失［5］。一方面，水不用到達(dá)擴(kuò)容器或者凝汽器，循環(huán)水從分離器出來進(jìn)入省煤器、水冷壁可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能，降低成本；另一方面，將分離器中出來的工質(zhì)直接返回到省煤器及水冷壁中可以保留一定的溫度，因此無需大量補(bǔ)充燃料就可以保持工質(zhì)的溫度，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性的目的［6］。

材料對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響：超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)越高，對(duì)材料的強(qiáng)度、耐高溫性等參數(shù)要求也就越高，同時(shí)對(duì)采用的新材料數(shù)量也會(huì)越大，相應(yīng)地也會(huì)需要更大的投資成本［7］。

機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響：機(jī)組采用不同的運(yùn)行方式，取得的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)有所不同。目前機(jī)組所采用的運(yùn)行方式為變壓運(yùn)行，這種運(yùn)行方式可有效提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的熱效率，降低運(yùn)行成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，600MW超臨界壓力鍋爐在額定負(fù)荷的50%變壓運(yùn)行時(shí)，給水泵電耗僅為額定負(fù)荷的50%左右［8］。

根據(jù)以上燃燒系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、材料、機(jī)組運(yùn)行方式四種措施對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響的描述，采用兩兩比較法，構(gòu)造出B1—C的判斷矩陣如表2所示。

表2 B1—C判斷矩陣

最大特征值是4.1145，最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為［0.8689，0.1223 ，0.4381，0.1952］。

CI=（4.1145-4）/3=0.038，n=4 時(shí)，RI=0.893，CI/RI=0.043＜0.10，故判斷矩陣具有滿意的一致性。

4.3 構(gòu)造B2—C的判斷矩陣

燃燒系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行快速性的影響：煤粉的燃燒速度與煤粉的性質(zhì)狀態(tài)有一定的關(guān)系。煤粉的顆粒越小，相同質(zhì)量的煤粉表面積就越大，那么火焰的傳播速度也就越快，燃燒速度就越快。煤粉制作系統(tǒng)對(duì)煤粉的性質(zhì)有一定影響，目前制粉系統(tǒng)多采用雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。采用這種制粉系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)對(duì)煤質(zhì)可磨性的適應(yīng)性，同時(shí)可方便維持和調(diào)節(jié)煤粉的細(xì)度［9］。

啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性的影響：目前超臨界鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)有多種不同的形式，運(yùn)用最廣泛的是帶有再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)，這種啟動(dòng)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)快速啟停，還可以靈活地跟蹤機(jī)組負(fù)荷。和簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容啟動(dòng)系統(tǒng)相比，帶有再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)可以大大縮短啟動(dòng)時(shí)間，溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)可以縮短約15min，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，可縮短約75min。所以現(xiàn)在多采用這種帶有再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)以提高啟動(dòng)的速度［10］。

材料對(duì)快速性的影響：采用不同的材料會(huì)對(duì)快速性有一定的影響，目前多采用奧氏體鋼材料，這種新材料熱膨脹系數(shù)較大，同時(shí)熱導(dǎo)率較小，有助于系統(tǒng)的快速性。

變壓運(yùn)行方式對(duì)快速性的影響：采用變壓運(yùn)行方式的單元機(jī)組，對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻的適應(yīng)性相對(duì)較差。當(dāng)外界負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，首先要調(diào)整鍋爐的燃燒和給水量來提高過熱蒸汽壓力和蒸汽流量，由于鍋爐汽水系統(tǒng)儲(chǔ)熱量和金屬儲(chǔ)熱量的作用，降低了鍋爐對(duì)外界負(fù)荷變動(dòng)的響應(yīng)速度。

根據(jù)以上燃燒系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、材料、變壓運(yùn)行方式四種措施對(duì)快速性影響的描述，采用兩兩比較法，構(gòu)造出B2—C的判斷矩陣如表3所示。

表3 B2—C判斷矩陣

最大特征值是4.1170，最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為［0.4121，0.8880，0.0869，0.1847］。

CI=（4.1170-4）/3=0.039，n=4 時(shí)，RI=0.893，CI/RI=0.044＜0.10，故判斷矩陣具有滿意的一致性。

4.4 構(gòu)造B3—C的判斷矩陣

燃燒系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的影響：燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性有很大的影響。優(yōu)化煤質(zhì)及燃燒技術(shù)是提高燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵。我國(guó)的煤質(zhì)類型比較多，系統(tǒng)不可能始終采用同一種煤粉，而煤質(zhì)的不同，對(duì)燃燒系統(tǒng)有一定的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，因此需要通過提高煤質(zhì)來提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性［11］。超臨界機(jī)組多采用雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，這種方式輸粉管道出口中煤粉流量偏差很小，可以穩(wěn)定單只燃燒器火焰以及燃燒調(diào)節(jié)，并且對(duì)維持爐膛內(nèi)火焰溫度的均勻性也有益［12］。

啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的影響：目前所廣泛采用的帶有再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行的穩(wěn)定性很高。采用這種系統(tǒng)不需要疏水，可以實(shí)現(xiàn)給水量緩慢地增長(zhǎng)，這樣就可使分離器的水位能夠保持在一定的值。另外，帶有再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，給水泵與循環(huán)泵可選擇采用并聯(lián)運(yùn)行方式或串聯(lián)運(yùn)行方式［13］。并聯(lián)、串聯(lián)兩種運(yùn)行方式的穩(wěn)定性都很高：并聯(lián)運(yùn)行方式系統(tǒng)無需設(shè)置循環(huán)水和給水的混合器，即使循環(huán)泵發(fā)生故障，給水系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行，穩(wěn)定性得到提高；串聯(lián)系統(tǒng)中可以增設(shè)擴(kuò)容器，這樣即使循環(huán)泵發(fā)生故障，啟動(dòng)系統(tǒng)仍然可以正常啟動(dòng)，從而提高其穩(wěn)定性［14］。

材料對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：超臨界機(jī)組對(duì)材料的要求很高：超臨界鍋爐、汽輪機(jī)、連接管道都要承受高溫、高壓蒸汽所產(chǎn)生的高溫蠕變應(yīng)力；在焊接過程中承受焊接應(yīng)力。因此應(yīng)根據(jù)部件所處的環(huán)境特點(diǎn)選擇合適的材料以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。超臨界機(jī)組選用的材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：耐高溫、有較強(qiáng)的抗蠕變能力，并且要能夠適應(yīng)蒸汽參數(shù)不斷提高的要求；金屬部件的強(qiáng)度要高單壁厚要??；金屬要能夠抗煙氣腐蝕、抗蒸汽氧化腐蝕，另外其熱處理特性、焊接性能都要好［15］。

調(diào)峰機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：調(diào)峰機(jī)組若采用變壓運(yùn)行的方式有助于提高其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性［16］。

根據(jù)以上燃燒系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、材料、機(jī)組運(yùn)行方式四種措施對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響描述，采用兩兩比較法，構(gòu)造出B3—C的判斷矩陣如表4所示。

表4 B3—C的判斷矩陣

最大特征值是4.1145，最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為［0.4381，0.1952，0.8689，0.1223］。

CI=（4.1145-4）/3=0.0382，n=4時(shí)，RI=0.893，CI/RI=0.043＜0.10，故判斷矩陣具有滿意的一致性。

5 層次總排序

層次總排序表如表5所示。

表5 層次總排序

經(jīng)驗(yàn)證，層次總排序具有滿意的一致性。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，可得對(duì)大型超臨界機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化可采用的四種措施的相對(duì)優(yōu)先排序?yàn)椋篊3材料、C1燃燒系統(tǒng)、C2啟動(dòng)系統(tǒng)、C4運(yùn)行方式。由此為實(shí)現(xiàn)大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供理論依據(jù)和參考。

6 結(jié)語

本文以大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，通過層次分析法對(duì)優(yōu)化大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組可以采用的各項(xiàng)措施進(jìn)行了分析，為實(shí)現(xiàn)大型超臨界火力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供理論依據(jù)和參考。