基于模糊評價(jià)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(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

建立一個多層次的綜合評價(jià)模型包括建立科學(xué)有效的能效評價(jià)指標(biāo)體系以及合適的評價(jià)方法。通過對鍋爐進(jìn)行綜合能效評價(jià)，能對鍋爐及其輔助系統(tǒng)的能效水平有更全面的了解，進(jìn)而為提高能效水平提供分析依據(jù)，并指導(dǎo)運(yùn)行。

目前，李晨懿等［1］已將模糊評價(jià)法用于治理電壓暫降問題，建立了一種隸屬度函數(shù)判定電壓暫降源類型。該函數(shù)能有效減少誤差，但僅適用于電網(wǎng)調(diào)峰，對工業(yè)鍋爐的借鑒性不足。劉軍等［2］將模糊評價(jià)法用于控制中儲式磨煤機(jī)的最佳運(yùn)行工況，并利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，但其僅從專家經(jīng)驗(yàn)的單一角度進(jìn)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(shù)模型+評分表”的歸一化方法，用于評價(jià)新能源的出力波動性。該方法具有一定的預(yù)測性，但缺乏對當(dāng)前能源狀態(tài)的實(shí)時(shí)評價(jià)，不能具體指導(dǎo)生產(chǎn)。徐長寶等［4］將模糊評價(jià)法運(yùn)用在智能電站中，以便及時(shí)有效地評估系統(tǒng)狀態(tài)，但權(quán)重設(shè)定靈敏度較低，在工業(yè)鍋爐的運(yùn)用上有一定的局限性。

基于低碳經(jīng)濟(jì)背景的工業(yè)鍋爐能效評價(jià)并非單一的經(jīng)濟(jì)效率評價(jià)，需結(jié)合環(huán)境影響因素、燃料設(shè)備管理評估等內(nèi)容，本文運(yùn)用熵權(quán)法和層次分析法確定權(quán)重，從而提高評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得鍋爐的綜合能效評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

1 鍋爐系統(tǒng)能效評價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 ?分析指標(biāo)

能源評價(jià)除了熱效率指標(biāo)，還應(yīng)考慮鍋爐的?效率。由于工業(yè)鍋爐自動監(jiān)測技術(shù)并未十分完善，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測到計(jì)算各項(xiàng)?損系數(shù)。由計(jì)算經(jīng)驗(yàn)可知，燃燒?損失和傳熱?損失在整個?損失中所占比重遠(yuǎn)高于其他幾項(xiàng)，因此默認(rèn)?效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，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(jià)指標(biāo)。

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(jì)算式為

式 中 ， Car、 Har、 Oar、 Nar分 別 代 表 收 到 基 碳 、氫、氧、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 燃料設(shè)備指標(biāo)

工業(yè)鍋爐中實(shí)際用煤與設(shè)計(jì)用煤往往存在較大差異，煤質(zhì)的優(yōu)劣很大程度上影響了鍋爐的整體運(yùn)行水平，所以將燃料水平作為鍋爐綜合評價(jià)指標(biāo)之一。

根據(jù)題意，題目中的函數(shù)定義域?yàn)榉帜覆荒転?，也就是x>0，所以與題目相關(guān)的選項(xiàng)就是A,即只有A選項(xiàng)中的函數(shù)f(x)=lnx定義域?yàn)閤>0，B中定義域?yàn)閤不等于0，C選項(xiàng)和D選項(xiàng)中的函數(shù)定義域?yàn)閷?shí)數(shù)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(shè)備老化、漏風(fēng)等問題，設(shè)備水平也是需要考慮的因素。因此，將爐膛漏風(fēng)系數(shù)、省煤器漏風(fēng)系數(shù)、空氣預(yù)熱器漏風(fēng)系數(shù)作為設(shè)備水平的評價(jià)指標(biāo)。

1.3 環(huán)保指標(biāo)

工業(yè)鍋爐的發(fā)展必須將環(huán)保因素列入評價(jià)指標(biāo)。環(huán)保指標(biāo)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(biāo)規(guī)定值參考《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［5］。

1.4 評價(jià)指標(biāo)值

進(jìn)行能效綜合評價(jià)時(shí)每個指標(biāo)在不同工況下都會對應(yīng)一個工況最佳值，評價(jià)指標(biāo)體系主要以指標(biāo)實(shí)際值與最佳值的偏差系數(shù)作為具體評價(jià)模型的指標(biāo)值，以增強(qiáng)不同機(jī)組之間的可比性。本文所選取的效率指標(biāo)最佳值是通過設(shè)計(jì)值在不同工況下的數(shù)據(jù)總結(jié)出的最佳值曲線得出。

2 鍋爐系統(tǒng)模糊綜合評價(jià)模型的建立

首先需要確定能效評價(jià)的方法以及指標(biāo)。將指標(biāo)綜合才能全面反映鍋爐的整體運(yùn)行狀況。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的大小，通過與指標(biāo)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到每個指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果，確定不同指標(biāo)對評價(jià)目標(biāo)的影響程度，并采用組合賦權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)。最后進(jìn)行評價(jià)模型計(jì)算，得到綜合評價(jià)結(jié)果。

2.1 模糊評價(jià)理論

模糊綜合評價(jià)方法以模糊數(shù)學(xué)［6］理論為基礎(chǔ)，通過建立模糊矩陣來解決實(shí)際問題。模糊集合的定義為：假設(shè)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(shù)μA（x）來表示，即

2.2 評價(jià)集的建立

根據(jù)確定的鍋爐能效評價(jià)指標(biāo)，建立綜合評價(jià)因素集。數(shù)學(xué)表達(dá)式為U = {U1，U2，U3}，其中U1= {U11，U12}，U2= {U21，U22}，U3={U31，U32，U33}。具體評價(jià)指標(biāo)體系如圖1 所示。

2.3 隸屬度函數(shù)的建立

本文所涉及到的評價(jià)指標(biāo)大多是定量指標(biāo)，因此選用模糊分布法確定隸屬度函數(shù)較為合理。再通過先驗(yàn)知識或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定符合實(shí)際的參數(shù)，確定最終的隸屬度函數(shù)。

2.4 組合賦權(quán)法確定權(quán)重

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

評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定方法直接影響評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。常見的單一賦權(quán)法有客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法客觀性較差，在應(yīng)用中存在一定的局限性?？陀^賦權(quán)法太過依賴于實(shí)際的問題域。將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法進(jìn)行組合構(gòu)造出“熵權(quán)法+層次分析法”的組合賦權(quán)法，能使評價(jià)結(jié)果更加合理準(zhǔn)確，更符合實(shí)際情況。

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

式中，α為偏好系數(shù)。

確定α的值是組合賦權(quán)法的核心。由于各個指標(biāo)之間的相對重要程度通常不同，按主觀經(jīng)驗(yàn)將同一指標(biāo)的重要等級進(jìn)行排序：①各指標(biāo)的重要等級相同，取α= 1。②各指標(biāo)的重要等級有所側(cè)重，將主觀和客觀賦權(quán)法排序且與原有的重要等級排序結(jié)果相同，取α= 1，結(jié)果不同且客觀賦權(quán)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(jià)模型計(jì)算

根據(jù)所建立的能效指標(biāo)評價(jià)體系，整體的模糊綜合評價(jià)模型為

式中：當(dāng) 時(shí)，評價(jià)為優(yōu)秀；當(dāng)時(shí)，評價(jià)為良好；當(dāng)時(shí)，評價(jià)為合格；當(dāng) 時(shí)，評價(jià)為不良。

3 模糊綜合評價(jià)方法的工程應(yīng)用

以山西大同某DHL2-1.25-AII 型層燃蒸汽鍋爐為評價(jià)對象，其設(shè)計(jì)煤種是二類煙煤。

3.1 鍋爐參數(shù)

DHL2-1.25-AII 型蒸汽鍋爐機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)：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(shè)計(jì)熱效率為81.52%；過量空氣系數(shù)為1.65。鍋爐設(shè)計(jì)煤種參數(shù)：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(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價(jià)，并計(jì)算出鍋爐的熱效率、?效率以及相關(guān)評價(jià)指標(biāo)值。鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)和能效利用效率評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)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(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Main operating parameters of boiler

3.2 鍋爐系統(tǒng)能效評價(jià)指標(biāo)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(shù)取偏大型半梯形分布。熱效率越大，則各項(xiàng)熱損失之和越小，鍋爐的運(yùn)行狀況越好，隸屬度函數(shù)取偏小型半梯形分布。計(jì)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(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)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(nèi)，燃料設(shè)備因素的燃料質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度函數(shù)取中間型梯形分布。漏風(fēng)系數(shù)越小越好，則設(shè)備水平指標(biāo)的隸屬度函數(shù)取偏小型半梯形分布。計(jì)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(biāo)越高，對環(huán)境影響越小。環(huán)保因素指標(biāo)隸屬度函數(shù)取偏小型半梯形分布。計(jì)算隸屬度值分別為μ (x31)=0.1, μ(x32)=0, μ(x33)=1。

3.3 組合賦權(quán)權(quán)重確定

根據(jù)各指標(biāo)值，同時(shí)運(yùn)用熵權(quán)法與層次分析法分別確定權(quán)重。最后決策者利用經(jīng)驗(yàn)知識判斷兩兩因素之間的重要程度，依據(jù)式（4）最終確定權(quán)重。三級指標(biāo)：燃料質(zhì)量指標(biāo)（0.55，0.15，0.3）；設(shè)備水平指標(biāo)（0.4，0.3，0.3）。二級指標(biāo)：效率指標(biāo)（0.4，0.6）；燃料設(shè)備指標(biāo)（0.65，0.35）；環(huán)保指標(biāo)：（0.37，0.49，0.14）。一級指標(biāo)：能源利用效率指標(biāo)（0.45）；燃料設(shè)備因素指標(biāo)（0.3）；環(huán)保因素指標(biāo)（0.25）。

3.4 鍋爐系統(tǒng)綜合評價(jià)結(jié)果

能效綜合評價(jià)結(jié)果如表3 所示。由表中可知：評價(jià)對象的能效等級僅達(dá)到合格且得分為0.59。燃料指標(biāo)偏離設(shè)計(jì)值以及鍋爐漏風(fēng)情況較為嚴(yán)重，使得燃料設(shè)備因素指標(biāo)得分為0.19，評價(jià)等級不良，環(huán)保運(yùn)行指標(biāo)得分為0.21，污染物排放高于國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)值，處于不良運(yùn)行水平。所以即使鍋爐的效率指標(biāo)達(dá)到了優(yōu)秀水平，但綜合評價(jià)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(jià)的結(jié)果不是最終目的，需要在能效評價(jià)的過程中找出鍋爐存在的問題，再根據(jù)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(jià)結(jié)果Tab. 3 Comprehensive evaluation results of energy efficiency

鍋爐的飛灰含碳量偏大，導(dǎo)致熱損失偏大。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)過量空氣系數(shù)為2.34，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（1.65）。造成漏風(fēng)過大的原因，有可能是該實(shí)驗(yàn)臺主要用于鍋爐實(shí)驗(yàn)，爐膛或煙道密封性不良。熱力測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與評價(jià)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法，對DHL2-1.25-AII 型層燃蒸汽鍋爐綜合能效進(jìn)行評價(jià)。雖然其熱效率得分為0.85，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但燃料設(shè)備因素指標(biāo)得分為0.19，環(huán)保因素指標(biāo)得分為0.2。由于鍋爐新建，很大原因是因?yàn)槁╋L(fēng)過大。由于權(quán)重系數(shù)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(shí)驗(yàn)側(cè)面驗(yàn)證，表明該評價(jià)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(jià)法，模糊綜合評價(jià)法不僅考慮鍋爐能源利用水平，而且考慮燃料設(shè)備與環(huán)保因素，并依據(jù)因素重要程度不同合理分配權(quán)重，使該評價(jià)方法更加科學(xué)合理。