基于模糊層次分析法優(yōu)選桂林市小型工業(yè)鍋爐燃料

李小良 羅兆生 莫家國 李盛好 陶積勇 盧昌銳

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院桂林分院；2.桂林市淦隆環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>

目前，桂林市在用鍋爐約400臺，其中額定蒸發(fā)量1～4t/h的占比80%，因國家環(huán)保政策的實(shí)施，已經(jīng)明令禁止受理安裝額定蒸發(fā)量20t/h以下的燃煤鍋爐，原有的額定蒸發(fā)量10t/h以下的燃煤鍋爐全部要求改燒生物質(zhì)顆粒料或其他清潔能源，鍋爐的熱效率和排放須達(dá)到國家相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)［1～3］和排放標(biāo)準(zhǔn)［4］，而且只要天然氣管道鋪設(shè)到鍋爐使用企業(yè)的附近，所有額定蒸發(fā)量10t/h以下的鍋爐都被要求改為燃?xì)忮仩t。 因此，生物質(zhì)顆粒料也是過渡性的燃料。

鍋爐燃料的選擇是鍋爐運(yùn)行成本的主要因素，也是投資者關(guān)注的重點(diǎn)，要綜合考慮國家政策、燃燒產(chǎn)物的環(huán)保性、鍋爐的熱效率、設(shè)備成本（包含搬遷或改造成本）、燃料成本、人工/維護(hù)成本 以 及 燃 料 的 安 全 性 等 因 素［5～11］，因 此 鍋 爐 燃 料的選擇是多目標(biāo)多因素問題。 筆者采用模糊層次分析法［12～19］綜合考慮以上因素對鍋爐燃料進(jìn)行優(yōu)選， 優(yōu)選出適合桂林市的在用小型工業(yè)鍋爐燃料。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法和層次分析法［20］都是定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法［12～14］，而前者由后者改進(jìn)而來。 模糊層次分析法是經(jīng)過一系列的分解、組合后，應(yīng)用矩陣特征向量求解各組成元素的相對權(quán)重，遞階歸并各個(gè)備選方案對總目標(biāo)層的相對權(quán)重，根據(jù)權(quán)重的大小優(yōu)化或優(yōu)選出最佳方案［12］。

1.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)鍋爐燃料類型的不同屬性分解、組合成若干組，形成不同層次，建立優(yōu)選鍋爐燃料的層次結(jié)構(gòu)模型。 將鍋爐燃料優(yōu)選模型作為目標(biāo)層、鍋爐燃料特性作為準(zhǔn)則層、燃料種類作為方案層的方式排列起來，而且采用該方法可以對多目標(biāo)問題的決策進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)選［12］。

1.2 建立模糊判斷矩陣

設(shè)元素a1，a2，…，an的優(yōu)先關(guān)系矩陣為F={fij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n}。 將元素ai與元素aj進(jìn)行比較時(shí)，用0～1標(biāo)度對元素ai、aj具有的模糊關(guān)系的隸屬度進(jìn)行定量描述［12］：

由此可建立模糊判斷矩陣F：

1.3 建立模糊一致判斷矩陣

而0～1標(biāo)度構(gòu)成的模糊矩陣， 各元素模糊關(guān)系的隸屬度滿足：fij+fji=1，fii=0.5， 即F為模糊互補(bǔ)矩陣［12］。 對模糊互補(bǔ)矩陣F進(jìn)行按行求和，記為：

并施以數(shù)學(xué)變換［12］：

即可將模糊互補(bǔ)矩陣F轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模糊一致判斷矩陣R［21］：

1.4 層次單排序

對于鍋爐燃料特性的任一元素而言，利用判斷矩陣計(jì)算出鍋爐燃料及其特性的各元素重要性的優(yōu)先權(quán)重即為層次單排序，它是鍋爐燃料所有元素針對鍋爐燃料特性而言的重要性進(jìn)行排序的結(jié)果。 同理，對鍋爐燃料優(yōu)選模型而言，鍋爐燃料特性與鍋爐燃料優(yōu)選模型的同層元素重要性的優(yōu)先權(quán)重也稱之為層次單排序。 權(quán)重以W表示，計(jì)算公式為［12］：

1.5 層次總排序

式中 V——各種鍋爐燃料對優(yōu)選鍋爐燃料模型的綜合權(quán)重；

W——各鍋爐燃料特性指標(biāo)對鍋爐燃料優(yōu)選模型的相對權(quán)重；

Wj——各種鍋爐燃料對鍋爐燃料特性指標(biāo)的相對權(quán)重。

各種鍋爐燃料的綜合評價(jià)用V中的各個(gè)元素值的大小排序，根據(jù)層次總排序向量，即可選出最優(yōu)的鍋爐燃料為［12］：

2 鍋爐燃料的優(yōu)劣性量化

桂林市在用鍋爐燃料分別有： 生物質(zhì)顆粒料、天然氣、柴油、醇基燃料、煤和電（因用電鍋爐成本太高，選擇電力鍋爐用戶過少，故不將此項(xiàng)列入比較）， 再綜合考慮桂林市在用鍋爐不同燃料的鍋爐排放環(huán)保性、熱效率、設(shè)備成本、燃料成本、人工/維護(hù)成本和安全性，歸納出桂林市在用鍋爐燃料的優(yōu)劣性列于表1。

表1 鍋爐燃料的優(yōu)劣性

根據(jù)桂林市在用鍋爐燃料的優(yōu)劣性指標(biāo)，令優(yōu)為9、良為7、差為3，把表1中的5種燃料優(yōu)劣性逐一量化，具體數(shù)值見表2。

表2 鍋爐燃料優(yōu)劣性的量化值

3 優(yōu)選鍋爐燃料

3.1 建立優(yōu)選鍋爐燃料的層次結(jié)構(gòu)模型

針對桂林市在用鍋爐燃料的選型問題，結(jié)合燃料類型的性能和期望達(dá)到的效果，對目前桂林市在用鍋爐的5種常用燃料進(jìn)行優(yōu)選， 考察鍋爐燃料的6種特性對5種鍋爐燃料的關(guān)系，建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 鍋爐燃料優(yōu)選的層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 建立優(yōu)選鍋爐燃料的模糊判斷矩陣

根據(jù)在用鍋爐燃料的特點(diǎn)、企業(yè)的需要和所期望達(dá)到的目的， 燃料指標(biāo)的重要性排序?yàn)椋哄仩t排放環(huán)保性>熱效率>設(shè)備成本>燃料成本>人工/維護(hù)成本>安全性。由式（1）、（2）可得模糊判斷矩陣F（鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優(yōu)選模型）為：

根據(jù)表2， 建立鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標(biāo)的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6：

3.3 構(gòu)建選型的模糊一致判斷矩陣

根據(jù)式（3）～（5）可得鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優(yōu)選模型的模糊一致判斷矩陣R為：

用同樣的方法將鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標(biāo)的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6，轉(zhuǎn)換為鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標(biāo)的模糊一致判斷矩陣R1、R2、R3、R4、R5、R6：

3.4 燃料類型的層次單排序

根據(jù)式（6）求得鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優(yōu)選模型的模糊一致判斷矩陣R的權(quán)重W為：

W=［0.217 0.197 0.177 0.157 0.137 0.117］T

同樣求得鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標(biāo)的模糊一致判斷矩陣R1、R2、R3、R4、R5、R6對應(yīng)的權(quán)重分別為：

3.5 燃料選型的層次總排序

由式（7）可以確定優(yōu)選鍋爐燃料模型的層次總排序?yàn)椋篤=WjW

依據(jù)式（8）A=max{V1，V2，V3，V4，V5}=0.214，可確定醇基燃料的綜合權(quán)重最大，即桂林市在用小型工業(yè)鍋爐最優(yōu)的燃料為醇基燃料。 5種鍋爐燃料的選型相對優(yōu)先順序?yàn)椋捍蓟剂?天然氣>柴油>生物質(zhì)顆粒料>煤。

綜合考慮不同燃料的鍋爐尾氣排放環(huán)保性、熱效率、設(shè)備成本、燃料成本、人工/維護(hù)成本和安全性后， 可優(yōu)先選擇醇基燃料用于小型工業(yè)鍋爐。 醇基燃料比其他燃料更安全、經(jīng)濟(jì)，完全可以實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保且節(jié)能的目的，而且后續(xù)若因環(huán)保政策的實(shí)施需改用其他的氣體或液體燃料時(shí)，只需改造燃燒器，改造成本較低。 因此，選用醇基燃料作為桂林市小型工業(yè)鍋爐的燃料是一個(gè)最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

4.1 利用模糊層次分析法建立桂林市小型鍋爐燃料的層次模型結(jié)構(gòu)， 計(jì)算相對權(quán)重與綜合權(quán)重，根據(jù)綜合權(quán)重的大小，選出了桂林市小型工業(yè)鍋爐的最優(yōu)燃料為醇基燃料。

4.2 選用醇基燃料作為桂林市小型工業(yè)鍋爐的燃料，可以實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保、節(jié)能且經(jīng)濟(jì)的目的。

4.3 利用模糊層次分析法優(yōu)選小型工業(yè)鍋爐燃料模式，在其他地區(qū)具有一定的參考及推廣價(jià)值。