耦合AHP-模糊綜合評價(jià)的垃圾焚燒爐吹灰策略研究

陳潤琪，馬曉茜，余昭勝，柯春城，陳新飛

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641)

垃圾焚燒發(fā)電廠中燃料垃圾成分復(fù)雜多變，這導(dǎo)致了垃圾燃燒過程中受熱面積灰的非線性和不確定性。目前，垃圾焚燒廠吹灰所采用的是固定周期吹灰或人工吹灰的方式，容易出現(xiàn)吹灰過度或吹灰不及時(shí)的情況[1]。在潔凈段吹灰將使管道磨損，加速管道表面的退化，降低鍋爐的使用壽命。若吹灰不及時(shí)，則又將導(dǎo)致傳熱性能減弱，發(fā)電效率降低，增加能源與經(jīng)濟(jì)成本。國內(nèi)外針對吹灰優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，但大多是針對燃煤鍋爐[2]，對于垃圾焚燒爐的研究較少，并且吹灰優(yōu)化研究的重點(diǎn)大多集中于積灰監(jiān)測[3-4]和積灰預(yù)測[5-6]上，不能給出垃圾焚燒爐吹灰的經(jīng)濟(jì)性分析。本文提出了一種適用于垃圾焚燒爐的吹灰綜合評判策略，對垃圾焚燒爐吹灰進(jìn)行優(yōu)化。通過垃圾焚燒爐運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的吹灰決策，從而有效提高垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率。

1 吹灰經(jīng)濟(jì)性分析

吹灰的經(jīng)濟(jì)性分析主要分為兩類：吹灰成本和吹灰收益，吹灰成本和吹灰收益下各有子指標(biāo)。吹灰經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見圖1。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電廠吹灰經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

吹灰成本是指因吹灰行為產(chǎn)生的投入增加或產(chǎn)出減少。吹灰器利用清潔介質(zhì)對受熱面上的灰層進(jìn)行吹掃，產(chǎn)生清潔介質(zhì)的能量消耗。進(jìn)行吹灰后的一段時(shí)間內(nèi)，會導(dǎo)致蒸汽溫度變化，降低汽輪機(jī)效率。吹灰器電源通過耗費(fèi)電能驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置。另外，清潔介質(zhì)直接吹掃受熱面，會磨損和腐蝕受熱面管道，縮減其使用壽命，增加維修費(fèi)用。最后，吹灰器自身折舊老化以及產(chǎn)生的維修費(fèi)用也包含在吹灰成本中[7]。

吹灰收益是指吹灰行為給機(jī)組帶來的產(chǎn)出增加或投入減少。對受熱面的積灰進(jìn)行吹掃，可以清潔受熱面，提高傳熱系數(shù)，降低排煙溫度，提高機(jī)組發(fā)電效率。煙氣溫度的降低，還能減弱受熱面管道的高溫腐蝕，延長使用壽命。過熱器受熱面的吹灰，還可以提高蒸汽溫度。另外，吹灰器吹掃受熱面上灰層，保證了煙氣流動(dòng)暢通，減少煙氣流通阻力，降低引風(fēng)機(jī)電耗。最后，啟用吹灰器還可以減少NOx的形成[8]。

2 綜合評價(jià)指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)計(jì)算

不同吹灰成本和收益的子指標(biāo)，其本質(zhì)各不相同。吹灰引起的管道損耗和吹灰器折舊老化比較復(fù)雜，只有通過長時(shí)間的運(yùn)行對比，才能確定其產(chǎn)生的維修費(fèi)用，因此在模糊評判模型中，忽略此兩種吹灰成本[9]。對于吹灰收益，最重要的是吹灰能保持受熱面清潔，從而提高機(jī)組的發(fā)電效率，而發(fā)電效率主要受到排煙溫度和蒸汽溫度的影響[10]，因此在模糊評判模型中，主要考慮吹灰對排煙溫度和蒸汽溫度的影響。

以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，該廠過熱器處有2個(gè)噴嘴，日處理垃圾量450 t，排煙溫度波動(dòng)范圍為195～215 ℃，蒸汽溫度波動(dòng)范圍為395～415 ℃。經(jīng)過1次吹灰，可使排煙溫度降低10～15 ℃，蒸汽溫度提高5～10 ℃。該垃圾焚燒發(fā)電廠的鍋爐效率為70%，汽輪機(jī)效率為28%，發(fā)電機(jī)效率為97%，發(fā)電效率為19%。發(fā)電效率每降低1%，以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計(jì)算，每小時(shí)將減少發(fā)電量 364.58 kW。

2.1.1 電耗 電機(jī)啟動(dòng)吹灰消耗功率為124 W，運(yùn)行時(shí)間84 s，則每1次吹灰需耗電10.416 kJ，折合煤量7.8 g。如果同時(shí)啟用n個(gè)吹灰器，則消耗煤量約為n×7.8 g，耗電n×10.416 kJ。

2.1.2 吹灰介質(zhì)能耗 每個(gè)噴嘴吹灰使用蒸汽的壓力為3.90 MPa，溫度為390 ℃，焓為3 214.25 kJ/kg，蒸汽流量約為0.75 kg/s。若每次吹灰時(shí)間為84 s，則吹灰介質(zhì)能耗為202.497 MJ，以熱值為7 000 kJ/kg垃圾計(jì)算，需消耗垃圾28.93 kg。

2.1.3 短期汽機(jī)效率降低 受熱面的吹灰會使蒸汽溫度在短期內(nèi)發(fā)生大幅度波動(dòng)，若蒸汽溫度變化10 ℃，為期5 min，以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計(jì)算，需消耗燃料垃圾25.07 kg，需耗電175.47 MJ。

2.1.4 降低排煙溫度 排煙溫度降低10 ℃，可以提高鍋爐效率1%。則以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計(jì)算，經(jīng)過1次吹灰，可以減少垃圾消耗250 kg，則每小時(shí)可以提高發(fā)電量91 kW。

2.1.5 提高蒸汽溫度 一般蒸汽溫度每提高5 ℃，汽輪機(jī)效率提高0.225%。則以熱值為7 000 kJ/kg垃圾計(jì)算，經(jīng)過1次吹灰，可以減少垃圾消耗 149.2 kg，則每小時(shí)可以提高發(fā)電量54.7 kW。

2.2 權(quán)重

傳統(tǒng)的層次分析法，運(yùn)用專業(yè)知識及經(jīng)驗(yàn)判斷每個(gè)因素的重要性，從而確定其權(quán)重。但是在指標(biāo)重要程度判斷過程中，具有一定的主觀性[11]。本文通過對吹灰成本與收益進(jìn)行計(jì)算來修正并確定不同評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)權(quán)重由主觀向客觀的轉(zhuǎn)化，最大程度上保證結(jié)果的客觀性。

通過研究對象鍋爐過熱器吹灰成本與收益的種類和大小，將過熱器的吹灰成本與收益的數(shù)量級匯總于表1、表2。

表1 過熱器吹灰行為收益分析

表2 過熱器吹灰行為成本分析

由表2可知，電耗成本最小，比其他成本低三個(gè)數(shù)量級，因此忽略不計(jì)。最后，確定所需吹灰收益數(shù)量級在102kg左右，吹灰成本數(shù)量級在101kg左右。吹灰成本比吹灰收益小1個(gè)數(shù)量級。

通過以上的分析計(jì)算，可以設(shè)定吹灰收益權(quán)重和吹灰成本權(quán)重：

吹灰收益

U1=[降低排煙溫度，提高蒸汽溫度]

=[0.6，0.4]；

吹灰成本

U2=[吹灰介質(zhì)能耗，短期汽機(jī)效率下降]

=[0.5，0.5]；

通過吹灰成本與吹灰收益的分析比對，可以確定收益和成本在啟動(dòng)吹灰的迫切程度評判中的權(quán)重：

啟動(dòng)吹灰的迫切程度

V=[吹灰收益，吹灰成本]=[0.8，0.2]。

2.3 模糊化

由上述計(jì)算確定模糊變量為吹灰介質(zhì)能耗，短時(shí)間內(nèi)蒸汽溫度波動(dòng)、排煙溫度和蒸汽溫度，分別以 HC、GT、ET和ST表示。

對精確量進(jìn)行模糊化處理，分別選擇控制輸入輸出量的語言變量模糊集合和離散論域如下：

吹灰介質(zhì)能耗={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為HC={TH，SH，ZO，SL，TL}；

短時(shí)間內(nèi)蒸汽溫度波動(dòng)={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為GT={TH，SH，ZO，SL，TL}；

排煙溫度={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為ET={TH，SH，ZO，SL，TL}；

蒸汽溫度={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為ST={TH，SH，ZO，SL，TL}。

2.4 隸屬度函數(shù)

為保證隸屬度函數(shù)具備魯棒性，其相鄰模糊量的交點(diǎn)應(yīng)當(dāng)分布在0.3～0.7之間[12]。高斯型隸屬函數(shù)具有連續(xù)且可導(dǎo)的特點(diǎn)，是正態(tài)分布函數(shù)，可用于修正自適應(yīng)模糊控制隸屬函數(shù)。在本文中，選用高斯型隸屬函數(shù)，其表達(dá)式為：

μA(ui)=e-p|ui-q|2

(1)

其中，ui為輸入變量，A為模糊集，p、q為高斯型隸屬函數(shù)的參數(shù)。

采用量化的方法，得到各控制量的隸屬度賦值表，并根據(jù)賦值表繪制相應(yīng)的隸屬函數(shù)圖。在此僅列出排煙溫度和蒸汽溫度的隸屬度函數(shù)圖，見圖2和圖3。

圖2 排煙溫度隸屬度函數(shù)

圖3 蒸汽溫度隸屬度函數(shù)

2.5 分層模型

吹灰評判采用二層模糊綜合評判，第一層評判吹灰成本和吹灰收益。第二層評判基于第一層的結(jié)果，評判啟動(dòng)吹灰迫切等級。

在第一層模糊評判中，因素集有兩個(gè)。①是吹灰收益(U1)：降低排煙溫度和提高蒸汽溫度；②吹灰成本(U2)：吹灰介質(zhì)能耗和短期汽機(jī)效率下降。相對應(yīng)的兩個(gè)評價(jià)集為吹灰收益等級V1和吹灰成本等級V2。

在第二層模糊評判中，是綜合第一層評判的結(jié)果進(jìn)行的。吹灰評判的因素集(U)：吹灰成本與吹灰收益。評價(jià)集(V)：啟動(dòng)吹灰的迫切程度。

在該吹灰評判模型中，其分層控制模型見圖4。

圖4 模糊吹灰分層控制模型

3 AHP-模糊多層評判模型

在該模型中，首先判斷吹灰是否能夠滿足吹灰收益條件。當(dāng)滿足條件時(shí)，再進(jìn)入吹灰成本和啟動(dòng)吹灰迫切程度的評判流程，其完整流程和示意圖如下：

(1)評判吹灰模糊收益；

(2)若評判吹灰收益的結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和大于0.6，則(3)，反之結(jié)束吹灰評判過程；

(3)評判吹灰模糊成本；

(4)評判啟動(dòng)吹灰迫切程度；

(5)若啟動(dòng)吹灰迫切程度的評價(jià)結(jié)果是需要吹灰和很需要吹灰的隸屬度之和大于0.65，則吹灰，反之則不吹灰；

(6)吹灰多層模糊評判結(jié)束。

圖5 吹灰模糊評判流程

在此以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，獲取吹灰收益和吹灰成本的評判參數(shù)，對兩種不同的情況進(jìn)行吹灰評判并驗(yàn)證。

3.1 情況一

當(dāng)排煙溫度為207.5 ℃，蒸汽溫度為398 ℃時(shí)。

(1)此時(shí)，降低排煙溫度和提高蒸汽溫度收益的評判結(jié)果為[0，0，0.5，0.5，0]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各項(xiàng)收益的權(quán)重U1=[0.6，0.4]，做矩陣運(yùn)算得吹灰收益：

=[0，0，0.3，0.62，0.08]

(2)吹灰收益的評判結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和為0.7小于0.6，則進(jìn)入吹灰成本評判流程。

(3)當(dāng)吹灰器的兩個(gè)噴嘴同時(shí)開啟時(shí)，吹灰介質(zhì)能耗和短期汽機(jī)效率下降成本的評判結(jié)果為[0，0，0，0，1]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各項(xiàng)成本的權(quán)重U2=[0.5，0.5]，做矩陣運(yùn)算得吹灰成本：

=[0，0，0，0.4，0.6]

(4)吹灰收益與成本的權(quán)重U=[0.8，0.2]，做矩陣運(yùn)算可得啟動(dòng)吹灰迫切程度的評判結(jié)果為：

=[0，0，0.24，0.576，0.184]

(5)過熱器啟動(dòng)吹灰迫切程度的結(jié)果是需要吹灰和很需要吹灰的隸屬度之和為0.76>0.65，建議吹灰。

(6)過熱器模糊吹灰評判結(jié)束。

3.2 情況二

當(dāng)排煙溫度為203.5 ℃，蒸汽溫度為399 ℃時(shí)。

(1)此時(shí)，降低排煙溫度和提高蒸汽溫度收益的評判結(jié)果為[0，0.5，0.5，0，0]和[0，0，0.9，0.1，0]。吹灰各項(xiàng)收益的權(quán)重U1=[0.375，0.625]，做矩陣運(yùn)算得吹灰收益為：

=[0，0.187 5，0.75，0.062 5，0]

(2)吹灰收益的評判結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和為0.062 5遠(yuǎn)小于0.6，則做出決策不進(jìn)行吹灰。

(3)過熱器模糊吹灰評判結(jié)束。

4 結(jié)論

通過分析計(jì)算過熱器吹灰的成本與收益，耦合層次分析法和模糊推理法，建立評估吹灰迫切程度的多層評判模型。并以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，結(jié)合運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對該吹灰優(yōu)化模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，運(yùn)用該吹灰策略可以實(shí)現(xiàn)較好的優(yōu)化效果，符合垃圾焚燒爐實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，可以有效提高垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率，對垃圾焚燒發(fā)電廠吹灰具有實(shí)際操作的指導(dǎo)意義。