可拓物元評(píng)價(jià)方法在電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

雷海霞，盧緒祥，趙曉晨，程 波，蔡志遠(yuǎn)

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.大唐華銀株洲發(fā)電有限公司，湖南 株洲 412005）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，火電在我國(guó)電力行業(yè)中處于支柱地位[1]，其中絕大多數(shù)火電廠所用的燃料是煤.鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象是燃煤電站中常見(jiàn)的、難以解決的問(wèn)題[2].鍋爐結(jié)渣嚴(yán)重影響著電廠的安全生產(chǎn)，怎樣才能準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度是燃煤電站必須要解決的重大課題之一[3].

目前在電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性研究中所用的評(píng)價(jià)方法有單一評(píng)價(jià)指標(biāo)法和多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法.常用的單一評(píng)價(jià)指標(biāo)有軟化溫度、堿酸比、硅比、硅鋁比、無(wú)因次爐膛實(shí)際切圓直徑與無(wú)因次爐膛平均溫度等.國(guó)外也有學(xué)者研究混煤的結(jié)渣特性，但目前所用的研究方法也不能提供精確的預(yù)測(cè)結(jié)果[4].前人研究發(fā)現(xiàn)在諸多判別燃煤鍋爐結(jié)渣的指標(biāo)中，沒(méi)有任何一個(gè)單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠完全預(yù)測(cè)鍋爐結(jié)渣傾向[5]，單一評(píng)價(jià)指標(biāo)存在準(zhǔn)確率較低的缺點(diǎn).因此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始采用多指標(biāo)方法.目前已有學(xué)者研究過(guò)的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法有模糊數(shù)學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、綜合指數(shù)判別法、模式識(shí)別法等[6].由于爐內(nèi)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)和空氣動(dòng)力場(chǎng)，目前所采用的預(yù)測(cè)方法均準(zhǔn)確性不高.因此，尋求更合理的評(píng)價(jià)模型是非常必要的.

本文采用可拓物元評(píng)價(jià)方法對(duì)鍋爐結(jié)渣特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).1983年，一篇題為《可拓集合和不相容問(wèn)題》的科技論文由中國(guó)學(xué)者蔡文教授在《科學(xué)探索》期刊正式發(fā)表，標(biāo)志著可拓學(xué)的誕生[7].可拓物元評(píng)價(jià)方法可以對(duì)所評(píng)價(jià)的對(duì)象考慮定量和定性兩方面的因素.因此，通過(guò)建立可拓物元模型可以對(duì)電站燃煤結(jié)渣特性問(wèn)題同時(shí)進(jìn)行定量和定性分析與評(píng)價(jià)，對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)人員能夠提供理論幫助，運(yùn)行人員可通過(guò)評(píng)價(jià)程序預(yù)測(cè)結(jié)渣程度，及時(shí)采取相應(yīng)措施預(yù)防或減小鍋爐結(jié)渣程度.本文選題方向較為新穎，根據(jù)可拓學(xué)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用[7-10]，創(chuàng)造性地將可拓學(xué)中的相關(guān)知識(shí)與方法融入電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性研究中.在可拓物元評(píng)價(jià)方法中，權(quán)重系數(shù)的確定非常關(guān)鍵，直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果.因此，本文中采用了三種不同的方法來(lái)確定權(quán)重系數(shù)，再通過(guò)評(píng)價(jià)軟件計(jì)算出評(píng)價(jià)結(jié)果，并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)正確率，并選用正確率最高的方法推廣到實(shí)際應(yīng)用中去.

1 電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性可拓物元評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 可拓評(píng)價(jià)方法及流程

電站鍋爐燃煤結(jié)渣狀況是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，利用可拓物元理論相關(guān)知識(shí)建立電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)模型，并以定量的數(shù)值表示出評(píng)價(jià)結(jié)果，可知道電站燃煤結(jié)渣的程度.基于可拓物元法進(jìn)行燃煤特性的綜合評(píng)價(jià)研究的可拓評(píng)價(jià)法及流程如圖1所示.

圖1 可拓評(píng)價(jià)方法流程圖

1.2 電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)資料[5，7，11-13]，從煤灰的成分特性中選擇出堿酸比B/A、硅比G、硅鋁比SiO2/Al2O3作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從煤灰物理特性中選擇出軟化溫度ST作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從鍋爐運(yùn)行參數(shù)的變化中選擇無(wú)因次爐膛實(shí)際切圓直徑φd、無(wú)因次爐膛平均溫度φt作為評(píng)價(jià)指標(biāo).建立的電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示.本文利用此評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性的物元模型并對(duì)其進(jìn)行可拓評(píng)價(jià).

表1 電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 評(píng)價(jià)電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性的物元

1.3.1 電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的物元模型

根據(jù)表1建立的電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可用下列式（1）中的m維物元來(lái)描述電站鍋爐燃煤結(jié)渣的程度[9].

式中，R—電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度物元；N—電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度等級(jí)；c—電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)；v—電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值.

1.3.2 確定電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的經(jīng)典域

結(jié)合表1中各指標(biāo)在各等級(jí)的數(shù)值區(qū)間及可拓物元建模理論，分別建立電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度等級(jí)的可拓物元評(píng)價(jià)經(jīng)典域，其中：

1.3.3 確定電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的節(jié)域

結(jié)合表1中各指標(biāo)從“輕微”到“嚴(yán)重”的數(shù)值區(qū)間，建立電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的節(jié)域，即特征物元Rp，可表示為：

1.3.4 確定待評(píng)價(jià)物元

由評(píng)價(jià)對(duì)象的特征構(gòu)成的物元稱之為待評(píng)價(jià)物元，可表示為公式（6）[9]：

式中，N0—待評(píng)價(jià)對(duì)象；ci—待評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)（i＝1，2，…，m）；vi—為 N0關(guān)于 ci的量值（i＝1，2，…，m）.

1.3.5 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)

利用可拓物元評(píng)價(jià)方法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，為了確定該研究對(duì)象符合哪一程度的量值，或者說(shuō)是更接近哪一程度，需要進(jìn)行計(jì)算.電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算見(jiàn)公式（7）[10]：

式中：ρ（vi，voji）—待評(píng)物元到各經(jīng)典域的距；ρ（vi，voji）—待評(píng)物元到節(jié)域的距；（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，m）.若ρ（vi，voji）≥0，則表示vi不在區(qū)間voji內(nèi)；若ρ（vi，voji）≤0，則表vi在區(qū)間voji內(nèi)，且不同的負(fù)值表示不同的距離.Kji（vi）—待評(píng)物元與電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的關(guān)聯(lián)函數(shù)；—經(jīng)典域的量值大小.

1.3.6 確定權(quán)重系數(shù)

權(quán)重系數(shù)的分配直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果，本課題分別采用三種確定權(quán)重系數(shù)的方法，再通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)，確定最終方案.

（1）根據(jù)專家置信度確定權(quán)重

專家置信度確定權(quán)重是請(qǐng)幾位從事電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性研究的專家根據(jù)自身專業(yè)知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真對(duì)比打分，同時(shí)引用合適的標(biāo)度數(shù)值進(jìn)行定量描述[14].表2的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的置信度和權(quán)重系數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[11].

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的置信度和權(quán)重

其中：

于是得出權(quán)重向量為：wj＝（0.206，0.171，0.151，0.166，0.125，0.181）.

（2）通過(guò)熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)的步驟如圖2所示.

圖2 熵權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)的流程

根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與熵權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)的步驟確定的權(quán)重系數(shù)如表3所示.

表3 熵權(quán)法確定的權(quán)重系數(shù)

（3）通過(guò)專家置信度與熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定權(quán)重

專家置信度和熵權(quán)法綜合權(quán)重可由公式（11）計(jì)算[15]得出：

式中，α和β應(yīng)當(dāng)滿足α＋β＝1，本文選取α＝β＝0.5，即認(rèn)為專家置信度和熵權(quán)法同等重要[15]；wj為根據(jù)專家置信度所確定的權(quán)重系數(shù)，為根據(jù)熵權(quán)法確定的權(quán)重系數(shù).

根據(jù)表2與表3由公式（11）計(jì)算所得的專家置信度與熵權(quán)法相結(jié)合的權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表4.

表4 專家置信度與熵權(quán)法相結(jié)合確定的權(quán)重系數(shù)

1.3.7 電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式見(jiàn)式（12）[10]：

式中，wi—為指標(biāo)ci權(quán)重分配系數(shù)；kji（vi）—關(guān)聯(lián)函數(shù)；Kj（N）—關(guān)聯(lián)度.

1.3.8 計(jì)算電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度評(píng)價(jià)等級(jí)的特征值

根據(jù)公式（12）計(jì)算得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行處理，使得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值均處于[-1，1]，以利于對(duì)電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度進(jìn)行評(píng)價(jià).計(jì)算公式見(jiàn)式（13）[9].

式中，kmax＝max（kj）（j＝1，2，3）；kmin＝min（kj）（j＝1，2，3）.

1.3.9 確定電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度的評(píng)價(jià)等級(jí)

在求得電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度N關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj（N）后，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則[9]進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)確定，計(jì)算公式見(jiàn)式（14）[10]：

根據(jù)公式（14）可判定待評(píng)價(jià)電站鍋爐燃煤結(jié)渣程度N屬于哪種程度，而kjo（N）的數(shù)值大小及相互關(guān)系則可定量地反應(yīng)評(píng)價(jià)單元的好壞及其屬于哪種評(píng)價(jià)等級(jí)[10].

2 評(píng)價(jià)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用檢驗(yàn)

2.1 評(píng)價(jià)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)應(yīng)用程序分為3部分，分別為主程序代碼、用戶界面設(shè)計(jì)程序代碼與用戶界面功能實(shí)現(xiàn)代碼，利用MATLAB軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì).評(píng)價(jià)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)步驟如圖3所示.

圖3 電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)程序流程圖

圖4為用戶評(píng)價(jià)界面圖，圖5為利用工程實(shí)踐中的實(shí)例對(duì)電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)應(yīng)用程序進(jìn)行驗(yàn)證的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示圖.在該評(píng)價(jià)實(shí)例中軟化溫度ST為1 190℃，堿酸比B/A為0.469，硅鋁比SiO2/Al2O3為3.2，硅比G為63.8，無(wú)因次爐膛實(shí)際切圓直徑φd為0.095，無(wú)因次爐膛最高溫度φt為1.310，實(shí)際結(jié)渣程度為嚴(yán)重.根據(jù)圖5可看出評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)渣情況相符.

圖4 用戶評(píng)價(jià)界面圖

圖5 評(píng)價(jià)結(jié)果顯示圖

2.2 評(píng)價(jià)程序應(yīng)用檢驗(yàn)

總共評(píng)價(jià)了61組工程實(shí)踐中的實(shí)例（篇幅所限，未全部列出），表5為部分實(shí)例及其評(píng)價(jià)結(jié)果.

表5 部分實(shí)例及其評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)61組實(shí)例的評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)如表6所示.

表6 三種不同權(quán)重確定方法評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

提出的基于物元模型和可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)為基礎(chǔ)的電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性評(píng)價(jià)模型和方法，研究表明：

（1）三種權(quán)重系數(shù)確定方法中，采用主觀賦權(quán)法確定的權(quán)重系數(shù)所編制的評(píng)價(jià)應(yīng)用程序準(zhǔn)確率為81.97%，采用客觀賦權(quán)法與主客觀賦權(quán)法確定的權(quán)重系數(shù)所編制的評(píng)價(jià)應(yīng)用程序準(zhǔn)確率均為73.77%.因此，最終采用主觀賦權(quán)法確定權(quán)重系數(shù).

（2）與單一評(píng)價(jià)指標(biāo)（煤灰軟化溫度的準(zhǔn)確率為65%，煤灰開(kāi)始變形溫度的準(zhǔn)確率為43%）[5]評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率相比，該評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確率有所提高，同時(shí)也為電站鍋爐燃煤結(jié)渣特性的評(píng)價(jià)提供了一種新的途徑.