垃圾焚燒爐風(fēng)險(xiǎn)評估軟件的開發(fā)與應(yīng)用

袁武飛,吳海泓,洪銘建,劉志波,嚴(yán)朗平,歐陽小平,楊 旭

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院揭陽檢測院，廣東 揭陽 522000；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院惠州檢測院，廣東 惠州 516003；3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院河源檢測院，廣東 河源 517000)

垃圾焚燒發(fā)電作為一種資源化、無害化以及減量化的技術(shù)，在我國得到了迅猛發(fā)展，帶來了極大的經(jīng)濟(jì)與社會效益[1-3]。由于焚燒爐的工作環(huán)境惡劣，受壓部件直接與高溫高壓的水蒸氣接觸，并受到高溫火焰輻射及煙氣沖刷，易產(chǎn)生磨損、結(jié)垢、腐蝕、變形等缺陷，還可能出現(xiàn)結(jié)渣、堵灰的現(xiàn)象，更嚴(yán)重的將導(dǎo)致爆管甚至爆炸事故，造成嚴(yán)重的后果[4-5]。因此開發(fā)垃圾焚燒爐風(fēng)險(xiǎn)評估軟件系統(tǒng)，提出失效預(yù)警方案，對確保垃圾焚燒爐的安全運(yùn)行，執(zhí)行預(yù)防性維修，具有重要意義[6]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對垃圾焚燒爐的失效模式和風(fēng)險(xiǎn)評估方面進(jìn)行了研究。其中Lai等人[7]研究了城市生活垃圾焚燒爐的腐蝕影響因素，結(jié)果表明隨著熔融沉積物的增加加快了腐蝕速度。吳中師[8]從設(shè)備運(yùn)行以及技術(shù)管理等方面，利用模糊綜合評價(jià)方法對電站鍋爐建立了一個多層次的結(jié)構(gòu)模型。王哲芳等人[9]對垃圾焚燒爐受壓部件進(jìn)行了分析，但未提出系統(tǒng)性安全評價(jià)方案。

本文針對垃圾焚燒爐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，結(jié)合層次分析法與模糊綜合評價(jià)，建立風(fēng)險(xiǎn)評估體系。在理論的基礎(chǔ)上開發(fā)可視化界面，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證軟件準(zhǔn)確性，為垃圾焚燒爐運(yùn)行過程中提供修正性建議，并為風(fēng)險(xiǎn)評估的進(jìn)一步研究提出新思路。

1 模糊綜合評價(jià)體系

1.1 模糊評價(jià)體系

本研究綜合考慮影響垃圾焚燒爐失效的各種可能形式，并結(jié)合我國實(shí)際的垃圾焚燒爐的運(yùn)行狀況，在王哲芳等人[9]研究的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險(xiǎn)評估因素，如表1所示。包括高溫腐蝕、低溫腐蝕、飛灰腐蝕、熱疲勞、氧腐蝕、高溫蠕變、焊接缺陷以及垢下腐蝕等因素。該模型的基本思路是對給定因素集U，劃分8個子集，各個子集之間不相交，且劃分后的子集滿足公式(1)

(1)

式中Ui——因素集的子集，在本研究中表示高溫腐蝕、低溫腐蝕等失效形式。

在因素樹的基礎(chǔ)上，對垃圾焚燒爐的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分為七個等級，分別為很嚴(yán)重、嚴(yán)重、較嚴(yán)重、一般、較輕微、輕微以及很輕微，作為風(fēng)險(xiǎn)等級的評判標(biāo)準(zhǔn)。

為確定評級對象的模糊關(guān)系，構(gòu)造隸屬度矩陣R，表示為[10]

(2)

式中R——構(gòu)造的隸屬度矩陣，對于單因素評價(jià)集可用向量表示

Ri={ri1,ri2,…,rim}(i=1,2,…,n)

(3)

表1 垃圾焚燒爐風(fēng)險(xiǎn)評估因素[9]

由于在實(shí)際運(yùn)行過程中，垃圾焚燒爐各部件發(fā)生各種失效形式的概率并不均等，例如在高溫區(qū)域工作的部件易發(fā)生高溫腐蝕，在煙道中的部件易受到煙氣顆粒的影響導(dǎo)致飛灰磨損。且為了確?？陀^性，在建模的過程中，通過層次分析法引入評價(jià)部件的權(quán)重集，記為

A=(α1,α2,…,αn)

(4)

式中A——權(quán)重矩陣;

αi(i=1,2,…,n)——單因素的權(quán)重向量。

在上述研究的基礎(chǔ)上，考慮所有影響因素對評價(jià)對象的影響，確定權(quán)重矩陣A與隸屬度矩陣R后即可建立模糊綜合評價(jià)模型，即

B=A·R

(5)

式中B——綜合模糊評價(jià)指標(biāo)。

1.2 軟件界面開發(fā)環(huán)境

本研究在Windows系統(tǒng)Anaconda3集成環(huán)境中應(yīng)用Python3.6程序語言，實(shí)現(xiàn)層次分析法與模糊綜合評價(jià)，利用Pywebio數(shù)據(jù)庫建立可視化界面。硬件為CPU/intel(R) Core(TM) i7-8700，Memory/16G, Graphics Card/NVIDIA GeForce GTX 1660。

2 結(jié)果和討論

2.1 軟件界面開發(fā)

本節(jié)在上述理論分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)垃圾焚燒爐評價(jià)體系的可視化界面，操作流程圖如圖1所示。圖2展示了軟件的主界面：首先輸入用戶名和密碼后，填寫相關(guān)基礎(chǔ)信息；然后進(jìn)入評價(jià)系統(tǒng)，請專家對一級指標(biāo)與二級指標(biāo)進(jìn)行評級，在此處以高溫腐蝕為例。

圖1 軟件操作流程

圖2 軟件界面功能示意圖

2.2 實(shí)例分析

本研究根據(jù)某垃圾焚燒爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對其開展風(fēng)險(xiǎn)評估，測試軟件準(zhǔn)確性。該垃圾焚燒爐共有5個一次風(fēng)口，分別通入流量為3 148 m3/h、4 374 m3/h、9 579 m3/h、10 952 m3/h以及4 093 m3/h的預(yù)熱空氣，主蒸汽壓力為6.4 MPa，從左至右三個煙氣通道的寬度分別為4.00 m、2.82 m、2.54 m，爐排總長為9.86 m，傾斜角度21.1°，垃圾在爐排上的運(yùn)行速度為12 m/h，停留時(shí)間約為49.3 min。

本次評估的對象為垃圾焚燒爐的第一煙道頂棚管。該煙道共有三個測點(diǎn)，測點(diǎn)溫度分別為783 ℃、775 ℃以及810 ℃。由于頂棚管受熱面直接與高溫氣體接觸，易發(fā)生高溫腐蝕，且煙氣中可能會存在由于不完全燃燒而產(chǎn)生的顆粒，使得受熱面易發(fā)生磨損，因此在本研究中高溫腐蝕以及飛灰磨損的權(quán)重較其他因素高。

運(yùn)用模糊評價(jià)對垃圾焚燒爐第一煙道頂棚管的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評估。為增加結(jié)果的真實(shí)性，本次研究邀請7名專家開展調(diào)查分析，此處以高溫腐蝕以及飛灰磨損二級指標(biāo)的權(quán)重矩陣為例，分別表示為式(6)至式(7)，各因素一級指標(biāo)權(quán)重是通過層次分析法求出，如式(8)所示

α1=(0.14,0.29,0.14,0.36,0.07)

(6)

α3=(0.45,0.18,0.27,0.1)

(7)

A=(0.21,0.10,0.25,0.04,0.13,0.1,0.13,0.04)

(8)

軟件的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，根據(jù)目前的評估情況可知垃圾焚燒爐運(yùn)行失效后果很嚴(yán)重、嚴(yán)重以及較嚴(yán)重的失效可能性之和不足19%，表明垃圾焚燒爐發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性較小。此外結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，表明該垃圾焚燒爐確實(shí)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，沒有出現(xiàn)高溫腐蝕、飛灰腐蝕等情況，表明程序評價(jià)結(jié)果與實(shí)際符合，驗(yàn)證結(jié)果正確性。

圖3 專家評審垃圾焚燒爐失效后果與失效可能性

在實(shí)際運(yùn)行過程中現(xiàn)場可能缺少專家進(jìn)行評判，可通過增加調(diào)查人數(shù)來增強(qiáng)結(jié)果的真實(shí)性。在上述基礎(chǔ)上，本研究選取39名經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員對垃圾焚燒爐的風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行評估，軟件運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 運(yùn)行人員評審垃圾焚燒爐失效后果與失效可能性

由圖4中可以看出，垃圾焚燒爐失效后果很嚴(yán)重、嚴(yán)重以及較嚴(yán)重的可能性之和不超過25%，表明垃圾焚燒爐運(yùn)轉(zhuǎn)正常，發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性較小。當(dāng)軟件評價(jià)結(jié)果表明垃圾焚燒爐失效可能性大，后果嚴(yán)重時(shí)，可采取降低垃圾焚燒爐負(fù)荷、減少垃圾的供給量等操作，待停爐后，進(jìn)行針對性的檢查，執(zhí)行預(yù)防性維修，避免被動停爐和嚴(yán)重事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文通過模糊綜合評價(jià)方法結(jié)合層次分析法，對垃圾焚燒爐的失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，在理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合面向?qū)ο笳Z言開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評估的可視化界面，并結(jié)合實(shí)際垃圾焚燒爐運(yùn)行實(shí)例，利用該軟件對垃圾焚燒爐的失效后果進(jìn)行了評估，分析了失效可能性及失效后果的程度。本研究得出主要結(jié)論如下：

(1)通過少數(shù)專家的研判，即可準(zhǔn)確地評估垃圾焚燒爐的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果一致。當(dāng)專家數(shù)量不足時(shí)，通過多名經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員進(jìn)行評估，同樣可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

(2)當(dāng)垃圾焚燒爐風(fēng)險(xiǎn)評估軟件的計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)前焚燒爐失效可能性大，后果嚴(yán)重時(shí)，可采取降低垃圾焚燒爐負(fù)荷、減少垃圾的供給量等操作，待停爐后，進(jìn)行針對性的檢查，執(zhí)行預(yù)防性維修，避免被動停爐和嚴(yán)重事故的發(fā)生。

(3)根據(jù)該軟件的評價(jià)結(jié)果，能夠預(yù)警垃圾焚燒爐失效部位，執(zhí)行預(yù)防性維修，避免被動停爐。為垃圾焚燒爐風(fēng)險(xiǎn)評估的進(jìn)一步發(fā)展提供新的研究思路。