基于层次分析法的多目标锅炉吹灰策略

郜建良, 钱　虹, 陈　纲, 周　泉

(1.上海电力学院 自动化工程学院, 上海　200090;2.华能上海石洞口第一电厂 检修部, 上海　200942)



基于层次分析法的多目标锅炉吹灰策略

郜建良1, 钱虹1, 陈纲2, 周泉2

(1.上海电力学院 自动化工程学院, 上海200090;2.华能上海石洞口第一电厂 检修部, 上海200942)

针对锅炉受热面积灰污染而造成锅炉运行安全性和经济性下降的问题,以安全性和经济性为目标构建面向不同受热面的吹灰策略模型.通过运用层次分析法的建模、求解和分析,得到了不同受热面的吹灰控制策略,以指导锅炉的吹灰过程,保证锅炉整体在充分吸热的状态下,减少对锅炉运行的影响,确保锅炉吹灰的安全性、经济性.

电站锅炉; 多目标; 层次分析法

锅炉受热面积灰结渣问题经常发生又难以彻底解决[1],尤其是电站锅炉受热面的积灰污染,不仅降低锅炉运行热效率,严重时将导致机组降负荷运行或停机,对整个电网的安全稳定产生不利的影响[2-3],降低电厂的经济效益.目前,大容量电站锅炉的各受热面均配有不同形式的吹灰器,一般采用定时定量的吹灰方式对各个受热面进行吹扫.各个受热面的积灰情况不同,采用相同的吹灰频次,不可避免会造成吹灰过度或吹灰不足.因此,锅炉机组变定时吹灰为按需吹灰十分必要[4].近年来,国内外对锅炉的优化吹灰进行了大量的研究,并取得了显著的研究成果,但也存在一定的不足.如文献[5]提出运用神经网络进行优化吹灰,在一定情况下可以较好地指导吹灰,但当煤种发生较大变化时测量结果也将产生较大的偏差;文献[6]提出采用污染因子模型进行受热面积灰的监测,可以较好地监测各个受热面的积灰情况来指导吹灰,但并未考虑各受热面吹灰对锅炉整体吸热特性的影响;文献[7]不仅提出运用清洁因子指导吹灰,并考虑各受热面吹灰对本受热面的经济性影响,但并未考虑各受热面吹灰对锅炉整体经济性的影响.本文以锅炉安全、经济运行为指标,从受热面的整体分布上考虑吸热的吹灰指导,避免单一受热面吹灰造成的局部影响,并通过运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)构建多目标吹灰模型,对模型进行求解、分析得到对专家吹灰系统推理控制策略.

1　多目标吹灰模型

1.1层次分析法机理

层次分析法是一种定性与定量相结合的系统分析方法,其基本原理为:首先,将问题层次化,按照各对象之间的相互关系进行分层;然后,将各层对象进行对比分析,构造判断矩阵;最后,利用求解判断矩阵的特征向量,获得各层次要素对于上一层次的优先级次序,进而建立权重向量.层次分析法一般分为目标层、准则层和方案层,其中目标层是要达到的目的;方案层是实施的方法;准则层是连接方案层和目标层的指标[8].

层次分析法的一般步骤是首先建立层次结构模型,具体如图1所示.模型由判断模型、最优传递模型、权重模型构成.采用九标法构造两两比较的判断模型:

其中aii=1,aij=1/aji,即矩阵A为互反矩阵.然后构建最优传递模型:

(1)

求解最优传递模型各行元素之积为:

(2)

再求解各行的n次方根,将其作为特征向量w′的第i个分量:

(3)

(4)

得到的wi越大,则对应的ai重要程度越高.

图1　层次结构模型

1.2多目标吹灰模型的构建

为了提高锅炉吹灰的有效性和合理性,在锅炉吹灰时需要根据一定的优先权排序对各个受热面进行吹扫,即建立合理的锅炉吹灰控制策略.本文采用上述的层次分析法对积灰状态下的各个受热面的吹灰顺序进行综合排序,使得各个受热面避免过吹和欠吹,提高吹灰的有效性和合理性.

本文构建的多目标吹灰模型以吹灰经济性和安全性为目标,其中经济性包括减温水、微量减温水、吹灰蒸汽的节约情况,安全性是指锅炉管壁超温、主蒸汽温度和再热蒸汽温度在合理范围、受热面的吹灰磨损等.以重要度、关联度和影响度为评价指标,即:各受热面吹灰对锅炉运行经济性或安全性的重要程度;各受热面吹灰对其他受热面吸热情况的影响,进而对锅炉运行经济性或安全性影响的关联程度;各受热面吹灰对锅炉运行安全性和经济性的影响程度.

多目标锅炉吹灰模型分为3层,即目标层、准则层、方案层.具体如图2所示.

根据多目标吹灰模型构建其数学模型.首先,构建判断模型:

(5)

式中:aij——以某项因素为判断指标时,方案ai比aj的重要程度的大小.

a1——省煤器吹灰方案;

a2——低温过热器吹灰方案;

a3——高温过热器吹灰方案;

a4——屏式过热器吹灰方案;

a5——水冷壁第1层吹灰方案;

a6——水冷壁第2层吹灰方案;

a7——水冷壁第3层吹灰方案;

a8——水冷壁第4层吹灰方案;

a9——水冷壁第5层吹灰方案;

a10——水冷壁第6层吹灰方案;

a11——低温再热器吹灰方案;

a12——高温再热器吹灰方案.

其次,构建最优传递模型:

(6)

其中bij=10Cij;

求解最优传递矩阵各行元素之积为:

(7)

求解各行Mi的12次方根:

(8)

最后,进行归一化处理,可以得到各方案的权重值wi,进而得到权重模型矩阵w:

(9)

权重值越大表示对应的方案发生时,对锅炉运行的安全性或经济性影响越大.按照权重值由小到大的次序对方案进行排序,得到的次序为吹灰的最优吹灰控制策略.

2　多目标吹灰的顺序过程决策

根据多目标吹灰模型,分别以安全性、经济性、安全性与经济性相平衡为3个不同的目标,通过计算分析得到3种情况下的吹灰控制策略.

2.1以安全性为目标的吹灰控制策略

通过多目标吹灰模型,以安全性为目标,运用九标法并根据式(5)构建各判断矩阵.

根据式(6)至式(9),得到权重模型矩阵:

(10)

根据权重矩阵,得到以安全性为目标的吹灰控制策略如图3所示.

2.2以经济性为目标的吹灰控制策略

通过多目标吹灰模型,以经济性为目标,运用九标法并根据式(5)构建各判断矩阵.

图3　以安全性为目标的吹灰控制策略

根据式(6)至式(9),得到权重模型矩阵:

(11)

根据权重矩阵,得到以经济性为目标的吹灰控制策略如图4所示.

2.3以安全性和经济性相平衡为目标的吹灰控制策略

根据以上内容中求得的分别以安全性和经济性为目标的权重矩阵,按照安全性和经济性各占50%的原则,求得以安全性和经济性相平衡为目标的权重矩阵:

w3=0.5w1+0.5w2=

(12)

根据权重矩阵,得到以安全性和经济性相平衡为目标的吹灰控制策略与以安全性为目标的吹灰控制策略相同.

通过锅炉的实际运行情况,结合现场运行经验可知,锅炉中积灰最严重的受热面为屏式过热器和水冷壁的上部,这两部分对锅炉运行安全性和经济性影响最大,且在吹灰中对其他受热面吸热影响最大;高温过热器和水冷壁中部积灰相对较轻,这两部分对锅炉运行安全性和经济性影响相对屏式过热器和水冷壁上部要小一点,且在吹灰中对其他受热面吸热影响也相对较小;高温再热器和低温再热器的吸热是主要影响微量减温水用量的因素,且微量减温水是影响锅炉经济性的重要指标;省煤器、低温过热器、水冷壁下部积灰最轻,且在吹扫过程中对其他受热面的影响也最小.通过上述分析不难发现,以安全性为目标和以安全性和经济性相平衡为目标时得到的吹灰策略较为合理.

图4　以经济性为目标的吹灰控制策略

由于层次分析法在取值时存在经验问题,导致了本文在进行以安全性为目标和以安全性和经济性相平衡为目标分析时,出现了吹灰策略相同的现象,但通过式(10)与式(12)比较,可以看出两者的权重不同.随着实际工作应用中吹灰经验的积累和对权重趋于多样化的取值,结合网络分析法(ANP)进一步研究分析,将会得到更优的吹灰策略指导.

3　结　论

(1) 通过应用层次分析法,分析不同受热面进行吹灰对锅炉运行的影响情况,较好地得到了吹灰控制策略;

(2) 分别对安全性、经济性、安全性与经济性相平衡为目标进行分析计算,得到了不同的吹灰控制策略,通过机理分析发现,在以安全性为目标和以安全性与经济性相平衡为目标时,得到的吹灰控制策略相对于以经济性为目标时的吹灰控制策略更为合理.

[1]朱予东,阎维平,高正阳.600 MW 机组锅炉对流受热面污染状况实验与吹灰优化[J].中国电机工程学报,2005,25(2):196-200.

[2]徐啸虎,周克毅,胥建群.锅炉灰污染损失数学模型[J].中国电机工程学报,2010,32(30):20-24.

[3]王新,马波,向文国.600 MW机组锅炉对流受热面灰污在线监测研究[J].江苏电机工程,2007,26(5):63-65.

[4]颜磷,赵敏,颜文俊.锅炉对流面灰污监测和吹灰优化控制策略的研究[J].福州大学学报:自然科学版,2008,36(4):57-60.

[5]郑亚峰,卢海彬,谢红军.基于神经网络的智能吹灰优化系统设计与应用[J].热力发电,2011,24(10):38-40.

[6]柳青,阎维平,高正阳,等.330 MW机组锅炉受热面污染特性的试验研究[J].华东电力,2005,33(4):21-24.

[7]陈宝康,阎维平,高正阳,等.300 MW燃煤电站锅炉受热面优化吹灰模型的研究与实现[J].动力工程,2004,24(5):485-489.

[8]张炳江.层次分析法及其案例[M].北京:电子工业出版社,2014:32-35.

(编辑桂金星)

Sootblowing Strategy of Boiler Based on the AnalyticHierarchy Process Multi-objective

GAO Jianliang1, QIAN Hong1, CHEN Gang2, ZHOU Quan2

(1.School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;2.Maintenance Department, Shanghai Shidongkou First Power Plant Huaneng Power International, Inc.,Shanghai200942, China)

Ash fouling on heating surfaces of boiler results in the reduction of economic efficiency and safety in the operation of a boiler.The model of soot blowing strategy for different heating surfaces is built based on the goals of improving economic efficiency and safety.The model uses the analytic hierarchy process method to build the structure of the problem by solving the problem as well as analysis,the control strategy for different heating surfaces is obtained.The control strategy is used to guide the soot blowing process of the boiler,which ensures the boiler to stay in the situation of overall sufficiency absorption of heat,and reduces the influences to the boiler.Thus,the economic efficiency and safety are guaranteed.

station boiler; multi-objective; analytic hierarchy process

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.004

2015-12-08

简介：钱虹(1967-),女,博士,副教授,上海人.主要研究方向为控制理论方法与应用.E-mail:qianhong.sh@163.com.

TK227;TM621.2

A

1006-4729(2016)03-0225-06