基于模糊层次分析法优选桂林市小型工业锅炉燃料

2021-01-18李小良罗兆生莫家国李盛好陶积勇卢昌锐

化工机械 2020年6期

李小良罗兆生莫家国李盛好陶积勇卢昌锐

（1.广西壮族自治区特种设备检验研究院桂林分院；2.桂林市淦隆环保科技有限公司）

目前，桂林市在用锅炉约400台，其中额定蒸发量1～4t/h的占比80%，因国家环保政策的实施，已经明令禁止受理安装额定蒸发量20t/h以下的燃煤锅炉，原有的额定蒸发量10t/h以下的燃煤锅炉全部要求改烧生物质颗粒料或其他清洁能源，锅炉的热效率和排放须达到国家相关节能标准［1～3］和排放标准［4］，而且只要天然气管道铺设到锅炉使用企业的附近，所有额定蒸发量10t/h以下的锅炉都被要求改为燃气锅炉。因此，生物质颗粒料也是过渡性的燃料。

锅炉燃料的选择是锅炉运行成本的主要因素，也是投资者关注的重点，要综合考虑国家政策、燃烧产物的环保性、锅炉的热效率、设备成本（包含搬迁或改造成本）、燃料成本、人工/维护成本以及燃料的安全性等因素［5～11］，因此锅炉燃料的选择是多目标多因素问题。笔者采用模糊层次分析法［12～19］综合考虑以上因素对锅炉燃料进行优选，优选出适合桂林市的在用小型工业锅炉燃料。

1 模糊层次分析法

模糊层次分析法和层次分析法［20］都是定性与定量相结合的系统分析方法［12～14］，而前者由后者改进而来。模糊层次分析法是经过一系列的分解、组合后，应用矩阵特征向量求解各组成元素的相对权重，递阶归并各个备选方案对总目标层的相对权重，根据权重的大小优化或优选出最佳方案［12］。

1.1 建立层次结构模型

根据锅炉燃料类型的不同属性分解、组合成若干组，形成不同层次，建立优选锅炉燃料的层次结构模型。将锅炉燃料优选模型作为目标层、锅炉燃料特性作为准则层、燃料种类作为方案层的方式排列起来，而且采用该方法可以对多目标问题的决策进行评价与优选［12］。

1.2 建立模糊判断矩阵

设元素a1，a2，…，an的优先关系矩阵为F={fij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n}。将元素ai与元素aj进行比较时，用0～1标度对元素ai、aj具有的模糊关系的隶属度进行定量描述［12］：

由此可建立模糊判断矩阵F：

1.3 建立模糊一致判断矩阵

而0～1标度构成的模糊矩阵，各元素模糊关系的隶属度满足：fij+fji=1，fii=0.5，即F为模糊互补矩阵［12］。对模糊互补矩阵F进行按行求和，记为：

并施以数学变换［12］：

即可将模糊互补矩阵F转换为对应的模糊一致判断矩阵R［21］：

1.4 层次单排序

对于锅炉燃料特性的任一元素而言，利用判断矩阵计算出锅炉燃料及其特性的各元素重要性的优先权重即为层次单排序，它是锅炉燃料所有元素针对锅炉燃料特性而言的重要性进行排序的结果。同理，对锅炉燃料优选模型而言，锅炉燃料特性与锅炉燃料优选模型的同层元素重要性的优先权重也称之为层次单排序。权重以W表示，计算公式为［12］：

1.5 层次总排序

式中 V——各种锅炉燃料对优选锅炉燃料模型的综合权重；

W——各锅炉燃料特性指标对锅炉燃料优选模型的相对权重；

Wj——各种锅炉燃料对锅炉燃料特性指标的相对权重。

各种锅炉燃料的综合评价用V中的各个元素值的大小排序，根据层次总排序向量，即可选出最优的锅炉燃料为［12］：

2 锅炉燃料的优劣性量化

桂林市在用锅炉燃料分别有：生物质颗粒料、天然气、柴油、醇基燃料、煤和电（因用电锅炉成本太高，选择电力锅炉用户过少，故不将此项列入比较），再综合考虑桂林市在用锅炉不同燃料的锅炉排放环保性、热效率、设备成本、燃料成本、人工/维护成本和安全性，归纳出桂林市在用锅炉燃料的优劣性列于表1。

表1 锅炉燃料的优劣性

根据桂林市在用锅炉燃料的优劣性指标，令优为9、良为7、差为3，把表1中的5种燃料优劣性逐一量化，具体数值见表2。

表2 锅炉燃料优劣性的量化值

3 优选锅炉燃料

3.1 建立优选锅炉燃料的层次结构模型

针对桂林市在用锅炉燃料的选型问题，结合燃料类型的性能和期望达到的效果，对目前桂林市在用锅炉的5种常用燃料进行优选，考察锅炉燃料的6种特性对5种锅炉燃料的关系，建立的层次结构模型如图1所示。

图1 锅炉燃料优选的层次结构模型

3.2 建立优选锅炉燃料的模糊判断矩阵

根据在用锅炉燃料的特点、企业的需要和所期望达到的目的，燃料指标的重要性排序为：锅炉排放环保性>热效率>设备成本>燃料成本>人工/维护成本>安全性。由式（1）、（2）可得模糊判断矩阵F（锅炉燃料特性对锅炉燃料优选模型）为：

根据表2，建立锅炉燃料类型到锅炉燃料特性指标的模糊矩阵F1、F2、F3、F4、F5、F6：

3.3 构建选型的模糊一致判断矩阵

根据式（3）～（5）可得锅炉燃料特性对锅炉燃料优选模型的模糊一致判断矩阵R为：

用同样的方法将锅炉燃料类型到锅炉燃料特性指标的模糊矩阵F1、F2、F3、F4、F5、F6，转换为锅炉燃料类型到锅炉燃料特性指标的模糊一致判断矩阵R1、R2、R3、R4、R5、R6：

3.4 燃料类型的层次单排序

根据式（6）求得锅炉燃料特性对锅炉燃料优选模型的模糊一致判断矩阵R的权重W为：

W=［0.217 0.197 0.177 0.157 0.137 0.117］T

同样求得锅炉燃料类型到锅炉燃料特性指标的模糊一致判断矩阵R1、R2、R3、R4、R5、R6对应的权重分别为：

3.5 燃料选型的层次总排序

由式（7）可以确定优选锅炉燃料模型的层次总排序为：V=WjW

依据式（8）A=max{V1，V2，V3，V4，V5}=0.214，可确定醇基燃料的综合权重最大，即桂林市在用小型工业锅炉最优的燃料为醇基燃料。 5种锅炉燃料的选型相对优先顺序为：醇基燃料>天然气>柴油>生物质颗粒料>煤。

综合考虑不同燃料的锅炉尾气排放环保性、热效率、设备成本、燃料成本、人工/维护成本和安全性后，可优先选择醇基燃料用于小型工业锅炉。醇基燃料比其他燃料更安全、经济，完全可以实现安全、环保且节能的目的，而且后续若因环保政策的实施需改用其他的气体或液体燃料时，只需改造燃烧器，改造成本较低。因此，选用醇基燃料作为桂林市小型工业锅炉的燃料是一个最优方案。