耦合AHP-模糊综合评价的垃圾焚烧炉吹灰策略研究

陈润琪，马晓茜，余昭胜，柯春城，陈新飞

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州 510641)

垃圾焚烧发电厂中燃料垃圾成分复杂多变，这导致了垃圾燃烧过程中受热面积灰的非线性和不确定性。目前，垃圾焚烧厂吹灰所采用的是固定周期吹灰或人工吹灰的方式，容易出现吹灰过度或吹灰不及时的情况[1]。在洁净段吹灰将使管道磨损，加速管道表面的退化，降低锅炉的使用寿命。若吹灰不及时，则又将导致传热性能减弱，发电效率降低，增加能源与经济成本。国内外针对吹灰优化进行了大量的研究，但大多是针对燃煤锅炉[2]，对于垃圾焚烧炉的研究较少，并且吹灰优化研究的重点大多集中于积灰监测[3-4]和积灰预测[5-6]上，不能给出垃圾焚烧炉吹灰的经济性分析。本文提出了一种适用于垃圾焚烧炉的吹灰综合评判策略，对垃圾焚烧炉吹灰进行优化。通过垃圾焚烧炉运行的实时数据进行合理的吹灰决策，从而有效提高垃圾焚烧发电厂的发电效率。

1 吹灰经济性分析

吹灰的经济性分析主要分为两类：吹灰成本和吹灰收益，吹灰成本和吹灰收益下各有子指标。吹灰经济性指标见图1。

图1 垃圾焚烧发电厂吹灰经济性指标

吹灰成本是指因吹灰行为产生的投入增加或产出减少。吹灰器利用清洁介质对受热面上的灰层进行吹扫，产生清洁介质的能量消耗。进行吹灰后的一段时间内，会导致蒸汽温度变化，降低汽轮机效率。吹灰器电源通过耗费电能驱动传动装置。另外，清洁介质直接吹扫受热面，会磨损和腐蚀受热面管道，缩减其使用寿命，增加维修费用。最后，吹灰器自身折旧老化以及产生的维修费用也包含在吹灰成本中[7]。

吹灰收益是指吹灰行为给机组带来的产出增加或投入减少。对受热面的积灰进行吹扫，可以清洁受热面，提高传热系数，降低排烟温度，提高机组发电效率。烟气温度的降低，还能减弱受热面管道的高温腐蚀，延长使用寿命。过热器受热面的吹灰，还可以提高蒸汽温度。另外，吹灰器吹扫受热面上灰层，保证了烟气流动畅通，减少烟气流通阻力，降低引风机电耗。最后，启用吹灰器还可以减少NOx的形成[8]。

2 综合评价指标体系

2.1 指标计算

不同吹灰成本和收益的子指标，其本质各不相同。吹灰引起的管道损耗和吹灰器折旧老化比较复杂，只有通过长时间的运行对比，才能确定其产生的维修费用，因此在模糊评判模型中，忽略此两种吹灰成本[9]。对于吹灰收益，最重要的是吹灰能保持受热面清洁，从而提高机组的发电效率，而发电效率主要受到排烟温度和蒸汽温度的影响[10]，因此在模糊评判模型中，主要考虑吹灰对排烟温度和蒸汽温度的影响。

以广州市某垃圾焚烧发电厂为例，该厂过热器处有2个喷嘴，日处理垃圾量450 t，排烟温度波动范围为195～215 ℃，蒸汽温度波动范围为395～415 ℃。经过1次吹灰，可使排烟温度降低10～15 ℃，蒸汽温度提高5～10 ℃。该垃圾焚烧发电厂的锅炉效率为70%，汽轮机效率为28%，发电机效率为97%，发电效率为19%。发电效率每降低1%，以热值为7 000 kJ/kg的垃圾计算，每小时将减少发电量 364.58 kW。

2.1.1 电耗 电机启动吹灰消耗功率为124 W，运行时间84 s，则每1次吹灰需耗电10.416 kJ，折合煤量7.8 g。如果同时启用n个吹灰器，则消耗煤量约为n×7.8 g，耗电n×10.416 kJ。

2.1.2 吹灰介质能耗 每个喷嘴吹灰使用蒸汽的压力为3.90 MPa，温度为390 ℃，焓为3 214.25 kJ/kg，蒸汽流量约为0.75 kg/s。若每次吹灰时间为84 s，则吹灰介质能耗为202.497 MJ，以热值为7 000 kJ/kg垃圾计算，需消耗垃圾28.93 kg。

2.1.3 短期汽机效率降低 受热面的吹灰会使蒸汽温度在短期内发生大幅度波动，若蒸汽温度变化10 ℃，为期5 min，以热值为7 000 kJ/kg的垃圾计算，需消耗燃料垃圾25.07 kg，需耗电175.47 MJ。

2.1.4 降低排烟温度 排烟温度降低10 ℃，可以提高锅炉效率1%。则以热值为7 000 kJ/kg的垃圾计算，经过1次吹灰，可以减少垃圾消耗250 kg，则每小时可以提高发电量91 kW。

2.1.5 提高蒸汽温度 一般蒸汽温度每提高5 ℃，汽轮机效率提高0.225%。则以热值为7 000 kJ/kg垃圾计算，经过1次吹灰，可以减少垃圾消耗 149.2 kg，则每小时可以提高发电量54.7 kW。

2.2 权重

传统的层次分析法，运用专业知识及经验判断每个因素的重要性，从而确定其权重。但是在指标重要程度判断过程中，具有一定的主观性[11]。本文通过对吹灰成本与收益进行计算来修正并确定不同评价指标的权重，从而实现权重由主观向客观的转化，最大程度上保证结果的客观性。

通过研究对象锅炉过热器吹灰成本与收益的种类和大小，将过热器的吹灰成本与收益的数量级汇总于表1、表2。

表1 过热器吹灰行为收益分析

表2 过热器吹灰行为成本分析

由表2可知，电耗成本最小，比其他成本低三个数量级，因此忽略不计。最后，确定所需吹灰收益数量级在102kg左右，吹灰成本数量级在101kg左右。吹灰成本比吹灰收益小1个数量级。

通过以上的分析计算，可以设定吹灰收益权重和吹灰成本权重：

吹灰收益

U1=[降低排烟温度，提高蒸汽温度]

=[0.6，0.4]；

吹灰成本

U2=[吹灰介质能耗，短期汽机效率下降]

=[0.5，0.5]；

通过吹灰成本与吹灰收益的分析比对，可以确定收益和成本在启动吹灰的迫切程度评判中的权重：

启动吹灰的迫切程度

V=[吹灰收益，吹灰成本]=[0.8，0.2]。

2.3 模糊化

由上述计算确定模糊变量为吹灰介质能耗，短时间内蒸汽温度波动、排烟温度和蒸汽温度，分别以 HC、GT、ET和ST表示。

对精确量进行模糊化处理，分别选择控制输入输出量的语言变量模糊集合和离散论域如下：

吹灰介质能耗={很高，较高，正常，较低，很低}，简记为HC={TH，SH，ZO，SL，TL}；

短时间内蒸汽温度波动={很高，较高，正常，较低，很低}，简记为GT={TH，SH，ZO，SL，TL}；

排烟温度={很高，较高，正常，较低，很低}，简记为ET={TH，SH，ZO，SL，TL}；

蒸汽温度={很高，较高，正常，较低，很低}，简记为ST={TH，SH，ZO，SL，TL}。

2.4 隶属度函数

为保证隶属度函数具备鲁棒性，其相邻模糊量的交点应当分布在0.3～0.7之间[12]。高斯型隶属函数具有连续且可导的特点，是正态分布函数，可用于修正自适应模糊控制隶属函数。在本文中，选用高斯型隶属函数，其表达式为：

μA(ui)=e-p|ui-q|2

(1)

其中，ui为输入变量，A为模糊集，p、q为高斯型隶属函数的参数。

采用量化的方法，得到各控制量的隶属度赋值表，并根据赋值表绘制相应的隶属函数图。在此仅列出排烟温度和蒸汽温度的隶属度函数图，见图2和图3。

图2 排烟温度隶属度函数

图3 蒸汽温度隶属度函数

2.5 分层模型

吹灰评判采用二层模糊综合评判，第一层评判吹灰成本和吹灰收益。第二层评判基于第一层的结果，评判启动吹灰迫切等级。

在第一层模糊评判中，因素集有两个。①是吹灰收益(U1)：降低排烟温度和提高蒸汽温度；②吹灰成本(U2)：吹灰介质能耗和短期汽机效率下降。相对应的两个评价集为吹灰收益等级V1和吹灰成本等级V2。

在第二层模糊评判中，是综合第一层评判的结果进行的。吹灰评判的因素集(U)：吹灰成本与吹灰收益。评价集(V)：启动吹灰的迫切程度。

在该吹灰评判模型中，其分层控制模型见图4。

图4 模糊吹灰分层控制模型

3 AHP-模糊多层评判模型

在该模型中，首先判断吹灰是否能够满足吹灰收益条件。当满足条件时，再进入吹灰成本和启动吹灰迫切程度的评判流程，其完整流程和示意图如下：

(1)评判吹灰模糊收益；

(2)若评判吹灰收益的结果是较大和很大的隶属度之和大于0.6，则(3)，反之结束吹灰评判过程；

(3)评判吹灰模糊成本；

(4)评判启动吹灰迫切程度；

(5)若启动吹灰迫切程度的评价结果是需要吹灰和很需要吹灰的隶属度之和大于0.65，则吹灰，反之则不吹灰；

(6)吹灰多层模糊评判结束。

图5 吹灰模糊评判流程

在此以广州市某垃圾焚烧发电厂的运行数据为例，获取吹灰收益和吹灰成本的评判参数，对两种不同的情况进行吹灰评判并验证。

3.1 情况一

当排烟温度为207.5 ℃，蒸汽温度为398 ℃时。

(1)此时，降低排烟温度和提高蒸汽温度收益的评判结果为[0，0，0.5，0.5，0]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各项收益的权重U1=[0.6，0.4]，做矩阵运算得吹灰收益：

=[0，0，0.3，0.62，0.08]

(2)吹灰收益的评判结果是较大和很大的隶属度之和为0.7小于0.6，则进入吹灰成本评判流程。

(3)当吹灰器的两个喷嘴同时开启时，吹灰介质能耗和短期汽机效率下降成本的评判结果为[0，0，0，0，1]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各项成本的权重U2=[0.5，0.5]，做矩阵运算得吹灰成本：

=[0，0，0，0.4，0.6]

(4)吹灰收益与成本的权重U=[0.8，0.2]，做矩阵运算可得启动吹灰迫切程度的评判结果为：

=[0，0，0.24，0.576，0.184]

(5)过热器启动吹灰迫切程度的结果是需要吹灰和很需要吹灰的隶属度之和为0.76>0.65，建议吹灰。

(6)过热器模糊吹灰评判结束。

3.2 情况二

当排烟温度为203.5 ℃，蒸汽温度为399 ℃时。

(1)此时，降低排烟温度和提高蒸汽温度收益的评判结果为[0，0.5，0.5，0，0]和[0，0，0.9，0.1，0]。吹灰各项收益的权重U1=[0.375，0.625]，做矩阵运算得吹灰收益为：

=[0，0.187 5，0.75，0.062 5，0]

(2)吹灰收益的评判结果是较大和很大的隶属度之和为0.062 5远小于0.6，则做出决策不进行吹灰。

(3)过热器模糊吹灰评判结束。

4 结论

通过分析计算过热器吹灰的成本与收益，耦合层次分析法和模糊推理法，建立评估吹灰迫切程度的多层评判模型。并以广州市某垃圾焚烧发电厂为例，结合运行实时数据，对该吹灰优化模型进行验证。结果表明，运用该吹灰策略可以实现较好的优化效果，符合垃圾焚烧炉实际运行规律，可以有效提高垃圾焚烧发电厂的发电效率，对垃圾焚烧发电厂吹灰具有实际操作的指导意义。