垃圾焚烧炉风险评估软件的开发与应用

2022-11-30袁武飞吴海泓洪铭建刘志波严朗平欧阳小平

节能技术 2022年5期

袁武飞,吴海泓,洪铭建,刘志波,严朗平,欧阳小平,杨旭

(1.广东省特种设备检测研究院揭阳检测院，广东揭阳 522000；2.广东省特种设备检测研究院惠州检测院，广东惠州 516003；3.广东省特种设备检测研究院河源检测院，广东河源 517000)

垃圾焚烧发电作为一种资源化、无害化以及减量化的技术，在我国得到了迅猛发展，带来了极大的经济与社会效益[1-3]。由于焚烧炉的工作环境恶劣，受压部件直接与高温高压的水蒸气接触，并受到高温火焰辐射及烟气冲刷，易产生磨损、结垢、腐蚀、变形等缺陷，还可能出现结渣、堵灰的现象，更严重的将导致爆管甚至爆炸事故，造成严重的后果[4-5]。因此开发垃圾焚烧炉风险评估软件系统，提出失效预警方案，对确保垃圾焚烧炉的安全运行，执行预防性维修，具有重要意义[6]。

近年来，国内外学者针对垃圾焚烧炉的失效模式和风险评估方面进行了研究。其中Lai等人[7]研究了城市生活垃圾焚烧炉的腐蚀影响因素，结果表明随着熔融沉积物的增加加快了腐蚀速度。吴中师[8]从设备运行以及技术管理等方面，利用模糊综合评价方法对电站锅炉建立了一个多层次的结构模型。王哲芳等人[9]对垃圾焚烧炉受压部件进行了分析，但未提出系统性安全评价方案。

本文针对垃圾焚烧炉进行风险评估，结合层次分析法与模糊综合评价，建立风险评估体系。在理论的基础上开发可视化界面，结合实际运行数据，验证软件准确性，为垃圾焚烧炉运行过程中提供修正性建议，并为风险评估的进一步研究提出新思路。

1 模糊综合评价体系

1.1 模糊评价体系

本研究综合考虑影响垃圾焚烧炉失效的各种可能形式，并结合我国实际的垃圾焚烧炉的运行状况，在王哲芳等人[9]研究的基础上，建立风险评估因素，如表1所示。包括高温腐蚀、低温腐蚀、飞灰腐蚀、热疲劳、氧腐蚀、高温蠕变、焊接缺陷以及垢下腐蚀等因素。该模型的基本思路是对给定因素集U，划分8个子集，各个子集之间不相交，且划分后的子集满足公式(1)

(1)

式中Ui——因素集的子集，在本研究中表示高温腐蚀、低温腐蚀等失效形式。

在因素树的基础上，对垃圾焚烧炉的风险指标分为七个等级，分别为很严重、严重、较严重、一般、较轻微、轻微以及很轻微，作为风险等级的评判标准。

为确定评级对象的模糊关系，构造隶属度矩阵R，表示为[10]

(2)

式中R——构造的隶属度矩阵，对于单因素评价集可用向量表示

Ri={ri1,ri2,…,rim}(i=1,2,…,n)

(3)

表1 垃圾焚烧炉风险评估因素[9]

由于在实际运行过程中，垃圾焚烧炉各部件发生各种失效形式的概率并不均等，例如在高温区域工作的部件易发生高温腐蚀，在烟道中的部件易受到烟气颗粒的影响导致飞灰磨损。且为了确保客观性，在建模的过程中，通过层次分析法引入评价部件的权重集，记为

A=(α1,α2,…,αn)

(4)

式中A——权重矩阵;

αi(i=1,2,…,n)——单因素的权重向量。

在上述研究的基础上，考虑所有影响因素对评价对象的影响，确定权重矩阵A与隶属度矩阵R后即可建立模糊综合评价模型，即

B=A·R

(5)

式中B——综合模糊评价指标。

1.2 软件界面开发环境

本研究在Windows系统Anaconda3集成环境中应用Python3.6程序语言，实现层次分析法与模糊综合评价，利用Pywebio数据库建立可视化界面。硬件为CPU/intel(R) Core(TM) i7-8700，Memory/16G, Graphics Card/NVIDIA GeForce GTX 1660。

2 结果和讨论

2.1 软件界面开发

本节在上述理论分析的基础上，开发垃圾焚烧炉评价体系的可视化界面，操作流程图如图1所示。图2展示了软件的主界面：首先输入用户名和密码后，填写相关基础信息；然后进入评价系统，请专家对一级指标与二级指标进行评级，在此处以高温腐蚀为例。

图1 软件操作流程

图2 软件界面功能示意图

2.2 实例分析

本研究根据某垃圾焚烧炉实际运行数据对其开展风险评估，测试软件准确性。该垃圾焚烧炉共有5个一次风口，分别通入流量为3 148 m3/h、4 374 m3/h、9 579 m3/h、10 952 m3/h以及4 093 m3/h的预热空气，主蒸汽压力为6.4 MPa，从左至右三个烟气通道的宽度分别为4.00 m、2.82 m、2.54 m，炉排总长为9.86 m，倾斜角度21.1°，垃圾在炉排上的运行速度为12 m/h，停留时间约为49.3 min。

本次评估的对象为垃圾焚烧炉的第一烟道顶棚管。该烟道共有三个测点，测点温度分别为783 ℃、775 ℃以及810 ℃。由于顶棚管受热面直接与高温气体接触，易发生高温腐蚀，且烟气中可能会存在由于不完全燃烧而产生的颗粒，使得受热面易发生磨损，因此在本研究中高温腐蚀以及飞灰磨损的权重较其他因素高。

运用模糊评价对垃圾焚烧炉第一烟道顶棚管的风险进行有效评估。为增加结果的真实性，本次研究邀请7名专家开展调查分析，此处以高温腐蚀以及飞灰磨损二级指标的权重矩阵为例，分别表示为式(6)至式(7)，各因素一级指标权重是通过层次分析法求出，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)

软件的运行结果如图3所示，根据目前的评估情况可知垃圾焚烧炉运行失效后果很严重、严重以及较严重的失效可能性之和不足19%，表明垃圾焚烧炉发生严重事故的可能性较小。此外结合现场调查结果，表明该垃圾焚烧炉确实处于正常运转状态，没有出现高温腐蚀、飞灰腐蚀等情况，表明程序评价结果与实际符合，验证结果正确性。

图3 专家评审垃圾焚烧炉失效后果与失效可能性

在实际运行过程中现场可能缺少专家进行评判，可通过增加调查人数来增强结果的真实性。在上述基础上，本研究选取39名经验丰富的运行人员对垃圾焚烧炉的风险状况进行评估，软件运行结果如图4所示。

图4 运行人员评审垃圾焚烧炉失效后果与失效可能性

由图4中可以看出，垃圾焚烧炉失效后果很严重、严重以及较严重的可能性之和不超过25%，表明垃圾焚烧炉运转正常，发生严重事故的可能性较小。当软件评价结果表明垃圾焚烧炉失效可能性大，后果严重时，可采取降低垃圾焚烧炉负荷、减少垃圾的供给量等操作，待停炉后，进行针对性的检查，执行预防性维修，避免被动停炉和严重事故的发生。