陳潤琪，馬曉茜，余昭勝，柯春城，陳新飛

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州 510641)

垃圾焚燒發(fā)電廠中燃料垃圾成分復(fù)雜多變，這導(dǎo)致了垃圾燃燒過程中受熱面積灰的非線性和不確定性。目前，垃圾焚燒廠吹灰所采用的是固定周期吹灰或人工吹灰的方式，容易出現(xiàn)吹灰過度或吹灰不及時的情況[1]。在潔凈段吹灰將使管道磨損，加速管道表面的退化，降低鍋爐的使用壽命。若吹灰不及時，則又將導(dǎo)致傳熱性能減弱，發(fā)電效率降低，增加能源與經(jīng)濟成本。國內(nèi)外針對吹灰優(yōu)化進行了大量的研究，但大多是針對燃煤鍋爐[2]，對于垃圾焚燒爐的研究較少，并且吹灰優(yōu)化研究的重點大多集中于積灰監(jiān)測[3-4]和積灰預(yù)測[5-6]上，不能給出垃圾焚燒爐吹灰的經(jīng)濟性分析。本文提出了一種適用于垃圾焚燒爐的吹灰綜合評判策略，對垃圾焚燒爐吹灰進行優(yōu)化。通過垃圾焚燒爐運行的實時數(shù)據(jù)進行合理的吹灰決策，從而有效提高垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率。

1 吹灰經(jīng)濟性分析

吹灰的經(jīng)濟性分析主要分為兩類：吹灰成本和吹灰收益，吹灰成本和吹灰收益下各有子指標。吹灰經(jīng)濟性指標見圖1。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電廠吹灰經(jīng)濟性指標

吹灰成本是指因吹灰行為產(chǎn)生的投入增加或產(chǎn)出減少。吹灰器利用清潔介質(zhì)對受熱面上的灰層進行吹掃，產(chǎn)生清潔介質(zhì)的能量消耗。進行吹灰后的一段時間內(nèi)，會導(dǎo)致蒸汽溫度變化，降低汽輪機效率。吹灰器電源通過耗費電能驅(qū)動傳動裝置。另外，清潔介質(zhì)直接吹掃受熱面，會磨損和腐蝕受熱面管道，縮減其使用壽命，增加維修費用。最后，吹灰器自身折舊老化以及產(chǎn)生的維修費用也包含在吹灰成本中[7]。

吹灰收益是指吹灰行為給機組帶來的產(chǎn)出增加或投入減少。對受熱面的積灰進行吹掃，可以清潔受熱面，提高傳熱系數(shù)，降低排煙溫度，提高機組發(fā)電效率。煙氣溫度的降低，還能減弱受熱面管道的高溫腐蝕，延長使用壽命。過熱器受熱面的吹灰，還可以提高蒸汽溫度。另外，吹灰器吹掃受熱面上灰層，保證了煙氣流動暢通，減少煙氣流通阻力，降低引風機電耗。最后，啟用吹灰器還可以減少NOx的形成[8]。

2 綜合評價指標體系

2.1 指標計算

不同吹灰成本和收益的子指標，其本質(zhì)各不相同。吹灰引起的管道損耗和吹灰器折舊老化比較復(fù)雜，只有通過長時間的運行對比，才能確定其產(chǎn)生的維修費用，因此在模糊評判模型中，忽略此兩種吹灰成本[9]。對于吹灰收益，最重要的是吹灰能保持受熱面清潔，從而提高機組的發(fā)電效率，而發(fā)電效率主要受到排煙溫度和蒸汽溫度的影響[10]，因此在模糊評判模型中，主要考慮吹灰對排煙溫度和蒸汽溫度的影響。

以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，該廠過熱器處有2個噴嘴，日處理垃圾量450 t，排煙溫度波動范圍為195～215 ℃，蒸汽溫度波動范圍為395～415 ℃。經(jīng)過1次吹灰，可使排煙溫度降低10～15 ℃，蒸汽溫度提高5～10 ℃。該垃圾焚燒發(fā)電廠的鍋爐效率為70%，汽輪機效率為28%，發(fā)電機效率為97%，發(fā)電效率為19%。發(fā)電效率每降低1%，以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計算，每小時將減少發(fā)電量 364.58 kW。

2.1.1 電耗 電機啟動吹灰消耗功率為124 W，運行時間84 s，則每1次吹灰需耗電10.416 kJ，折合煤量7.8 g。如果同時啟用n個吹灰器，則消耗煤量約為n×7.8 g，耗電n×10.416 kJ。

2.1.2 吹灰介質(zhì)能耗 每個噴嘴吹灰使用蒸汽的壓力為3.90 MPa，溫度為390 ℃，焓為3 214.25 kJ/kg，蒸汽流量約為0.75 kg/s。若每次吹灰時間為84 s，則吹灰介質(zhì)能耗為202.497 MJ，以熱值為7 000 kJ/kg垃圾計算，需消耗垃圾28.93 kg。

2.1.3 短期汽機效率降低 受熱面的吹灰會使蒸汽溫度在短期內(nèi)發(fā)生大幅度波動，若蒸汽溫度變化10 ℃，為期5 min，以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計算，需消耗燃料垃圾25.07 kg，需耗電175.47 MJ。

2.1.4 降低排煙溫度 排煙溫度降低10 ℃，可以提高鍋爐效率1%。則以熱值為7 000 kJ/kg的垃圾計算，經(jīng)過1次吹灰，可以減少垃圾消耗250 kg，則每小時可以提高發(fā)電量91 kW。

2.1.5 提高蒸汽溫度 一般蒸汽溫度每提高5 ℃，汽輪機效率提高0.225%。則以熱值為7 000 kJ/kg垃圾計算，經(jīng)過1次吹灰，可以減少垃圾消耗 149.2 kg，則每小時可以提高發(fā)電量54.7 kW。

2.2 權(quán)重

傳統(tǒng)的層次分析法，運用專業(yè)知識及經(jīng)驗判斷每個因素的重要性，從而確定其權(quán)重。但是在指標重要程度判斷過程中，具有一定的主觀性[11]。本文通過對吹灰成本與收益進行計算來修正并確定不同評價指標的權(quán)重，從而實現(xiàn)權(quán)重由主觀向客觀的轉(zhuǎn)化，最大程度上保證結(jié)果的客觀性。

通過研究對象鍋爐過熱器吹灰成本與收益的種類和大小，將過熱器的吹灰成本與收益的數(shù)量級匯總于表1、表2。

表1 過熱器吹灰行為收益分析

表2 過熱器吹灰行為成本分析

由表2可知，電耗成本最小，比其他成本低三個數(shù)量級，因此忽略不計。最后，確定所需吹灰收益數(shù)量級在102kg左右，吹灰成本數(shù)量級在101kg左右。吹灰成本比吹灰收益小1個數(shù)量級。

通過以上的分析計算，可以設(shè)定吹灰收益權(quán)重和吹灰成本權(quán)重：

吹灰收益

U1=[降低排煙溫度，提高蒸汽溫度]

=[0.6，0.4]；

吹灰成本

U2=[吹灰介質(zhì)能耗，短期汽機效率下降]

=[0.5，0.5]；

通過吹灰成本與吹灰收益的分析比對，可以確定收益和成本在啟動吹灰的迫切程度評判中的權(quán)重：

啟動吹灰的迫切程度

V=[吹灰收益，吹灰成本]=[0.8，0.2]。

2.3 模糊化

由上述計算確定模糊變量為吹灰介質(zhì)能耗，短時間內(nèi)蒸汽溫度波動、排煙溫度和蒸汽溫度，分別以 HC、GT、ET和ST表示。

對精確量進行模糊化處理，分別選擇控制輸入輸出量的語言變量模糊集合和離散論域如下：

吹灰介質(zhì)能耗={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為HC={TH，SH，ZO，SL，TL}；

短時間內(nèi)蒸汽溫度波動={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為GT={TH，SH，ZO，SL，TL}；

排煙溫度={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為ET={TH，SH，ZO，SL，TL}；

蒸汽溫度={很高，較高，正常，較低，很低}，簡記為ST={TH，SH，ZO，SL，TL}。

2.4 隸屬度函數(shù)

為保證隸屬度函數(shù)具備魯棒性，其相鄰模糊量的交點應(yīng)當分布在0.3～0.7之間[12]。高斯型隸屬函數(shù)具有連續(xù)且可導(dǎo)的特點，是正態(tài)分布函數(shù)，可用于修正自適應(yīng)模糊控制隸屬函數(shù)。在本文中，選用高斯型隸屬函數(shù)，其表達式為：

μA(ui)=e-p|ui-q|2

(1)

其中，ui為輸入變量，A為模糊集，p、q為高斯型隸屬函數(shù)的參數(shù)。

采用量化的方法，得到各控制量的隸屬度賦值表，并根據(jù)賦值表繪制相應(yīng)的隸屬函數(shù)圖。在此僅列出排煙溫度和蒸汽溫度的隸屬度函數(shù)圖，見圖2和圖3。

圖2 排煙溫度隸屬度函數(shù)

圖3 蒸汽溫度隸屬度函數(shù)

2.5 分層模型

吹灰評判采用二層模糊綜合評判，第一層評判吹灰成本和吹灰收益。第二層評判基于第一層的結(jié)果，評判啟動吹灰迫切等級。

在第一層模糊評判中，因素集有兩個。①是吹灰收益(U1)：降低排煙溫度和提高蒸汽溫度；②吹灰成本(U2)：吹灰介質(zhì)能耗和短期汽機效率下降。相對應(yīng)的兩個評價集為吹灰收益等級V1和吹灰成本等級V2。

在第二層模糊評判中，是綜合第一層評判的結(jié)果進行的。吹灰評判的因素集(U)：吹灰成本與吹灰收益。評價集(V)：啟動吹灰的迫切程度。

在該吹灰評判模型中，其分層控制模型見圖4。

圖4 模糊吹灰分層控制模型

3 AHP-模糊多層評判模型

在該模型中，首先判斷吹灰是否能夠滿足吹灰收益條件。當滿足條件時，再進入吹灰成本和啟動吹灰迫切程度的評判流程，其完整流程和示意圖如下：

(1)評判吹灰模糊收益；

(2)若評判吹灰收益的結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和大于0.6，則(3)，反之結(jié)束吹灰評判過程；

(3)評判吹灰模糊成本；

(4)評判啟動吹灰迫切程度；

(5)若啟動吹灰迫切程度的評價結(jié)果是需要吹灰和很需要吹灰的隸屬度之和大于0.65，則吹灰，反之則不吹灰；

(6)吹灰多層模糊評判結(jié)束。

圖5 吹灰模糊評判流程

在此以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠的運行數(shù)據(jù)為例，獲取吹灰收益和吹灰成本的評判參數(shù)，對兩種不同的情況進行吹灰評判并驗證。

3.1 情況一

當排煙溫度為207.5 ℃，蒸汽溫度為398 ℃時。

(1)此時，降低排煙溫度和提高蒸汽溫度收益的評判結(jié)果為[0，0，0.5，0.5，0]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各項收益的權(quán)重U1=[0.6，0.4]，做矩陣運算得吹灰收益：

=[0，0，0.3，0.62，0.08]

(2)吹灰收益的評判結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和為0.7小于0.6，則進入吹灰成本評判流程。

(3)當吹灰器的兩個噴嘴同時開啟時，吹灰介質(zhì)能耗和短期汽機效率下降成本的評判結(jié)果為[0，0，0，0，1]和[0，0，0，0.8，0.2]。吹灰各項成本的權(quán)重U2=[0.5，0.5]，做矩陣運算得吹灰成本：

=[0，0，0，0.4，0.6]

(4)吹灰收益與成本的權(quán)重U=[0.8，0.2]，做矩陣運算可得啟動吹灰迫切程度的評判結(jié)果為：

=[0，0，0.24，0.576，0.184]

(5)過熱器啟動吹灰迫切程度的結(jié)果是需要吹灰和很需要吹灰的隸屬度之和為0.76>0.65，建議吹灰。

(6)過熱器模糊吹灰評判結(jié)束。

3.2 情況二

當排煙溫度為203.5 ℃，蒸汽溫度為399 ℃時。

(1)此時，降低排煙溫度和提高蒸汽溫度收益的評判結(jié)果為[0，0.5，0.5，0，0]和[0，0，0.9，0.1，0]。吹灰各項收益的權(quán)重U1=[0.375，0.625]，做矩陣運算得吹灰收益為：

=[0，0.187 5，0.75，0.062 5，0]

(2)吹灰收益的評判結(jié)果是較大和很大的隸屬度之和為0.062 5遠小于0.6，則做出決策不進行吹灰。

(3)過熱器模糊吹灰評判結(jié)束。

4 結(jié)論

通過分析計算過熱器吹灰的成本與收益，耦合層次分析法和模糊推理法，建立評估吹灰迫切程度的多層評判模型。并以廣州市某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，結(jié)合運行實時數(shù)據(jù)，對該吹灰優(yōu)化模型進行驗證。結(jié)果表明，運用該吹灰策略可以實現(xiàn)較好的優(yōu)化效果，符合垃圾焚燒爐實際運行規(guī)律，可以有效提高垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率，對垃圾焚燒發(fā)電廠吹灰具有實際操作的指導(dǎo)意義。