劉 念

（太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030053）

引言

貝葉斯理論是根據(jù)經(jīng)驗和假設設定先驗分布，再設定含有誤差信息的似然函數(shù)，通過優(yōu)化先驗分布導出后驗分布。由于后驗分布的復雜性影響，使目標分布難以直接繪制得到。我們采用數(shù)值抽樣方法近似表達出后驗概率分布情況，進而得到參數(shù)的近似值。

生物質(zhì)能主要通過植物的光合作用產(chǎn)生。每年，植物的光合作用可將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榧s1 700 億t 的生物質(zhì)能，并廣泛分布在陸地及海洋中[1]。其中，生物質(zhì)廢棄物開發(fā)為我國生物質(zhì)能利用的主要方向，如農(nóng)作物莖葉、樹木枝干、人畜排泄物等。目前，生物質(zhì)能廢棄物的利用方式分為兩種：直接利用，如燃燒；處理后利用，如熱解[2]。直接利用生物質(zhì)能廢棄物燃燒發(fā)電具有廣闊的應用前景[3]，可有效實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的二次利用，降低其儲量和有害性，并增加燃料資源[4]，既可以改善日益緊缺的化石能源問題，又能緩解溫室效應降低碳排放，充分高效利用生物質(zhì)能于我國具有重要意義。

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）對燃料的要求標準低，燃燒時氮氧化物原始排放低，且可實現(xiàn)排放氣的原位脫硫處理，并具有原料能量利用率高和負荷調(diào)節(jié)比寬等優(yōu)勢，恰好與生物質(zhì)的燃燒特性相符。外加循環(huán)流化床鍋爐具有蓄熱量大、循環(huán)倍率高的特點，可保證生物質(zhì)燃料著火并穩(wěn)定燃燒。同時燃料的往復循環(huán)燃燒，將會延長燃料在爐內(nèi)的停留時間，加長燃盡時間保證燃料燃盡。由此可知，最適合生物質(zhì)燃燒的鍋爐是循環(huán)流化床鍋爐。

基于國內(nèi)現(xiàn)有燃用不同生物質(zhì)CFB 運行和設計的經(jīng)驗與方案，充分運用貝葉斯理論建模修正現(xiàn)有的問題與設計理念，針對具體的燃料特性與區(qū)域燃料燃燒特點，優(yōu)化現(xiàn)有CFB 設計理念與燃料入爐燃燒數(shù)據(jù)，保證生物質(zhì)熱電廠連續(xù)穩(wěn)定長周期運行提供理論保證。

1 貝葉斯概率說明與應用

通過貝葉斯原理得出的目標概率稱為貝葉斯概率，即通過條件概率來計算后驗概率，其基礎公式如下（推導過程省略）：

式中：A，B 分別代表某一事件；P（A）和P（B）分別代表該事件發(fā)生的相應概率；P（A）是A 的先驗概率或邊緣概率，是因為它不考慮任何B 方面的因素；P（B）是B 的先驗概率或邊緣概率，也作標準化常量；P（A|B）是已知B 發(fā)生后A 的條件概率，也由于得自B 的取值而被稱作A 的后驗概率；P（B|A）是已知A 發(fā)生后B 的條件概率，也由于得自A 的取值而被稱作B 的后驗概率。

貝葉斯原理可以通過統(tǒng)計學方法計算某一尚未發(fā)生事件的發(fā)生概率，即貝葉斯概率[5]，可表述為：后驗概率=（似然度×先驗概率）/標準化常量，其中，比例P（B|A）/P（B）也有時被稱作標準似然度。也可表述為：后驗概率=標準似然度×先驗概率[6]。

近年來，貝葉斯理論已然是人工智能領域的核心內(nèi)容之一，其中大數(shù)據(jù)貝葉斯學習成為人們關注的焦點，加強貝葉斯學習的靈活性以及加快貝葉斯學習的推理過程，使其更加適應大數(shù)據(jù)時代的挑戰(zhàn)成為人們考慮的問題[7]。以拼音輸入法為例，如果輸入了錯誤的拼音，輸入法里會進行相對的概率計算，再得出應該正確打出的漢字，這種概率的計算，就是以貝葉斯理論為基礎。

當代貝葉斯理論已經(jīng)滲透進多個領域，其中在優(yōu)化生物質(zhì)CFB 理論設計方面可以提供數(shù)學模型之借鑒，在建立大量現(xiàn)有鍋爐不同參數(shù)的具體運行數(shù)據(jù)基礎上，充分調(diào)研現(xiàn)有在用不同區(qū)域類似生物質(zhì)燃料燃燒及摻燒比例不同時詳細數(shù)據(jù)的運行參數(shù)模型，加大標準似然度修正準確率，以現(xiàn)有鍋爐運行大數(shù)據(jù)為前提，就具備優(yōu)化現(xiàn)有生物質(zhì)CFB 設計運行參數(shù)的可能性，進而降低鍋爐島的非正常啟停事故率，為用戶提供高品質(zhì)的鍋爐島系統(tǒng)的理論數(shù)據(jù)支撐。

2 生物質(zhì)燃料與循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐的燃燒特性

與傳統(tǒng)燃料不同，純生物質(zhì)燃料含有較高的堿金屬和氧含量，且其易揮發(fā)，灰分、硫含量和固定碳低。然而，在生物質(zhì)電廠實際運行中由于生物質(zhì)燃料來源的復雜性，水分含量波動范圍大、導致燃料熱值變化幅度較大、給料的波動性對鍋爐的負荷影響較大，最終導致對司爐人員要求極為嚴格，這也是近年來生物質(zhì)電廠優(yōu)秀司爐人員高價也難尋的原因，現(xiàn)就東北地區(qū)生物質(zhì)燃料的特點總結(jié)如下[8]：

1）受生物質(zhì)燃料成因影響，水分含量分布范圍廣、差別大；

2）密度小，松散蓬松，易被吹起，輸送需要特殊考慮；

3）燃燒熱值、灰熔點、燃燒溫度均較低，且堿金屬含量較高；

4）揮發(fā)份高，易于著火，需及時補充大量空氣避免不完全燃燒；

5）部分燃料含氯量高，易造成尾部對流受熱面的高低溫腐蝕；

6）實際運行時生物質(zhì)燃料來源復雜，且雜質(zhì)含量較高，例如秸稈中含土、石等；

7）硫、氮、碳含量低，SO2、NOx的排放量將會降低，同時CO2近似零排放。

基于以上生物質(zhì)的燃燒特性，為了保證生物質(zhì)CFB 連續(xù)穩(wěn)定高效運行，并盡可能地兼顧爐內(nèi)污染物原始低排放甚至超低排放，生物質(zhì)CFB 需具備以下特點：

1）爐膛溫度較低，一般采用750～800 ℃（具體溫度由設計燃料灰熔點確定）；

2）燃料適應性強，對未燃盡物質(zhì)都將保持較高的燃燒效率；

3）SO2排放遠低于國家標準排放限值；

4）通過調(diào)節(jié)尾部受熱面管組布置和管排橫向節(jié)距，有效阻止了飛灰搭橋現(xiàn)象；

5）分級送風保證燃燒、氣固混合良好，多數(shù)未燃盡的燃料往復循環(huán)，具備高的燃燒效率。

3 生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐腐蝕問題及貝葉斯分析論證

由于高堿含量特性，生物質(zhì)燃料燃燒過程中易發(fā)生結(jié)團、結(jié)焦的現(xiàn)象，在高溫狀態(tài)下堿金屬化合物極為活躍且具有固氯特性，當遇到低溫管壁堿金屬化合物將會凝結(jié)在受熱面管壁上，易出現(xiàn)高溫受熱面堿金屬腐蝕、低溫受熱面氯腐蝕及各受熱面管排之間飛灰搭橋等的問題?，F(xiàn)針對生物質(zhì)燃料的高溫腐蝕問題為例子進行鍋爐貝葉斯優(yōu)化分析概述。

先預估一個“先驗概率”，再加入相似生物質(zhì)鍋爐運行案例，看類似運行案例是增強還是削弱了“先驗概率”，修正后得到更接近事實的“后驗概率”。

問題描述：高溫腐蝕主要發(fā)生在過熱器等高溫部位。

先驗概率分析P（A）：

1）過熱器管子的壁溫處于易腐蝕區(qū)域，蒸汽溫度高，是高溫腐蝕主要區(qū)域；

2）過熱器管子表面的高溫黏結(jié)灰中含有堿金屬氯化物，在該溫區(qū)堿金屬氯化物與燃燒時所生成的硫化物和氯化物將發(fā)生化學反應，從而對受熱面的管壁造成腐蝕。

基于先驗概率防高溫腐蝕的方法：

1）過熱器的管壁溫度避開腐蝕率較高的溫度區(qū)域，采用高低溫過熱器錯位布置等方式；

2）過熱器管材選取耐腐蝕性高的不銹鋼管材，以減緩管子的腐蝕；

3）受熱面管子采取順列布置并加大橫向管間距，減少管排間飛灰搭橋、堵塞的概率；

4）布置性能良好的吹灰器，且增加投入頻次，以防止灰分黏結(jié)在受熱面管子表面；

標準化常量P（B）：高溫條件下，鍋爐由于燃燒氧化和脫碳反應而發(fā)生的金屬腐蝕為化學腐蝕。不同于電化學腐蝕，該腐蝕僅發(fā)生于金屬表面，且無電流產(chǎn)生[9]。通過調(diào)節(jié)鋼鐵中耐蝕性合金元素的組分含量，可以控制高溫燃燒過程中鍋爐的耐蝕性。即選用高等級的材料增加其抗腐蝕性能，但同時亦增加產(chǎn)品成本，需綜合考慮尋求最優(yōu)解。

似然度P（B|A）：收集現(xiàn)有的生物質(zhì)CFB 運行的數(shù)據(jù)，分析出現(xiàn)主要運行問題時對高溫腐蝕的影響因素：

東北某生物質(zhì)CFB 燃料為70%秸稈，剩余為稻殼、蘆葦、少量木片；燃料直徑300～450 mm 之間，且雜質(zhì)較多，燃料水分偏差大。當燃料熱值在2 500～2 600 之間，水分含量少時可帶滿負荷。常規(guī)時爐膛運行溫度540 ℃，分離器溫度560～570 ℃，檢修時發(fā)現(xiàn)分離器內(nèi)掛壁軟化焦分層累積，尾部過熱器暫未發(fā)現(xiàn)磨損，但是該溫度下蒸汽品質(zhì)較難保證，需2 人超盤，分別控制燃料風和減溫水量；由于分離器分離效率低尾部積灰不多，吹灰方式采用激波吹灰，為了保證吹灰效果，130 t 生物質(zhì)鍋爐設計48 個激波吹灰點，安裝位置點需尾部砌筑時和吹灰器廠家、鍋爐廠家現(xiàn)場設計安裝位置和角度，尾部豎井煙道收灰口設計氣力除灰節(jié)省人力。

后驗概率分析P（A|B）：后驗概率P（A|B）=（似然度P（B|A）×先驗概率P（A））/標準化常量P（B），進行初步統(tǒng)計分析引起高溫腐蝕的主要原因：壁溫在500 ℃時堿金屬共晶體化合物被煙塵攜帶對受熱面的高溫熱化學腐蝕與沖刷。

基于此需對生物質(zhì)CFB 整體設計時在常規(guī)統(tǒng)籌分析的基礎上重點考慮：

1）優(yōu)化爐膛的吸熱與傳熱設計，在保證主蒸品質(zhì)的基礎上適當降爐膛溫度，增大鍋爐整體水容積以應對負荷變動速率高的問題，增大鍋爐水容積從增大受熱面和增大鍋筒容積兩方面進行統(tǒng)籌考慮，并設計避開500 ℃壁溫時堿金屬腐蝕溫度區(qū)間；

2）優(yōu)化尾部豎井煙道流場結(jié)構(gòu)和傳熱設計，減小高溫受熱面迎風面的沖刷和堿金屬積灰富集，并根據(jù)設計燃料含水量優(yōu)化吹灰器的布置位置、角度與數(shù)量；

3）優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)，減小尾部含塵量，使大量循環(huán)灰在爐膛與分離器之間循環(huán)，水冷床上針對設計返料灰排灰口，將大部分堿金屬共晶體化合物隨細渣在冷渣機中排出，進而減小尾部煙塵中堿金屬共晶體的含量，避免尾部積灰和高低溫腐蝕問題；

4）繼續(xù)深入研究高溫熱化學腐蝕問題，分析高溫堿金屬共晶體液態(tài)流化過程中是否存在電化學腐蝕現(xiàn)象，從而在電化學腐蝕方向考慮采用犧牲陰極的陽極保護措施等方法，已避免選用高等級的材質(zhì)引起成本增加的無奈選擇。

4 結(jié)語

隨著國家工業(yè)4.0 的發(fā)布，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)前提下的鍋爐優(yōu)化設計時代即將到來，借鑒現(xiàn)有智能制造的貝葉斯算法與算力的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，充分利用即將到來的5G 這新技術動能更好地針對性設計循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐，從而為緩解化石燃料資源日益緊缺的現(xiàn)狀，更高效地利用生物質(zhì)可再生能源已迫在眉睫。讓人工智能技術為重工業(yè)插上騰飛的翅膀，相信生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的應用也將更加科學。