章義發(fā), 周文臺(tái)

(1. 國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司, 北京 100033；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

近年來(lái)，煤價(jià)不斷上漲，造成電廠盈利水平持續(xù)下降，選擇摻燒低成本的劣質(zhì)煤成為改善電廠經(jīng)營(yíng)狀況的有效途徑。摻燒低成本劣質(zhì)煤時(shí)，除了考慮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性外，還需綜合考慮鍋爐的安全性與環(huán)保性[1-2]。由于每個(gè)電廠對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性要求的側(cè)重點(diǎn)不同，且很多指標(biāo)難以量化，因此在配煤摻燒的運(yùn)用中，很難準(zhǔn)確衡量最優(yōu)化摻配比例。

在確定最佳配煤摻燒比例時(shí)，采取的往往是不影響安全的前提下，最大可能地提高劣質(zhì)煤摻配比例，以達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。而這種方法在評(píng)價(jià)安全性和環(huán)保性時(shí)較為籠統(tǒng)，缺乏層次及客觀性，在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性時(shí)又缺乏側(cè)重性。筆者將層次分析法引入配煤摻燒的評(píng)價(jià)體系中，以解決配煤摻燒時(shí)各指標(biāo)權(quán)值模糊和不確定性的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)鍋爐及煤質(zhì)

某電廠試驗(yàn)機(jī)組鍋爐為超超臨界壓力直流鍋爐，型號(hào)為SG-3098/27.46-M539。鍋爐為變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置；采用機(jī)械刮板撈渣機(jī)固態(tài)排渣方式；燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNTFS)；制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配置6臺(tái)HP1203型中速磨煤機(jī)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況時(shí)，5臺(tái)磨煤機(jī)投運(yùn)，1臺(tái)備用。

該鍋爐實(shí)際燃用煤種為煙煤，摻燒煤質(zhì)為褐煤，煤質(zhì)成分見(jiàn)表1。

表1 燃用煤質(zhì)成分Tab.1 Quality analysis of two kinds of coal tested

2 層次分析法

2.1 價(jià)值工程

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種系統(tǒng)分析方法，對(duì)多因素、多準(zhǔn)則、多方案的綜合評(píng)價(jià)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)較為有效[3-5]。層次分析法的特點(diǎn)是在對(duì)復(fù)雜決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法，尤其適合于對(duì)決策結(jié)果難于直接準(zhǔn)確計(jì)量的場(chǎng)合。

2.2 配煤摻燒功能指標(biāo)

配煤摻燒的功能分析中，評(píng)價(jià)功能由鍋爐及相關(guān)輔機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、安全性與環(huán)保性綜合確定，而每個(gè)指標(biāo)又由若干個(gè)指標(biāo)組成。因此，把所有功能指標(biāo)分為2個(gè)層級(jí)，如圖1所示。第1層級(jí)為總目標(biāo)層級(jí)：u=(u1,u2,u3)。第2層級(jí)為總目標(biāo)層級(jí)下的子目標(biāo)層級(jí)，包括u1、u2和u3，其中u1為經(jīng)濟(jì)性，對(duì)應(yīng)子目標(biāo)層級(jí)u1=(u11,u12)；u2為安全性，u2=(u21,u22,u23,u24,u25)；u3為環(huán)保性，u3=(u31,u32,u33)。

圖1 配煤摻燒功能指標(biāo)層次圖Fig.1 Profile of unit indexes for co-firing analysis

根據(jù)電廠實(shí)際需求，從經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性角度對(duì)配煤摻燒功能評(píng)價(jià)因素進(jìn)行分析。經(jīng)濟(jì)性包括鍋爐效率和廠用電率，在計(jì)算鍋爐煤耗時(shí)，鍋爐效率和廠用電率往往合并進(jìn)行處理。在本文研究中，由于電廠的廠用電率指標(biāo)是該廠單獨(dú)考核的指標(biāo)，且該廠廠用電率指標(biāo)完成難度遠(yuǎn)大于煤耗指標(biāo)，因此分開(kāi)進(jìn)行分析。安全性包括摻燒褐煤以后的結(jié)焦安全性、制粉系統(tǒng)安全性、金屬壁溫安全性、汽溫安全性以及其他安全性，其他安全性則包括摻燒褐煤可能導(dǎo)致風(fēng)量與煙氣量增加引發(fā)的風(fēng)機(jī)安全性問(wèn)題，以及高溫腐蝕安全性等可能性很小的問(wèn)題。

3 配煤摻燒對(duì)象化分析

3.1 AHP賦權(quán)理論及信度分析[6-7]

由于在配煤摻燒過(guò)程中，不同人員對(duì)各個(gè)指標(biāo)的重視程度不同，有的人側(cè)重經(jīng)濟(jì)性，而有的人更側(cè)重安全性。另外，對(duì)同一指標(biāo)，如結(jié)焦程度以及可能帶來(lái)的安全隱患，不同人員的判斷有所不同。由于上述指標(biāo)存在主觀賦權(quán)，因此引入信度分析進(jìn)行理論計(jì)算。

3.1.1 信度分析理論

設(shè)有n個(gè)評(píng)判對(duì)象，i=1,2，…，n；m個(gè)評(píng)判專家，評(píng)判專家包括電廠的技術(shù)骨干、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)相關(guān)管理者、電力科學(xué)研究院相關(guān)專家等，j=1,2，…，m。每個(gè)專家對(duì)n個(gè)對(duì)象的評(píng)判結(jié)果xij的取值用等級(jí)表示。根據(jù)信度分析理論[8]，評(píng)判的實(shí)際值Xij為真值Ti和評(píng)判誤差Eij之和。根據(jù)信度系數(shù)的定義，可以計(jì)算出每個(gè)評(píng)分人員的信度系數(shù)C：

(1)

式中：ljk為專家評(píng)分之間的離均差積和；ljj和lkk分別為評(píng)判人員離均差平方和。C越大，表示該專家評(píng)分與事實(shí)越相符，所占的打分權(quán)重也越大。

3.1.2 AHP賦權(quán)理論

(2)

(3)

通過(guò)上述方法，不難得出第1層級(jí)權(quán)重向量W=(A1,A2,A3)，且A1+A2+A3=1。第2層級(jí)權(quán)重向量W1=(A11,A12),且A11+A12=1；W2=(A21,A22,A23,A24,A25)，且A21+A22+A23+A24+A25=1；W3=(A31,A32,A33)，且A31+A32+A33=1。

3.2 功能指標(biāo)的評(píng)定

3.2.1 功能評(píng)價(jià)級(jí)

針對(duì)配煤摻燒的相關(guān)指標(biāo)，評(píng)價(jià)集合包括十分重要、更重要、重要、略重要和一般重要5個(gè)等級(jí)，V=(v1,v2,v3,v4,v5)，經(jīng)專家組商議，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)取值分別為9、7、5、3和1.

3.2.2 功能模糊判斷矩陣

首先進(jìn)行單因素ui(i=1,2,…，n)評(píng)判，因素ui的評(píng)判等級(jí)vj(j=1,2,…，m)的隸屬度為rij，這樣就得到第i個(gè)因素ui的單因素集。由m個(gè)因素評(píng)判集得到一個(gè)總的評(píng)判矩陣為[8]：

(4)

式中：rij為ui對(duì)vj的隸屬度。

3.2.3 功能模糊判斷矩陣的確定

通過(guò)前述專家評(píng)分，結(jié)合權(quán)重系數(shù)，對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行排序，并對(duì)三階以上矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[9]，限于篇幅，此處不展開(kāi)分析。

按照功能評(píng)價(jià)級(jí)中對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)取值，并結(jié)合專家組的權(quán)值系數(shù)加權(quán)評(píng)價(jià)，最終確定功能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)取值，結(jié)果見(jiàn)表2～表5。以表2為例，若干名專家按照各自的權(quán)重系數(shù)對(duì)安全性與環(huán)保性進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分結(jié)果位于表2第2行第3列，評(píng)分?jǐn)?shù)字7表示與環(huán)保性相比，安全性更重要，而環(huán)保性與安全性相比，則取值1/7，該值位于表2中的第3行第2列位置。同理可知，安全性和經(jīng)濟(jì)性同等重要，取值為1。通過(guò)計(jì)算表2中的排序向量，分別得出安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性在評(píng)價(jià)中所占的比重。表3～表5中的數(shù)據(jù)按照前述方法依次求得。

表3～表5中的λ、CI、CR為一致性檢驗(yàn)的符號(hào)與對(duì)應(yīng)數(shù)值，目的是檢驗(yàn)多參數(shù)重要比較的一致性，避免出現(xiàn)A>B、B>C、C>A的情況。通過(guò)計(jì)算，各參數(shù)具有一致性，限于篇幅，此處不深入展開(kāi)。

表2 總目標(biāo)層排序求解結(jié)果Tab.2 Results of total target layer sorting solution

表3 u1層排序求解結(jié)果Tab.3 Results of u1 layer sorting solution

表4 u2層排序求解結(jié)果Tab.4 Results of u2 layer sorting solution

表5 u3層排序求解結(jié)果Tab.5 Results of u3 layer sorting solution

4 配煤摻燒試驗(yàn)工況

4.1 摻燒試驗(yàn)工況

針對(duì)某百萬(wàn)機(jī)組進(jìn)行褐煤摻燒試驗(yàn)，由于電網(wǎng)負(fù)荷限制，試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)為75%負(fù)荷，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)工況及折算煤價(jià)Tab.6 Test conditions and converted coal price

4.2 摻燒試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

由于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是定量數(shù)值，而非經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)屬于定性判斷，兩者難以統(tǒng)一兼顧，因此本試驗(yàn)的評(píng)價(jià)體系采用綜合評(píng)價(jià)體系。

4.2.1 評(píng)價(jià)等級(jí)

對(duì)各層級(jí)的指標(biāo)采用A、B、C、D、E五等級(jí)法來(lái)判斷。其中：A表示非常好,評(píng)分區(qū)間[90，100]；B表示較好，評(píng)分區(qū)間[80，90)；C表示一般，評(píng)分區(qū)間[70，80)；D表示較差，評(píng)分區(qū)間[60，70)；E表示非常差，評(píng)分區(qū)間[0，60]。

專家根據(jù)褐煤摻燒情況，對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，并在對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行打分。

4.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

鍋爐的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表7所示。

表7 不同項(xiàng)目的評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.7 Evaluation indicators for different projects

4.2.3 評(píng)價(jià)步驟

由于經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，因此在判別最佳摻配比例時(shí)，所有專家達(dá)成共識(shí)，采用綜合評(píng)判的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體包含以下兩步：

第一步：專家對(duì)所有工況進(jìn)行打分，并按照對(duì)應(yīng)信度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所有試驗(yàn)工況中，所有單項(xiàng)得分必須高于E，即不得出現(xiàn)某一專家綜合評(píng)價(jià)非常差的指標(biāo)。此外，按照每一單項(xiàng)的權(quán)值得到的綜合評(píng)分不得低于C，即摻燒試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)不得出現(xiàn)專家組認(rèn)為的非常差或較差的情況。

第二步：按照第一步篩選結(jié)束后，能夠確認(rèn)配煤摻燒的經(jīng)濟(jì)性、安全性及環(huán)保性整體符合要求。再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，主要比較配煤摻燒以后的燃料成本變化率、鍋爐效率變化率及廠用電率變化率。廠用電率與鍋爐效率的比較以鍋爐效率為基準(zhǔn)，按照經(jīng)濟(jì)性u(píng)1層的排序結(jié)果進(jìn)行權(quán)重折算。

4.3 摻燒試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 綜合評(píng)分

專家組成員按照前述評(píng)分方法進(jìn)行評(píng)分，并按照信度系數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同工況下的評(píng)分結(jié)果Tab.8 Rating results under different working conditions

當(dāng)褐煤摻燒比例低于30%時(shí)，鍋爐采用4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行；當(dāng)褐煤摻燒比例在30%～50%時(shí)，需要采用5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行；當(dāng)褐煤摻燒比例高于50%時(shí)，則需要采用6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。與之匹配的風(fēng)量變化也會(huì)引起三大風(fēng)機(jī)電耗增加。由于該廠自身對(duì)廠用電率指標(biāo)要求較為嚴(yán)苛，因此在廠用電率增加這一項(xiàng)中，電廠相關(guān)評(píng)分專家均給出了極低的分?jǐn)?shù)。此外，在磨煤機(jī)安全性方面，隨著褐煤摻燒比例的提升，磨煤機(jī)出口溫度下降較為明顯，干燥明顯不足。從其他指標(biāo)的專家評(píng)分結(jié)果來(lái)看，均較好。

4.3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)判別

純燒煙煤時(shí)，鍋爐效率為94.35%，非汽輪機(jī)側(cè)廠用電率為2.85%。表9給出了不同褐煤摻燒比例下鍋爐效率及廠用電率的絕對(duì)變化值。

表9 不同工況下的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.9 Economic indicators under different working conditions %

配煤摻燒的收益等于燃料成本降低的收益減去鍋爐效率降低的收益以及廠用電率增加的收益部分。如圖2所示，ΔF為未將廠用電率加權(quán)，即實(shí)際電廠的經(jīng)濟(jì)收益，隨著褐煤摻燒比例的提升，實(shí)際收益不斷增加。ΔF′則是考慮廠用電率所占權(quán)重以后得到的收益，最大收益對(duì)應(yīng)的褐煤摻燒比例為20%，可見(jiàn)并非摻燒比例越高越好，這也恰恰體現(xiàn)了引入專家權(quán)重分析的價(jià)值。

圖2 配煤摻燒收益圖Fig.2 Incomes vs. blending ratio

5 結(jié) 論

(1) 在配煤摻燒的價(jià)值評(píng)價(jià)中，引入信度分析理論及層次分析法能夠有效解決經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性多指標(biāo)難以統(tǒng)一評(píng)價(jià)的問(wèn)題，并能夠根據(jù)每個(gè)專家的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的評(píng)價(jià)，有利于根據(jù)每個(gè)電廠的實(shí)際情況，對(duì)相應(yīng)側(cè)重的指標(biāo)進(jìn)行有效分析。

(2) 摻燒經(jīng)濟(jì)煤種后，隨著摻燒比例的提升，電廠獲得的直接經(jīng)濟(jì)收益增加，即運(yùn)行中應(yīng)盡量摻燒經(jīng)濟(jì)煤種，但是考慮到環(huán)保指標(biāo)、安全指標(biāo)及廠用電率評(píng)價(jià)指標(biāo)等多層級(jí)評(píng)價(jià)后，最大收益會(huì)發(fā)生變化。因此，應(yīng)跟據(jù)每個(gè)電廠的實(shí)際情況制定合理的摻燒策略。