评价电站锅炉能源效率的模糊综合评判方法研究

第 4 5卷第 6期 2 0 1 4年 l 1月 锅 炉 技 术 B OI LE R TECHNOL0GY V0 l _ 4 5。NO 6 NO V ，2 0 1 4 评价 电站锅炉 能源效 率的模糊综合评判 方法研 究 刘 京 ，宋 磊 ，何成兵 ( 1 国核软件技术 中心 ，北京 1 0 2 2 0 9 ； 2 华北 电力大学 设备状态监测与故障诊断研究所 ，北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘 要 ： 通过对 锅炉能源效率影响因素的分析 ， 建立 了电站锅炉能效评价 指标体系 ， 提 出了一种较为客 观全 面的评价方法模糊综合评判法 ， 并给出了模糊 综合评判模型 。不 仅考虑到锅炉 系统 的燃料设 备等运行 不 可控 因素和运行可调整 因素 ， 还要考虑蒸 汽品质对 汽轮机及 发电煤耗的影 响因素。依据模糊数 学原理建立各 指标 的隶属 函数 ， 利用模糊综合评判对锅炉能源效率水平进行了综合评估 。 关键词 ： 能源效率水平 ；电站锅炉 ；模糊评 判 中图分 类号i T K2 2 9 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 2 6 0 6 0 前 言 能效 ， 即能源效率 。在 1 9 9 5年 出版的 应用 高技 术提 高能 效 中， 世 界能 源 委员 会 把 “ 能 源 效 率” 定义 为 ： 减 少提 供 同 等能 源 服务 的能 源 投 入 。 按照 物理 学 的观点 ， 能 源 效率 是 指 在 利用 能 源 的 各项 活动 ( 从 开采 到终 端 利 用 ) 中 ， 有 效利 用 的能 源量 与实 际消 费 的能源量 之 比_ 1 。 锅炉 作为 火力发 电厂 三 大 主机 之 一 ， 有 着 举 足轻 重 的地位 ， 也 消耗 着 大 量 的能 源 。它 的作 用 是燃 料燃 烧加 热工 质 ， 源 源不 断 地 为 汽 轮机 提 供 所需 要 的蒸 汽 ， 这 些 蒸 汽 在 汽 轮 机 里 膨 胀 做 功 ， 推动 汽轮 机转 子旋 转 ， 进 而 带 动发 电机 发 电。 因 此 ， 锅炉 系统 的能 源效 率 状况 对 整 个 机组 的运 行 经济 性有 很大 的影 响 ， 蒸 汽 品质 也 关 系 到汽 轮 机 效率 和发 电煤 耗 。 在锅 炉系 统 的能源 效 率 评 价方 面 ， 当前 运 用 的能源利用效率 主要指标 是热效率指标 和炯 效率 指标 。而 在 建 立 能 源 效 率 评 价 指标 体 系 时 大多 是 以热效 率 为主 要 指标 ， 反 映 了 能 量 的数 量 方 面能源 利用 情况 ， 而 炯 综合 了能 量 的量 与质 两 个方面来 反映能量利用情况。可 以科 学完善 的 评价 电站 锅 炉 的 能量 利 用 情 况 和 热 力 学 完 善 程 度。所以本文采用煳指标来作为主要评价指标。 研究 锅炉 系统 的 能效 问题 ， 不 仅 要 考 虑其 热 力系统能量利用情况 ， 还要综合考虑其他各项指 标 ， 以使 得锅 炉 系统能 够进 行统 一评 比。 本 文将 运用模 糊 综合 评 判 的方 法 ， 将 煳 指 标 引入电站锅炉能源效率评价指标体系之 中， 同时 考 虑设 备 、 系 统 等 影 响能 效 的 运 行 不 可 控 指 标 、 锅 炉运 行 小 指 标 和 直 接 影 响 汽 轮 机 运 行 和 发 电 煤 耗 的指标 。 1 影响评价锅炉能源效率水平的指标分析 1 1炯分析 指标 焖 ， 是环 境 条件 下 能量 中理论 上 能够 转 变 为 有 用功 的那 部 分 能 量 ， 煳 又 称 为 有 效 能 ， 表 示 了 能 量转 变 为 功 的能 力 和理 论 上 的 有 用 程 度 。因 此可以用炯来评价能量 的质量 或级位 。引用 炯 的概念 可 以 从 能 级 或 能 质 上 评 价 某 一 能量 或 者 用 能 系统 的 转 换 过 程 。采 用 炯 分 析 方 法 比热 平 衡 分析 方 法 更 能 全 面 地 反 映 电站 锅 炉 的各 种 损 失 以及 产 生 的 部 位 。本 文 考 虑 的 焖 分 析 指标 有 媚效率 、 内部炯损失系数包括燃烧炯损 系数和传 热 焖损 系数 、 外 部煳 损 失 系数 包 括 排 烟炯 损 系 数 和散 热煳 损 系 数 。这些 指标 能 够 科 学 的 反 映 系 统 有用 能利 用程 度及 各项损 失 分布情 况 。 ( 1 )锅炉煳 效 率_ 5 锅炉焖效率是指锅 炉本 体或某个受 热面收 益炯 和支付 炯之 比。 一E E ( 1 ) 整 台锅 炉 的炯效 率 可表示 为 ： 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 83 O 作者简介 ： 刘京 ( 1 9 8 7一 ) ， 女 ， 助理科研员 ， 主要从事核电仿真模拟机 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘京 ， 等 ： 评价电站锅炉能源效率的模糊综合评判方法研究 2 7 。 一 D ( g ” 一g g s ) +D ( e 一e 。 ) ( Be ) ( 2 ) 式 中 ： D 过热 蒸汽 流量 ， t h ； e t t gr一一 过热蒸 汽 比焖 ， k J k g ； e 。 给水 比炯 ， k J k g ； D 一 再 热蒸 汽 流量 ， t h ； e ” 再热 器 出 口蒸 汽 比烟 ，k J k g ； e 。 再热器 人 口蒸 汽 比煳 ，k J k g ； B 燃料 消耗 量 ， t h ； e 燃料 比堋 ， k J k g 。 ( 2 )炯损系数 5 炯损系数是指局部炯 损失 占支付煳 的比值 ， 反映了局部有用能的损失率 。煳 效率 与所 有局 部炯 损 系数 之和 为 1 。炯 损 系数 能 够反 映 锅炉 各 项 损失 分布 情况 。 1 2 燃 料水 平 水 分 是煤 中不 可 燃成 分 ， 在 燃 烧 过 程 中水 分 被蒸发 汽 化 ， 需 要 消 耗更 多 的 热 能 ， 用 于 发 电 的 有效热 量 及 低 位 发 热 量 减 少 ， 致 使 炉 内温 度 下 降 ， 煤 粉着 火 困难 ， 燃 烧 损 失 增 加 。水 分 含 量 越 大， 燃烧产生的烟气体积越大 ， 排烟炯损失越大 ， 水分应 被 控制在 一定 范 围 内。 煤 中灰 分 越 高 ， 可 燃 成 分 相 对 减 少 ， 用 于 加 热灰分 的 热 量 消 耗 随 之 增 加 ， 故 使 燃 烧 温 度 下 降 ， 燃烧稳定性较差， 而且燃烧后 的灰分将在 锅 炉受 热 面上积 灰 。锅 炉尾 部 受 热 面 的积 灰 ， 又会 导致 排 烟温度 升高 而降低 能 源效率 水平 。 煤 的发热 量低 于 锅炉 设 计 指 标 ， 则 炉 内温 度 水平下降， 不 利于煤的着火和燃尽 ， 从而影 响炯 效率 。 1 3 设 备水 平 漏 风 系 数 是 指 漏 入 空 气 的 质量 占系 统 烟 气 质 量 的 比值 。漏 入 的空 气 大 幅度 地 降 低 烟 气焓 ， 使传热温差变小 ， 从而传热性能变差 。 锅炉保温材料性能及完整度直接影响锅炉的 散 热烟 损失 ， 对 锅炉能源效 率水平有一定 的影 响。 1 4运 行指 标 排烟温度是锅炉运行 中可控制的一个综合 性指标 ， 它体现 了锅炉燃烧 时通风量是 否合理。 如果通风量不合适 ， 则 炉膛 温度偏低 ， 炉膛介质 吸热呈 4次方减少 ， 则排 烟温度升高 ， 降低 了锅 炉运行 经济 性 ， 浪 费燃 料 ； 当排 烟温 度 低 于 露 点 ， 则空气预热器低温段将发生结露、 堵灰、 腐蚀 ， 以 致造成设备损坏 。 锅炉含氧量高 ， 排 烟烟气量增 多 ， 排烟温度 也逐渐升高而锅炉烟效率逐渐降低。 飞 灰含碳 量 是 指 飞灰 中碳 的 质 量 占 飞灰 质 量 的百 分 比。它关 系到 机 械未 完 全 燃 烧损 失 ， 同 时影 响 锅 炉炯 效 率 。煤 粉 锅 炉 的 飞 灰 含 碳 量 一 般控制在 4 以下， 流化床锅炉的飞灰含碳量一 般 控制 在 7 以下 。 煤 粉 细 度 是 一 个 主要 指 标 ， 煤 粉 过 粗 ， 增 加 不 完全 燃 烧 损 失 ， 煤 粉 过 细 ，增 加 磨 煤 机 电 流 。 最经济 的煤粉细度应 通过试验来确定 。电力部 门对煤粉细度的推荐值 6 为： 无 烟煤 ： R。 。 一5 6 ( d a I ： A 一 m 1 1 ， A 一 1 ( 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ， A 驰 一 1 ( 1 ， 2 ， j = 1 = 1 3， 4； 一 1， ， )。 图 1 电站锅炉能效评价指标体系 2 2 评判模 型 隶属 度 函数 p ( ) 的确定 隶属度 函数_ 8 的确定是模糊综合评判重要 的环 节 ， 将 各 因素 最优 值 时 隶 属 度 一1 ， 最 差 值 时隶属度 一0 。对于不同的因素集 ， 隶属度函数 也不 相 同 。 ( 1 )媚效 率指 标隶 属度 函数 的确定 由于炯 效 率 因 素 直 接 关 系 到 锅 炉 热 力 系 统 能源利用效率 ， 且取值越大 ， 能源效率水平越高， 隶属 度 函数 取 半 梯 形 形 式 ， 即 ： ， 函 数 形 式 为 ： 0 9 2 x o 0 9 2 x (3) 1一 1 O8 1，I 1 11z 1 l z11z 1 J o o O 5 x (4) o5z 2Jz12 05z 2J，I z12 12，1O5z 2f 1 z 1 2 J 式 中， X ( 一 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) 分 别 为 实 际运 行 燃 烧 、 传 热 、 排 烟 、 散 热 炯 损 系 数 ， a 。 ， ， b 一 1 O 5 ， ， z ? ， ( 一1 ， 2 ， 3 ， 4 ) 取 由设 计 数 据 计 算 出 的燃烧 、 传热 、 排烟、 散热煳损系数。 ( 3 )燃 料设 备指 标隶 属度 函数 燃 料设 备指 标隶 属 度 函数均 采 用 梯 形 分 布 ， + 即： L ， 以 烟煤 为例： 煤的低位发热量隶属度函数为 ： 式 中 1 1 为实际炯效率 ， n 一0 9 5 z 1 ， b x o 1 ， 科 数的确定 c ， 一 ( 2 )炯损系数指标隶属度函数的确定 煳损系数隶属度 函数取偏 小型半梯形隶 属 度 函 数 ， 即 ： t = ， 它 们 的 函 数 形 式 为 ： 0， 2 1 1 0 8 z 1 2 l 1 0 8 x 1 1 o 1 5 x l l ， 0 8 1 1 z2 1 1 O 9 5 x 1 1 1， 0 9 5 1 1 z2 l 1 1 O 5 1 1 1 2 x l 】 一z2 l 1 o 1 5 x o l 1 ， 1 O 5 x 1 1 z2 1 1 1 2 z 2 1 1 0， 2 1 1 1 2 1 1 ( 5) ， ， ( l I l 、， z ， O z 1 ， ， 、 L l 1 ) ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘京 ， 等 ： 评价 电站锅炉能源效率 的模糊综合评判方法研 究 2 9 入炉煤水分隶属度函数为 ： ( 1 2 J ) 一 0 ， z 2 1 O 9 z 1 z 2 1 一0 9 x 7 l o 0 7 X 1 ， 0 9 x 1 2 1 0 97 x 1 J 1 ， 0 9 7 o 1 z 2 1 1 0 3 x 1 J 1 1 x 1 iX 2 1 o O 7 x 7 1 ， 1 0 o z 2 l 1 1 z 2 1 0 ， 2 1 ， 1 1 x 7 1 式 中 ， z 。 。 、 z 。 为 飞 灰 含 碳 量 的 实 际 值 ， 设 计 值 。 送 风机 入 口温 度 隶 属 度 函 数 采 用 偏 大 型 半 梯 形分 布 ， 即 ( 6) 。 式 中 ， 川 、 z z ( = 2 ， 3 ) 为 人 炉 煤 低 位 发 热 量 、 水分 、 灰分 的实际值 ， z 2 、 z ! ( 一2 ， 3 ) 为设 计煤种低位发热量、 水分 、 灰分的设计值。 漏 风 系数 隶 属 度 函数 均 采 用 偏 小 型 半 梯 形 分 布 ， 即 E l ( 2 z J ) 一 I 1 o o 3 x 7 0 8 x z l x z z J z 2 2 f 2 f ， l 2 2 J 1 2 I 2 2 1 1 z 2 J 式 中 ， 。 。 ， ( 一1 ， 2 ， 3 ) 为 炉膛 漏 风 系数 、 空 气 预热器漏风系数 、 尾部 烟道漏 风系数 的实 际值， ( 一 1 ， 2 ， 3 ) 为 炉膛 漏 风 系数 、 空 气 预 热 器 漏 风 系 数 、 尾 部 烟 道 漏 风 系 数 的 推 荐 值 0 0 5 、 0 0 8、 0 0 3 。 ( 4 )运行水 平 指标 锅 炉含 氧量 、 排 烟温 度 和 煤 粉 细度 的隶 属 度 + 函 数 采用 梯形 分布， 即： I g ( 3 J )一 0 ， 3 0 8 5 x 3 c | -0 8 5 x o 1 3 x l ， 0 8 5 x 3 0 98 x J 1， 0 9 8 x z3 1 o 2 1 1 5 x J z 3 i o 1 3 x i ， 1 0 2 x s x3 j 1 1 5 x J 0 ， z 3 ， 1 1 5 x ( 8) 式 中， z 。 ( 一1 ， 2 ， 4 ) 为锅炉 含氧量、 排烟温 度 和煤 粉细 度 的实 际值 ， z ： ( 一 1 ， 2 ， 4 ) 为 它们 的 设 计值 。 飞灰含碳量 的隶属度 函数采用偏小 型半梯 形分布， 即： f 1 ， 3 3 O 8 z 1 c 。 。 一 2。x8z-：。x 。0。4x 2,z2。 c9 【 0 ， z 3 3 1 2 x 3 J f 0 ( ) 一 l I 1 0 8 5 x o o 0 8 5 x “ (10) 5一 5 15z 5，1 5z35z 5 l 35 5 J 式 中， z 。 、 为 送 风 机 人 口温 度 的实 际值 ， 设计值 。 ( 5 )煤耗影 响 因素隶 属度 函数 的确 定 主蒸汽 温度 、 主蒸 汽压 力 及 再 热蒸 汽 温 度 的 隶属度函数采用梯形分布 ， 即 ： 主蒸 汽 温 度 、 再 热 蒸 汽 温 度 的隶 属 度 函 数 为 ： s( x 4 J ) 一 0 ， X 4 0 9 3 x 4 一 0 9 3 x i o O 6 x i ， 0 9 3 z 0J z 4 o 9 9 z 1， 0 9 9 x z4 J 1 O l x 4 1 0 7 x i -X J o 0 6 x i ， 1 O o J z4 1 O7 x 0， 4 f 1 O 7 x f 主蒸汽 压力 隶属 度 函数为 ： 2 ( x 4 j ) 一 0 ， z 4 0 9 x z 4 i 一0 9 x J 0 0 7 x i ， 0 9 x 4 O 9 7 x 1 ， 0 9 7 x 7 z 4 1 0 3 x 1 1 x i z 4 i o 0 7 x i ， 1 o 3 x 4 1 1 z 0， z 4 ， 1 1 x ( 1 1) ( 1 2 ) 式 中 ， z ， 、 ( 一1 ， 2 ， 3 ) 分别 为 主蒸 汽压力 、 主蒸汽温度 、 再热蒸汽温度的实际值和设计值 。 再热 器减温 水 量隶 属函 数为 E = = f 1 ， z ： 4 1 c z t 一 。zlX 4-zX 440 1 X ：4 c 3 l 0 ， 4 4 1 1 x 4 J 式 中， z 、 为再热器减温水 量的实际值和 运行最好值 。 2 3 各 因素权 重确定 方 法 对评价对象而言 ，各个因素在总评价因素 中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 锅 炉 技术 第 4 5 卷 所 起作 用 的大小 是不 一 样 的 ， 为 了反 映各 个 因 素 的重要 程度 ， 对 每个 因素赋 予 一个 权 重 系 数 A ， 各个权系数所组成的集合 A一( A 、 A 、 、 A ) 称 为 因素权重 集 ， 简称 权重 集 。权重 系数 必须 满 足 归一化条件： A 一1 。确定权重常用的方法 i -= 1 有层 次分 析 法 、 主 观 赋 权 法 、 客 观 赋 权 法 等 。下 文将 给 出一种 较合 理 的权 重集 。 2 4 模糊 综合 评判 模型 根据图 1中各层结构和对各指标 的分析 ， 其 模糊 综合 评判 模型 为 ： X=A oX oA oX oA。 oX。 A oX X1 一A1 1 X1 1 Al 2 Xl 2 X2 一A2 1 oX2 l A2 2 oX2 2 X。 一A。 1 X。 1 A。 2 X。 2 A。 。 oX。 。 oA 。 oX。 A。 X3 X 一A l X l A 2 X 2 A 。 X 。 A X X 。 一A X A X 0A X 0A X X2 1 一A2 1 l oX2 l 1 A2 1 2 oXz 1 2 oA 2 1 3 X2 1 3 X2 2 一A2 2 1 oX2 2 1 A2 2 2 X2 2 2 oA2 2 3 X2 2 3 其中 ， 、 分别为模糊加法和模糊乘 法 的 运 算 符 。 当测 量 获 得 实 际 值 时 ， 采 用 上 述 的 隶 属 度 函 数 求 取 隶 属 度 后 ， 则 综 合 评 判 即 为 式 ( 1 4 ) ： 4 5 ( ) 一 A z ( 1 4 ) 1 1 规定 ： 当 ( z ) O 8 5 ， 评 价为优 秀 ； 当 0 7 ( z ) 0 8 5 ， 评 价为 良好 ； 当 0 5 5 ( ) d0 7 ， 评价为合格 ； 当 ( Iz ) d0 5 5 ， 评 价为不 良 。 3电站 锅炉 能 源效 率模 糊 综合 评判 方 法 的应用 针 对某 3 0 0 MW 亚 临界 自然 循 环 锅 炉 用 本 方 法进 行 能 源 效 率 评 价 。本 锅 炉 是 由东 方 锅 炉 股 份有 限公 司 制 造 的 ， D G1 0 2 5 1 7 5 一I I 4型 ， 一 次 中 间再热 、 平衡 通 风 、 自然 循 环 汽 包 炉 、 四角 切 圆燃烧 、 直 吹式制 粉 系统 、 单 炉膛 型露 天 布置 、 全 钢架 、 全悬 吊结 构 、 固态排 渣煤 粉炉 。 表 1中列 出 了其 在 额 定 工 况 ( B R L) 下 运 行 参 数及 计算 出 的能 源效 率 分 析结 果 ， 每 一 因素 后 边或下边小括号 内的数字为该 因素集 的模糊 综 合 加权 系数 。 从 表 1计 算 值 可 以看 出 ， 锅 炉 的 综 合 能 源 效率 水 平 得 分 为 ： 0 7 9 ， 良好 ； 燃 料 指 标 偏 离 设 计值 ， 使 得 燃 烧 焖 损 系 数 、 排 烟 温 度 等 指 标 较 差。在各单项评 价 中， 热力 系统 能源利 用效 率 良好 ， 燃料 设备水 平一般 ， 运行 水平 良好 ， 煤耗 影 响 因素优 秀 。 表 1 额 定 工况 ( B R L ) 下运行 参数 及 计算 出 的能效分 析 结果 低热值( O 5 5 ) 水 分 ( O 1 5 ) 灰 分 ( o 3 ) 空气预热器 ( O 3 ) 炉 膛 ( o 4 ) 尾 部 烟 道 ( 0 3 ) ” 2 7 ) 风 ) 料 标 漏 数 燃 指 备 系 c ； 没 ) 料 备 平 燃 设 水 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 刘京 ， 等 ： 评价 电站锅炉能源效率 的模糊综合评 判方法研 究 3 1 4 结 语 本文结合火 电厂锅炉的能源效 率指标 ， 基于 模 糊综 合 评 价 法 对 电厂 锅 炉 能 源 效 率 状 态 进 行 评 价 ， 对评 价 因素 集 进 行 分 析 ， 建 立 以炯 分 析 为 基础的火电厂锅炉能源效率评估 的指标体系 ， 最 后基于模糊综合评价法对 电厂 锅炉能源效率进 行科学评价 。通过能源效率评估 ， 可以了解 电厂 锅 炉机 组 的能源 利 用 水平 和 燃 料设 备 、 运 行 操 作 及对煤耗的影响水平 ， 促使电厂锅炉对能源利用 率低的环节进行技术改造 ， 从 而提高 电厂的能源 利用率和经济效 益。为 电厂锅 炉能源效率评价 提供 了新 的思路 ， 对 电厂 能 源效 率 管 理 工作 具 有 积极 的意 义 。 参考 文献 ： 1 P a t t e r s o n M G Wh a t i s E n e r g y E f f i c i e n c y ?Co n c e p t s ， I n d i c a t o r s a n d Me t h 0 d 0 l o g i c a l I s s u e s J E n e r g y P o l i c y ， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 5 ) ： 3 7 7 3 9 0 2 王庆一能源 效率及 相关 政策 和技术 J 2 0 0 2( 6 )： 1 1 0 3 郑江绥 能源效 率及 其测 度指 标体 系研究 ( 8 )： 1 1 1 3 应用 能 源技术 J 求索 ， 2 0 1 0 4 李永华 ，孙刚 ， 仇元刚 ， 侯淑娟 电站锅炉的炯效率分析 J 锅炉技术 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 5 ) ： 2 7 3 0 5 GB T 1 4 9 0 9 -2 0 0 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i v e r s i t y，Be ij i n g 1 0 2 2 0 6，Ch i n a ) Ab s t r a ct ： By a na l y s i ng t he ut i l i t y b oi l e rS e ne r gy e f f i c i e n c y f a c t or s， t he e ne r gy e f f i c i e nc y e