可拓物元評價方法在電站鍋爐燃煤結渣特性評價中的應用

雷海霞，盧緒祥，趙曉晨，程 波，蔡志遠

（1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114；2.大唐華銀株洲發電有限公司，湖南 株洲 412005）

0 引言

長期以來，火電在我國電力行業中處于支柱地位[1]，其中絕大多數火電廠所用的燃料是煤.鍋爐結渣現象是燃煤電站中常見的、難以解決的問題[2].鍋爐結渣嚴重影響著電廠的安全生產，怎樣才能準確的評價電站鍋爐燃煤結渣程度是燃煤電站必須要解決的重大課題之一[3].

目前在電站鍋爐燃煤結渣特性研究中所用的評價方法有單一評價指標法和多指標評價方法.常用的單一評價指標有軟化溫度、堿酸比、硅比、硅鋁比、無因次爐膛實際切圓直徑與無因次爐膛平均溫度等.國外也有學者研究混煤的結渣特性，但目前所用的研究方法也不能提供精確的預測結果[4].前人研究發現在諸多判別燃煤鍋爐結渣的指標中，沒有任何一個單一的評價指標能夠完全預測鍋爐結渣傾向[5]，單一評價指標存在準確率較低的缺點.因此，越來越多的學者開始采用多指標方法.目前已有學者研究過的多指標評價方法有模糊數學法、人工神經網絡、綜合指數判別法、模式識別法等[6].由于爐內復雜的物理、化學反應和空氣動力場，目前所采用的預測方法均準確性不高.因此，尋求更合理的評價模型是非常必要的.

本文采用可拓物元評價方法對鍋爐結渣特性進行綜合評價.1983年，一篇題為《可拓集合和不相容問題》的科技論文由中國學者蔡文教授在《科學探索》期刊正式發表，標志著可拓學的誕生[7].可拓物元評價方法可以對所評價的對象考慮定量和定性兩方面的因素.因此，通過建立可拓物元模型可以對電站燃煤結渣特性問題同時進行定量和定性分析與評價，對鍋爐設計人員能夠提供理論幫助，運行人員可通過評價程序預測結渣程度，及時采取相應措施預防或減小鍋爐結渣程度.本文選題方向較為新穎，根據可拓學在其它領域的應用[7-10]，創造性地將可拓學中的相關知識與方法融入電站鍋爐燃煤結渣特性研究中.在可拓物元評價方法中，權重系數的確定非常關鍵，直接影響著評價結果.因此，本文中采用了三種不同的方法來確定權重系數，再通過評價軟件計算出評價結果，并與實際結果進行比較，統計正確率，并選用正確率最高的方法推廣到實際應用中去.

1 電站鍋爐燃煤結渣特性可拓物元評價模型的建立

1.1 可拓評價方法及流程

電站鍋爐燃煤結渣狀況是一個比較復雜的問題，利用可拓物元理論相關知識建立電站鍋爐燃煤結渣特性評價模型，并以定量的數值表示出評價結果，可知道電站燃煤結渣的程度.基于可拓物元法進行燃煤特性的綜合評價研究的可拓評價法及流程如圖1所示.

圖1 可拓評價方法流程圖

1.2 電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標體系

通過閱讀文獻資料[5，7，11-13]，從煤灰的成分特性中選擇出堿酸比B/A、硅比G、硅鋁比SiO2/Al2O3作為評價指標，從煤灰物理特性中選擇出軟化溫度ST作為評價指標，從鍋爐運行參數的變化中選擇無因次爐膛實際切圓直徑φd、無因次爐膛平均溫度φt作為評價指標.建立的電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標體系如表1所示.本文利用此評價指標體系建立電站鍋爐燃煤結渣特性的物元模型并對其進行可拓評價.

表1 電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標體系

1.3 評價電站鍋爐燃煤結渣特性的物元

1.3.1 電站鍋爐燃煤結渣程度的物元模型

根據表1建立的電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標體系，可用下列式（1）中的m維物元來描述電站鍋爐燃煤結渣的程度[9].

式中，R—電站鍋爐燃煤結渣程度物元；N—電站鍋爐燃煤結渣程度等級；c—電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標；v—電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標的量值.

1.3.2 確定電站鍋爐燃煤結渣程度的經典域

結合表1中各指標在各等級的數值區間及可拓物元建模理論，分別建立電站鍋爐燃煤結渣程度等級的可拓物元評價經典域，其中：

1.3.3 確定電站鍋爐燃煤結渣程度的節域

結合表1中各指標從“輕微”到“嚴重”的數值區間，建立電站鍋爐燃煤結渣程度的節域，即特征物元Rp，可表示為：

1.3.4 確定待評價物元

由評價對象的特征構成的物元稱之為待評價物元，可表示為公式（6）[9]：

式中，N0—待評價對象；ci—待評價對象評價指標（i＝1，2，…，m）；vi—為 N0關于 ci的量值（i＝1，2，…，m）.

1.3.5 建立關聯函數

利用可拓物元評價方法對研究對象進行評價時，為了確定該研究對象符合哪一程度的量值，或者說是更接近哪一程度，需要進行計算.電站鍋爐燃煤結渣特性評價指標關于各評價等級的關聯函數的計算見公式（7）[10]：

式中：ρ（vi，voji）—待評物元到各經典域的距；ρ（vi，voji）—待評物元到節域的距；（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，m）.若ρ（vi，voji）≥0，則表示vi不在區間voji內；若ρ（vi，voji）≤0，則表vi在區間voji內，且不同的負值表示不同的距離.Kji（vi）—待評物元與電站鍋爐燃煤結渣程度的關聯函數；—經典域的量值大小.

1.3.6 確定權重系數

權重系數的分配直接影響著評價結果，本課題分別采用三種確定權重系數的方法，再通過評價結果準確率統計，確定最終方案.

（1）根據專家置信度確定權重

專家置信度確定權重是請幾位從事電站鍋爐燃煤結渣特性研究的專家根據自身專業知識和現場實踐經驗進行認真對比打分，同時引用合適的標度數值進行定量描述[14].表2的各評價指標的置信度和權重系數來源于文獻[11].

表2 各評價指標的置信度和權重

其中：

于是得出權重向量為：wj＝（0.206，0.171，0.151，0.166，0.125，0.181）.

（2）通過熵權法確定權重

熵權法確定權重系數的步驟如圖2所示.

圖2 熵權法確定權重系數的流程

根據評價對象與熵權法確定權重系數的步驟確定的權重系數如表3所示.

表3 熵權法確定的權重系數

（3）通過專家置信度與熵權法相結合的方法確定權重

專家置信度和熵權法綜合權重可由公式（11）計算[15]得出：

式中，α和β應當滿足α＋β＝1，本文選取α＝β＝0.5，即認為專家置信度和熵權法同等重要[15]；wj為根據專家置信度所確定的權重系數，為根據熵權法確定的權重系數.

根據表2與表3由公式（11）計算所得的專家置信度與熵權法相結合的權重系數見表4.

表4 專家置信度與熵權法相結合確定的權重系數

1.3.7 電站鍋爐燃煤結渣程度關于各等級的關聯度

各指標的關聯度計算公式見式（12）[10]：

式中，wi—為指標ci權重分配系數；kji（vi）—關聯函數；Kj（N）—關聯度.

1.3.8 計算電站鍋爐燃煤結渣程度評價等級的特征值

根據公式（12）計算得到的評價指標關聯度值進行處理，使得各評價指標的關聯度值均處于[-1，1]，以利于對電站鍋爐燃煤結渣程度進行評價.計算公式見式（13）[9].

式中，kmax＝max（kj）（j＝1，2，3）；kmin＝min（kj）（j＝1，2，3）.

1.3.9 確定電站鍋爐燃煤結渣程度的評價等級

在求得電站鍋爐燃煤結渣程度N關于各評價等級的關聯度Kj（N）后，根據最大關聯度原則[9]進行評價等級確定，計算公式見式（14）[10]：

根據公式（14）可判定待評價電站鍋爐燃煤結渣程度N屬于哪種程度，而kjo（N）的數值大小及相互關系則可定量地反應評價單元的好壞及其屬于哪種評價等級[10].

2 評價應用程序的實現及應用檢驗

2.1 評價應用程序的實現

電站鍋爐燃煤結渣特性評價應用程序分為3部分，分別為主程序代碼、用戶界面設計程序代碼與用戶界面功能實現代碼，利用MATLAB軟件進行程序設計.評價應用程序設計步驟如圖3所示.

圖3 電站鍋爐燃煤結渣特性評價應用實現程序流程圖

圖4為用戶評價界面圖，圖5為利用工程實踐中的實例對電站鍋爐燃煤結渣特性評價應用程序進行驗證的評價結果顯示圖.在該評價實例中軟化溫度ST為1 190℃，堿酸比B/A為0.469，硅鋁比SiO2/Al2O3為3.2，硅比G為63.8，無因次爐膛實際切圓直徑φd為0.095，無因次爐膛最高溫度φt為1.310，實際結渣程度為嚴重.根據圖5可看出評價結果與實際結渣情況相符.

圖4 用戶評價界面圖

圖5 評價結果顯示圖

2.2 評價程序應用檢驗

總共評價了61組工程實踐中的實例（篇幅所限，未全部列出），表5為部分實例及其評價結果.

表5 部分實例及其評價結果

根據61組實例的評價結果準確率統計如表6所示.

表6 三種不同權重確定方法評價結果準確率統計

3 結論

提出的基于物元模型和可拓關聯函數為基礎的電站鍋爐燃煤結渣特性評價模型和方法，研究表明：

（1）三種權重系數確定方法中，采用主觀賦權法確定的權重系數所編制的評價應用程序準確率為81.97%，采用客觀賦權法與主客觀賦權法確定的權重系數所編制的評價應用程序準確率均為73.77%.因此，最終采用主觀賦權法確定權重系數.

（2）與單一評價指標（煤灰軟化溫度的準確率為65%，煤灰開始變形溫度的準確率為43%）[5]評價的準確率相比，該評價模型準確率有所提高，同時也為電站鍋爐燃煤結渣特性的評價提供了一種新的途徑.