用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)電廠鍋爐結(jié)渣特性的研究

　中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)電廠鍋爐結(jié)渣特性的研究張忠孝（上海理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院，上海200093）性的研究成果。它是由煤質(zhì)特性的4個(gè)指數(shù)、局部過(guò)量空氣系數(shù)、爐膛實(shí)際切圓直徑、爐內(nèi)燃燒平均溫度， 7個(gè)變、ats）組成一個(gè)集合，結(jié)渣情況按嚴(yán)重、中等、輕微3個(gè)等級(jí)并組成一個(gè)評(píng)價(jià)集合，在此基礎(chǔ)上建立了模糊數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型。對(duì)22臺(tái)200 MW、300 MW機(jī)組鍋爐結(jié)渣程度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性達(dá)到了86 .

　　1引言鍋爐輻射受熱面結(jié)渣是指水冷壁，高溫屏式過(guò)熱器管子上粘敷著大量熔融狀態(tài)的灰渣，它使鍋爐傳熱不良，燃燒工況惡化，嚴(yán)重時(shí)大塊焦渣同時(shí)落下砸壞冷灰斗被迫停爐甚至可能造成人身傷亡。鍋爐輻射受熱面結(jié)渣因素很多。首先是煤特性，在過(guò)去，一般地認(rèn)為灰熔點(diǎn)t 1 350℃煤種容易結(jié)渣。

　　在設(shè)計(jì)上一般可用液態(tài)排渣方式，若用固態(tài)排渣，則必須選用較低的爐膛容積熱負(fù)荷和斷面熱負(fù)荷，爐膛出口溫度要低于灰渣初始變形溫度50～100℃）來(lái)保證灰渣不在過(guò)熱器上結(jié)渣。事實(shí)上，靠灰熔點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)鍋爐仍然會(huì)發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。美國(guó)EPRI對(duì)130臺(tái)300 MW以上容量鍋爐調(diào)研結(jié)果表明：灰熔點(diǎn)型和灰成份型的結(jié)渣指數(shù)預(yù)報(bào)鍋爐結(jié)渣性能只有60 的可信度。我們?cè)�用�?guó)際上通常使用的結(jié)渣指數(shù)對(duì)24個(gè)電廠的50多臺(tái)鍋爐的灰熔點(diǎn)型結(jié)渣指數(shù)和灰成份型結(jié)渣指數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況做對(duì)照研究，其結(jié)果：灰熔點(diǎn)型結(jié)渣指數(shù)只有50 ～60 的分辨率，而灰成份型結(jié)渣指數(shù)只有20 ～40 的分辨率。顯然，繼續(xù)沿用這些結(jié)渣指數(shù)指導(dǎo)鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是十分危險(xiǎn)的。由此我們引入了最優(yōu)分割數(shù)學(xué)模型對(duì)各種結(jié)渣指數(shù)進(jìn)行了研究，給出了最優(yōu)分割結(jié)渣指數(shù)，使其分辨率達(dá)到了65 ～70 西安熱工研究院又把鍋爐的容積熱負(fù)荷和斷面熱負(fù)荷同結(jié)渣指數(shù)聯(lián)系，用多元回歸方程來(lái)計(jì)算極限容積熱負(fù)荷和斷面熱負(fù)荷。盡管如此，人們還是無(wú)法把鍋爐的運(yùn)行因素考慮到鍋爐結(jié)渣預(yù)報(bào)之中。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)的迅速發(fā)展，特別是模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，為本項(xiàng)研究提供了新的方法。本文介紹應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法研究煤質(zhì)特性、熱力參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和鍋爐結(jié)渣的相關(guān)性，建立了新的預(yù)報(bào)模型。

　　2煤粉鍋爐結(jié)渣模糊數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型煤粉鍋爐結(jié)渣是一個(gè)非常模糊的概念。所謂嚴(yán)重、中等、輕微等級(jí)結(jié)渣是一個(gè)沒(méi)有嚴(yán)格定義的判斷，只是一種經(jīng)驗(yàn)，是感性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。本文提出的結(jié)渣模糊數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型，主要思路如下：煤粉爐結(jié)渣主要受4方面因素影響：煤質(zhì)特性、鍋爐的燃燒溫度、流場(chǎng)、局部氣氛。其中，煤質(zhì)特性包括軟化溫度）、堿酸比（J）、硅鋁比（SiO個(gè)變量的定義如下：為煤灰熔點(diǎn)，℃為煤灰中二氧化硅和三氧化二鋁百分含量比（5）燃燒溫度采用爐膛平均溫度式中B為煤耗量，t/h Q為煤的低位熱值，kcal/kg a ，b為爐膛深和寬，m η為次風(fēng)層數(shù)C為一次風(fēng)間距，m ζ為衛(wèi)燃帶修正系數(shù)。

　　將t除以軟化溫度t進(jìn)行無(wú)因次化（6）流場(chǎng)的因素，采用實(shí)際切園直徑（d）與當(dāng)量直徑的比值的鍋爐無(wú)因次切園直徑來(lái)確定，其定義為：式中d為實(shí)際切園直徑D為當(dāng)量直徑（ ab）。

　　（7）局部氣氛條件由局部空氣過(guò)剩系數(shù)ats來(lái)確定。

　　因此我們確定了與鍋爐結(jié)渣有關(guān)的7個(gè)因素集合每個(gè)因素?cái)?shù)值大小對(duì)所預(yù)報(bào)結(jié)渣傾向程度列于表1.

　　項(xiàng)目嚴(yán)重中等輕微軟化溫度t堿酸比J硅銘比SiO燃燒溫度t流場(chǎng)因素D局部空氣過(guò)剩系數(shù)ats結(jié)渣情況所分的嚴(yán)重、中等、輕微組成一個(gè)評(píng)價(jià)集合V =嚴(yán)重，中等，輕微由式（8）和式（9）組成一個(gè)模糊子集R ：式（10）中7個(gè)指標(biāo)分別按其判別界限，對(duì)其屬于嚴(yán)重、中等、輕微結(jié)渣求出隸屬度，隸屬度按表2計(jì)算。對(duì)于7個(gè)指標(biāo)按其置信度進(jìn)行歸一化處理得出各因素的權(quán)重A ，按t ats順序計(jì)算。

　　式（10）與式（11）相乘得到模糊綜合評(píng)判集B集合B中的任一元素b的計(jì)算是利用加權(quán)平均的辦法，按照各因素在總評(píng)定過(guò)程中所起作用大小均衡，同時(shí)考慮了所有因素的影響。

　　式（15）計(jì)算出的b是綜合了煤質(zhì)特性、爐內(nèi)燃燒平均溫度、爐膛實(shí)際切圓直徑、局部過(guò)量空氣系數(shù)4個(gè)因素，7個(gè)變量（t的新的判別指標(biāo)。根據(jù)b的最大隸屬原則，若b最大，則判為輕微， b最大為中等， b最大為嚴(yán)重若3，且均大于b 2，則判為中等若b則判為中偏輕若b 3，則也判為中偏輕同樣，若b與b接近且遠(yuǎn)大于b 1，則可以判為中偏重。

　　3采用電廠鍋爐結(jié)渣模糊數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型對(duì)實(shí)際大容量鍋爐的計(jì)算結(jié)果和討論中國(guó)電能以煤電為主。各煤種比例為：無(wú)煙煤、貧力用煤從無(wú)煙煤到褐煤都有較大的比例。隨著機(jī)組向大容量高參數(shù)發(fā)展，鍋爐爐膛燃燒溫度越來(lái)越高，爐內(nèi)結(jié)渣已成為鍋爐安全運(yùn)行的大問(wèn)題。結(jié)渣主要決定于煤灰特性、爐內(nèi)灰渣所處的環(huán)境氣氛、溫度和空氣動(dòng)力場(chǎng)。一般低灰熔點(diǎn)煤易結(jié)渣，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇較低的爐膛斷面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷，較高的一次風(fēng)速和二次風(fēng)速使氣流不刷墻，適當(dāng)減少衛(wèi)燃帶面積。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前運(yùn)行和在建的大機(jī)組用煤50 以上屬于易結(jié)渣煤，而且我國(guó)煤炭開(kāi)采趨勢(shì)已經(jīng)轉(zhuǎn)向晉北、神府、東勝、靈武、哈密等煤田，這些煤都具有很低的熔點(diǎn)和很強(qiáng)的結(jié)渣性，進(jìn)一步增加易結(jié)渣煤種在電廠上的使用份額，使結(jié)渣這一煤粉燃燒中的難題更加突出。繼續(xù)沿用前人的只從煤灰特性指導(dǎo)鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行顯然是不行的。本項(xiàng)研究充分考慮了煤特性、爐內(nèi)流場(chǎng)、爐內(nèi)溫度水平、局部氣氛條件，在充分調(diào)研和聽(tīng)取鍋爐制造、使用部門專家們的意見(jiàn)基礎(chǔ)上確定了各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值和隸屬度見(jiàn)式（13）。

　　權(quán)值主要是按7個(gè)因素均等的原則，影響大的因素取值高，影響小的因素取值低。最終由程序調(diào)整的結(jié)果確定。

　　隸屬度按歸一化處理，任何一項(xiàng)指標(biāo)都有3種隸屬性（1 ，0 .5，0），其隸屬度。表2中列出了和J的取值辦法，其它參數(shù)類推。

　　在國(guó)家科技部、國(guó)家機(jī)械局、國(guó)家電力局的大力指標(biāo)指標(biāo)范圍隸屬度支持下，九五清潔燃燒科技攻關(guān)課題組對(duì)國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組鍋爐進(jìn)行了調(diào)研，按著全年發(fā)生結(jié)渣的頻繁和嚴(yán)重程度來(lái)確定結(jié)渣等級(jí)。22臺(tái)電廠鍋爐采用模糊數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算和實(shí)際的結(jié)渣結(jié)果，其中有3臺(tái)鍋爐判別結(jié)果與實(shí)際不符外， 19臺(tái)鍋爐預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際相一致。其準(zhǔn)確度達(dá)到了86 .36 .電廠鍋爐的實(shí)際結(jié)渣程度和等級(jí)是按由八五國(guó)家科技攻關(guān)組對(duì)22個(gè)電廠實(shí)際調(diào)查結(jié)果判定。而3臺(tái)鍋爐計(jì)算和實(shí)際不符的主要原因是該電廠燃用煤質(zhì)太雜，調(diào)查組采取的樣品代表性不強(qiáng)造成的。

　　4結(jié)論（1）電廠鍋爐結(jié)渣問(wèn)題是一個(gè)十分復(fù)雜的模糊問(wèn)題，采用精確的集合論來(lái)解決這種模糊問(wèn)題是不可行的，模糊數(shù)學(xué)理論和方法為解決結(jié)渣問(wèn)題提供了有利的數(shù)學(xué)工具。

　�。�2）用模糊數(shù)學(xué)方法將與結(jié)渣有關(guān)的4個(gè)因素，7個(gè)變量（t、ats）組成一個(gè)集合，結(jié)渣情況分嚴(yán)重、中等、輕微組成一個(gè)評(píng)價(jià)集合。2個(gè)集合相乘組成一個(gè)模糊子集R ，給出結(jié)渣狀況的隸屬度，以此建立起電廠鍋爐結(jié)渣性能模糊數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

　�。�3）利用電廠鍋爐結(jié)渣性能模糊數(shù)學(xué)計(jì)算模型，對(duì)我國(guó)22臺(tái)大容量機(jī)組鍋爐的結(jié)渣狀況進(jìn)行了計(jì)算，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性在86 .36 ，可以用于大容量鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。