基于专家置信度的褐煤最佳掺烧比例研究

章义发, 周文台

(1. 国家电力投资集团有限公司, 北京 100033；2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司, 上海 200240)

近年来，煤价不断上涨，造成电厂盈利水平持续下降，选择掺烧低成本的劣质煤成为改善电厂经营状况的有效途径。掺烧低成本劣质煤时，除了考虑机组的经济性外，还需综合考虑锅炉的安全性与环保性[1-2]。由于每个电厂对经济性、安全性和环保性要求的侧重点不同，且很多指标难以量化，因此在配煤掺烧的运用中，很难准确衡量最优化掺配比例。

在确定最佳配煤掺烧比例时，采取的往往是不影响安全的前提下，最大可能地提高劣质煤掺配比例，以达到最大经济效益。而这种方法在评价安全性和环保性时较为笼统，缺乏层次及客观性，在评价经济性时又缺乏侧重性。笔者将层次分析法引入配煤掺烧的评价体系中，以解决配煤掺烧时各指标权值模糊和不确定性的问题。

1 试验锅炉及煤质

某电厂试验机组锅炉为超超临界压力直流锅炉，型号为SG-3098/27.46-M539。锅炉为变压运行螺旋管圈直流炉，采用单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、平衡通风、全钢架悬吊结构、露天布置；采用机械刮板捞渣机固态排渣方式；燃烧方式采用低NOx同轴燃烧系统(LNTFS)；制粉系统采用中速磨煤机直吹式制粉系统，每台锅炉配置6台HP1203型中速磨煤机，锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况时，5台磨煤机投运，1台备用。

该锅炉实际燃用煤种为烟煤，掺烧煤质为褐煤，煤质成分见表1。

表1 燃用煤质成分Tab.1 Quality analysis of two kinds of coal tested

2 层次分析法

2.1 价值工程

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种系统分析方法，对多因素、多准则、多方案的综合评价及趋势预测较为有效[3-5]。层次分析法的特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。

2.2 配煤掺烧功能指标

配煤掺烧的功能分析中，评价功能由锅炉及相关辅机的经济性、安全性与环保性综合确定，而每个指标又由若干个指标组成。因此，把所有功能指标分为2个层级，如图1所示。第1层级为总目标层级：u=(u1,u2,u3)。第2层级为总目标层级下的子目标层级，包括u1、u2和u3，其中u1为经济性，对应子目标层级u1=(u11,u12)；u2为安全性，u2=(u21,u22,u23,u24,u25)；u3为环保性，u3=(u31,u32,u33)。

图1 配煤掺烧功能指标层次图Fig.1 Profile of unit indexes for co-firing analysis

根据电厂实际需求，从经济性、安全性和环保性角度对配煤掺烧功能评价因素进行分析。经济性包括锅炉效率和厂用电率，在计算锅炉煤耗时，锅炉效率和厂用电率往往合并进行处理。在本文研究中，由于电厂的厂用电率指标是该厂单独考核的指标，且该厂厂用电率指标完成难度远大于煤耗指标，因此分开进行分析。安全性包括掺烧褐煤以后的结焦安全性、制粉系统安全性、金属壁温安全性、汽温安全性以及其他安全性，其他安全性则包括掺烧褐煤可能导致风量与烟气量增加引发的风机安全性问题，以及高温腐蚀安全性等可能性很小的问题。

3 配煤掺烧对象化分析

3.1 AHP赋权理论及信度分析[6-7]

由于在配煤掺烧过程中，不同人员对各个指标的重视程度不同，有的人侧重经济性，而有的人更侧重安全性。另外，对同一指标，如结焦程度以及可能带来的安全隐患，不同人员的判断有所不同。由于上述指标存在主观赋权，因此引入信度分析进行理论计算。

3.1.1 信度分析理论

设有n个评判对象，i=1,2，…，n；m个评判专家，评判专家包括电厂的技术骨干、生产经营相关管理者、电力科学研究院相关专家等，j=1,2，…，m。每个专家对n个对象的评判结果xij的取值用等级表示。根据信度分析理论[8]，评判的实际值Xij为真值Ti和评判误差Eij之和。根据信度系数的定义，可以计算出每个评分人员的信度系数C：

(1)

式中：ljk为专家评分之间的离均差积和；ljj和lkk分别为评判人员离均差平方和。C越大，表示该专家评分与事实越相符，所占的打分权重也越大。

3.1.2 AHP赋权理论

(2)

(3)

通过上述方法，不难得出第1层级权重向量W=(A1,A2,A3)，且A1+A2+A3=1。第2层级权重向量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 功能指标的评定

3.2.1 功能评价级

针对配煤掺烧的相关指标，评价集合包括十分重要、更重要、重要、略重要和一般重要5个等级，V=(v1,v2,v3,v4,v5)，经专家组商议，对应的数学取值分别为9、7、5、3和1.

3.2.2 功能模糊判断矩阵

首先进行单因素ui(i=1,2,…，n)评判，因素ui的评判等级vj(j=1,2,…，m)的隶属度为rij，这样就得到第i个因素ui的单因素集。由m个因素评判集得到一个总的评判矩阵为[8]：

(4)

式中：rij为ui对vj的隶属度。

3.2.3 功能模糊判断矩阵的确定

通过前述专家评分，结合权重系数，对目标层进行排序，并对三阶以上矩阵进行一致性检验[9]，限于篇幅，此处不展开分析。

按照功能评价级中对应的数学取值，并结合专家组的权值系数加权评价，最终确定功能评价数据取值，结果见表2～表5。以表2为例，若干名专家按照各自的权重系数对安全性与环保性进行评分，评分结果位于表2第2行第3列，评分数字7表示与环保性相比，安全性更重要，而环保性与安全性相比，则取值1/7，该值位于表2中的第3行第2列位置。同理可知，安全性和经济性同等重要，取值为1。通过计算表2中的排序向量，分别得出安全性、经济性和环保性在评价中所占的比重。表3～表5中的数据按照前述方法依次求得。

表3～表5中的λ、CI、CR为一致性检验的符号与对应数值，目的是检验多参数重要比较的一致性，避免出现A>B、B>C、C>A的情况。通过计算，各参数具有一致性，限于篇幅，此处不深入展开。

表2 总目标层排序求解结果Tab.2 Results of total target layer sorting solution

表3 u1层排序求解结果Tab.3 Results of u1 layer sorting solution

表4 u2层排序求解结果Tab.4 Results of u2 layer sorting solution

表5 u3层排序求解结果Tab.5 Results of u3 layer sorting solution

4 配煤掺烧试验工况

4.1 掺烧试验工况

针对某百万机组进行褐煤掺烧试验，由于电网负荷限制，试验负荷点为75%负荷，具体试验工况见表6。

表6 试验工况及折算煤价Tab.6 Test conditions and converted coal price

4.2 掺烧试验评价方法

由于经济性指标是定量数值，而非经济性指标属于定性判断，两者难以统一兼顾，因此本试验的评价体系采用综合评价体系。

4.2.1 评价等级

对各层级的指标采用A、B、C、D、E五等级法来判断。其中：A表示非常好,评分区间[90，100]；B表示较好，评分区间[80，90)；C表示一般，评分区间[70，80)；D表示较差，评分区间[60，70)；E表示非常差，评分区间[0，60]。

专家根据褐煤掺烧情况，对每个指标进行等级划分，并在对应的区间内进行打分。

4.2.2 评价指标

锅炉的经济性、安全性和环保性的相关评价指标如表7所示。

表7 不同项目的评价指标Tab.7 Evaluation indicators for different projects

4.2.3 评价步骤

由于经济性、安全性和环保性的评价标准难以统一，因此在判别最佳掺配比例时，所有专家达成共识，采用综合评判的方法进行评价。具体包含以下两步：

第一步：专家对所有工况进行打分，并按照对应信度系数进行计算，所有试验工况中，所有单项得分必须高于E，即不得出现某一专家综合评价非常差的指标。此外，按照每一单项的权值得到的综合评分不得低于C，即掺烧试验的综合评价不得出现专家组认为的非常差或较差的情况。

第二步：按照第一步筛选结束后，能够确认配煤掺烧的经济性、安全性及环保性整体符合要求。再进行经济性比较，主要比较配煤掺烧以后的燃料成本变化率、锅炉效率变化率及厂用电率变化率。厂用电率与锅炉效率的比较以锅炉效率为基准，按照经济性u1层的排序结果进行权重折算。

4.3 掺烧试验结果

4.3.1 综合评分

专家组成员按照前述评分方法进行评分，并按照信度系数计算，结果见表8。

表8 不同工况下的评分结果Tab.8 Rating results under different working conditions

当褐煤掺烧比例低于30%时，锅炉采用4台磨煤机运行；当褐煤掺烧比例在30%～50%时，需要采用5台磨煤机运行；当褐煤掺烧比例高于50%时，则需要采用6台磨煤机运行。与之匹配的风量变化也会引起三大风机电耗增加。由于该厂自身对厂用电率指标要求较为严苛，因此在厂用电率增加这一项中，电厂相关评分专家均给出了极低的分数。此外，在磨煤机安全性方面，随着褐煤掺烧比例的提升，磨煤机出口温度下降较为明显，干燥明显不足。从其他指标的专家评分结果来看，均较好。

4.3.2 经济性指标判别

纯烧烟煤时，锅炉效率为94.35%，非汽轮机侧厂用电率为2.85%。表9给出了不同褐煤掺烧比例下锅炉效率及厂用电率的绝对变化值。

表9 不同工况下的经济性指标Tab.9 Economic indicators under different working conditions %

配煤掺烧的收益等于燃料成本降低的收益减去锅炉效率降低的收益以及厂用电率增加的收益部分。如图2所示，ΔF为未将厂用电率加权，即实际电厂的经济收益，随着褐煤掺烧比例的提升，实际收益不断增加。ΔF′则是考虑厂用电率所占权重以后得到的收益，最大收益对应的褐煤掺烧比例为20%，可见并非掺烧比例越高越好，这也恰恰体现了引入专家权重分析的价值。

图2 配煤掺烧收益图Fig.2 Incomes vs. blending ratio

5 结 论

(1) 在配煤掺烧的价值评价中，引入信度分析理论及层次分析法能够有效解决经济性、安全性和环保性多指标难以统一评价的问题，并能够根据每个专家的侧重点进行针对性的评价，有利于根据每个电厂的实际情况，对相应侧重的指标进行有效分析。

(2) 掺烧经济煤种后，随着掺烧比例的提升，电厂获得的直接经济收益增加，即运行中应尽量掺烧经济煤种，但是考虑到环保指标、安全指标及厂用电率评价指标等多层级评价后，最大收益会发生变化。因此，应跟据每个电厂的实际情况制定合理的掺烧策略。