基于层次分析法的大型超临界火力发电机组优化运行分析∗

王丽翠

（天津城市职业学院 天津 300250）

1 引言

电力行业在社会经济各行业发展中起到基础性的作用，而电力行业若想要保持快速且持续的发展，就需要有安全、稳定、高效的电力建设来做支撑。超临界燃煤发电技术是一种先进且很高效的发电技术，其热效率高，因此能有效降低发电的煤耗，同时节能环保的作用也十分显著。我国超临界机组发展较晚，但发展迅速，如何提高超临界机组的稳定性，负荷响应的快速性以及降低成本提高其运行的经济性，成为研究的重要问题。

超临界机组指的是主蒸汽压力大于水的临界压力（22.129 MPa）的机组。伴随着冶金工业、自动化等技术的迅速发展，超临界机组运行所需的技术和材料已日渐成熟。我国的超临界机组发展相对较晚，但发展非常迅速，现已广泛投运，并在逐步实现优化运行［1］。

现阶段我国超临界机组主要分布在沿海地区和电力缺口较大的区域，沿海地区海水直接作为冷却水，冷却效果基本不受季节的影响，而且海水温度低，冷却效果好，易于维持凝汽器的真空度和降低汽轮机的背压，从而在有效提高机组循环热效率的同时可以大量节约淡水资源。但对于平均气温相对较高、煤炭资源缺乏、运输不方便或者水资源相对匮乏的地区，建设超临界机组则需要解决很多问题，且运行效果也不容易达到理想的状态。目前，可靠性仍然是发展超临界机组需要考虑的问题，而材料的强度对其可靠性起着关键的作用。伴随着超临界机组蒸汽参数的提高，系统对汽轮机转子、锅炉管等关键部件的耐高温性、强度等方面提出了更高的要求。而新材料的应用又提高了建设的成本。

本文通过分析超临界机组的运行方式，运用层次分析法对优化大型超临界机组的各种措施进行了分析。

2 层次分析法（Analytic Hierarchy Process）

AHP（Analytic Hierarchy Process）层次分析法是美国著名运筹学家Saaty在20世纪70年代提出的一种新型决策方法。运用层次分析法分析问题首先把一个复杂的问题表示为一个有序的递阶层次结构，然后经过判断，构建判断矩阵，通过分析每个因素对决策方案的权重，从而将各因素对决策方案的优劣进行排序，为分析或者预测事物的发展趋势提供依据［2］。层次分析法的流程如图1所示［3］。

图1 AHP流程图

3 大型超临界火力发电机组优化运行层次分析模型

应用层次分析法分析大型火力发电机组优化运行问题，首先要把问题层次化，构造出大型超临界火力发电机组优化的层次分析结构模型。层次分析模型主要分为三层。

最高目标层，即大型超临界火力发电机组优化运行的总目标为实现其运行最优化。

第二层为优化运行的分目标，分目标定位为：1）负荷响应的快速性，即锅炉启停、变负荷等方面运行时的速度；2）运行的经济性，即降低投资与运行成本，降低发电煤耗，提高电厂循环热效率；3）机组的稳定性，即提高超临界机组的安全性、可靠性。

优化大型超临界火力发电机组的措施层包括：1）优化锅炉燃烧系统；2）优化其启动系统；3）对材料的选择；4）优化其运行方式。

根据上述，建立层次模型如图2所示。

图2 层次结构模型

4 构造判断矩阵

4.1 构造A—B的判断矩阵

通过查阅相关资料，采用两两比较法构造出A—B判断矩阵如表1所示。

表1 A—B判断矩阵

最大特征值为3.0092，最大特征值对应的特征向量为［0.2565，0.4660，0.8468］。CI=（3.0092-3）/2=0.0046，n=3时，RI=0.515，CI/RI=0.0089＜0.10，故判断矩阵具有满意的一致性。

4.2 构造B1—C的判断矩阵

燃烧系统对经济性的影响：改善煤粉的质量同时改进燃烧系统技术可以提高煤粉的燃烧效率，降低煤耗，降低成本［4］。

启动系统对经济性影响：启动系统若使用带再循环泵的，将会增加造价，另外出现故障维修起来比较困难，使成本增加。但采用这种启动系统直流锅炉在启动过程中可以降低热量损失和工质损失［5］。一方面，水不用到达扩容器或者凝汽器，循环水从分离器出来进入省煤器、水冷壁可以实现循环使用，从而实现节水、节能，降低成本；另一方面，将分离器中出来的工质直接返回到省煤器及水冷壁中可以保留一定的温度，因此无需大量补充燃料就可以保持工质的温度，达到提高经济性的目的［6］。

材料对经济性的影响：超临界机组的蒸汽参数越高，对材料的强度、耐高温性等参数要求也就越高，同时对采用的新材料数量也会越大，相应地也会需要更大的投资成本［7］。

机组运行方式对经济性的影响：机组采用不同的运行方式，取得的经济效益也会有所不同。目前机组所采用的运行方式为变压运行，这种运行方式可有效提高机组低负荷运行的热效率，降低运行成本。据统计，600MW超临界压力锅炉在额定负荷的50%变压运行时，给水泵电耗仅为额定负荷的50%左右［8］。

根据以上燃烧系统、启动系统、材料、机组运行方式四种措施对经济性影响的描述，采用两两比较法，构造出B1—C的判断矩阵如表2所示。

表2 B1—C判断矩阵

最大特征值是4.1145，最大特征值对应的特征向量为［0.8689，0.1223 ，0.4381，0.1952］。

CI=（4.1145-4）/3=0.038，n=4 时，RI=0.893，CI/RI=0.043＜0.10，故判断矩阵具有满意的一致性。

4.3 构造B2—C的判断矩阵

燃烧系统对系统运行快速性的影响：煤粉的燃烧速度与煤粉的性质状态有一定的关系。煤粉的颗粒越小，相同质量的煤粉表面积就越大，那么火焰的传播速度也就越快，燃烧速度就越快。煤粉制作系统对煤粉的性质有一定影响，目前制粉系统多采用双进双出磨煤机制粉系统。采用这种制粉系统可以提高系统对煤质可磨性的适应性，同时可方便维持和调节煤粉的细度［9］。

启动系统对快速性的影响：目前超临界锅炉启动系统有多种不同的形式，运用最广泛的是带有再循环泵的启动系统，这种启动系统不仅可以实现快速启停，还可以灵活地跟踪机组负荷。和简单疏水扩容启动系统相比，带有再循环泵的启动系统可以大大缩短启动时间，温态启动时可以缩短约15min，冷态启动时，可缩短约75min。所以现在多采用这种带有再循环泵的启动系统以提高启动的速度［10］。

材料对快速性的影响：采用不同的材料会对快速性有一定的影响，目前多采用奥氏体钢材料，这种新材料热膨胀系数较大，同时热导率较小，有助于系统的快速性。

变压运行方式对快速性的影响：采用变压运行方式的单元机组，对电网调频的适应性相对较差。当外界负荷变动时，首先要调整锅炉的燃烧和给水量来提高过热蒸汽压力和蒸汽流量，由于锅炉汽水系统储热量和金属储热量的作用，降低了锅炉对外界负荷变动的响应速度。

根据以上燃烧系统、启动系统、材料、变压运行方式四种措施对快速性影响的描述，采用两两比较法，构造出B2—C的判断矩阵如表3所示。

表3 B2—C判断矩阵

最大特征值是4.1170，最大特征值对应的特征向量为［0.4121，0.8880，0.0869，0.1847］。

CI=（4.1170-4）/3=0.039，n=4 时，RI=0.893，CI/RI=0.044＜0.10，故判断矩阵具有满意的一致性。

4.4 构造B3—C的判断矩阵

燃烧系统对稳定性的影响：燃烧系统的稳定性对大型超临界火力发电机组稳定性有很大的影响。优化煤质及燃烧技术是提高燃烧系统的关键。我国的煤质类型比较多，系统不可能始终采用同一种煤粉，而煤质的不同，对燃烧系统有一定的影响，同时也会对机组运行的可靠性、稳定性产生重要影响，因此需要通过提高煤质来提高机组运行的稳定性［11］。超临界机组多采用双进双出磨煤机制粉系统，这种方式输粉管道出口中煤粉流量偏差很小，可以稳定单只燃烧器火焰以及燃烧调节，并且对维持炉膛内火焰温度的均匀性也有益［12］。

启动系统对稳定性的影响：目前所广泛采用的带有再循环泵的启动系统，运行的稳定性很高。采用这种系统不需要疏水，可以实现给水量缓慢地增长，这样就可使分离器的水位能够保持在一定的值。另外，带有再循环泵的启动系统运行时，给水泵与循环泵可选择采用并联运行方式或串联运行方式［13］。并联、串联两种运行方式的稳定性都很高：并联运行方式系统无需设置循环水和给水的混合器，即使循环泵发生故障，给水系统仍能继续运行，稳定性得到提高；串联系统中可以增设扩容器，这样即使循环泵发生故障，启动系统仍然可以正常启动，从而提高其稳定性［14］。

材料对系统稳定性的影响：超临界机组对材料的要求很高：超临界锅炉、汽轮机、连接管道都要承受高温、高压蒸汽所产生的高温蠕变应力；在焊接过程中承受焊接应力。因此应根据部件所处的环境特点选择合适的材料以提高机组运行的可靠性、稳定性。超临界机组选用的材料应具备以下特点：耐高温、有较强的抗蠕变能力，并且要能够适应蒸汽参数不断提高的要求；金属部件的强度要高单壁厚要小；金属要能够抗烟气腐蚀、抗蒸汽氧化腐蚀，另外其热处理特性、焊接性能都要好［15］。

调峰机组运行方式对系统稳定性的影响：调峰机组若采用变压运行的方式有助于提高其运行的安全性、稳定性［16］。

根据以上燃烧系统、启动系统、材料、机组运行方式四种措施对系统稳定性的影响描述，采用两两比较法，构造出B3—C的判断矩阵如表4所示。

表4 B3—C的判断矩阵

最大特征值是4.1145，最大特征值对应的特征向量为［0.4381，0.1952，0.8689，0.1223］。

CI=（4.1145-4）/3=0.0382，n=4时，RI=0.893，CI/RI=0.043＜0.10，故判断矩阵具有满意的一致性。

5 层次总排序

层次总排序表如表5所示。

表5 层次总排序

经验证，层次总排序具有满意的一致性。

根据表5的数据，可得对大型超临界机组进行优化可采用的四种措施的相对优先排序为：C3材料、C1燃烧系统、C2启动系统、C4运行方式。由此为实现大型超临界火力发电机组的优化运行提供理论依据和参考。

6 结语

本文以大型超临界火力发电机组为研究对象，通过层次分析法对优化大型超临界火力发电机组可以采用的各项措施进行了分析，为实现大型超临界火力发电机组的优化运行提供理论依据和参考。