基于相离度和博弈论赋权的火电脱硝技术评价
许 霁，王 贲，于 洁，孙路石，杨 武
(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074)
摘 要:为对火电脱硝技术进行科学评价，引入相离度理论改进了区间型指标的隶属函数，运用博弈论赋权法对指标体系进行集成赋权，建立了优化的脱硝技术评价模型。将该模型应用于国内完成炉内低氮改造的660 MW火电煤粉炉与流化床炉，综合评价选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、SNCR-SCR联合3种脱硝技术。结果表明，在完成炉内低氮改造的条件下，额定负荷稳定运行的660 MW火电煤粉炉脱硝宜优先选用SCR技术，流化床炉应优先选用SNCR技术，为实现氮氧化物超低排放，必要时可选用SNCR-SCR联用技术，评价结果与《火电厂污染防治可行技术指南》的相关内容一致，验证了评价模型的合理性，额定负荷50%、75%工况下的评价结果表明，额定负荷50%工况下660 MW火电煤粉炉脱硝宜优先选用SNCR-SCR技术，其余低负荷工况的评价结果与额定工况一致，为火电脱硝技术的评价与选择提供了方法参考和理论依据。
关键词:相离度;博弈论赋权法;脱硝;技术评价;隶属函数
中图分类号:X511；TK-9
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2019)02-0126-08
收稿日期:2018-07-16
责任编辑:张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.18071601
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604202);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017JYCXJJ035)
作者简介:许 霁(1993—)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，从事火电脱硝技术评价方面的研究。E-mail:839949854@qq.com。
通讯作者:王贲，副教授。E-mail:benwang@hust.edu.cn
引用格式:许霁，王贲，于洁，等.基于相离度和博弈论赋权的火电脱硝技术评价[J].洁净煤技术，2019，25(2):126-133.
XU Ji，WANG Ben，YU Jie,et al.Evaluation of coal-fired power denitration technologies based on deviation degree and game theory weighting method[J].Clean Coal Technology，2019，25(2):126-133.
Evaluation of coal-fired power denitration technologies based on deviation degree and game theory weighting method
XU Ji，WANG Ben，YU Jie，SUN Lushi，YANG Wu
(State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract:In order to get scientific evaluation result of coal-fired power denitrification technologies,deviation degree theory was applied to construct subordinate function of interval index,besides,the game theory weighting method was used in index weight calculation and optimizing evaluation model of denitrification technologies.The model was applied to the pulverized coal fired boiler and fluidized bed boiler with low NOx burner of 660 MW coal-fired plant in China.Three kinds of denitration technology,i.e.,selective catalyst reduction(SCR),selective non-catalyst reduction (SNCR) and hybrid SNCR-SCR,were comprehensively evaluated.Results show that SCR technology should be preferred for denitration of 660 MW thermal power pulverized coal furnace with stable rated load under the condition of low nitrogen reformation in the furnace,SNCR should be preferentially selected for the fluidized bed boiler,SNCR-SCR technology can be used to realize ultra low emission.More importantly,the evaluation results are consistent with the feasible technical guide for prevention and control of pollution in thermal power plants,which verifies the rationality of the evaluation model.The evaluation results under 75% and 50% load show that SNCR-SCR technology should be preferentially selected for the pulverized coal fired boiler under 50% load.The evaluation results of the remaining low-load working conditions are consistent with the rated load working conditions,which provides a reference and theoretical basis for the evaluation and technical selection of denitrification technologies.
Key words:deviation degree;game theory weighting method;denitration;technology evaluation;membership function
0 引 言
氮氧化物是大气污染物之一，我国氮氧化物排放总量中燃煤电厂排放占36%[1]。氮氧化物的排放不仅会加重空气的细粒子污染[2-3]，还部分抵消了SO2污染减排对酸沉降的改善效果[4]。目前火电厂应用较多的脱硝技术有选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)和SNCR-SCR联合技术等[5-8]。随着脱硝技术的广泛应用，需要对不同脱硝技术产生的社会经济影响做出综合评价，为新建项目的技术选用提供理论指导。Srivastava等[9]对SCR等脱硝技术进行了技术性能分析，为电厂脱硝的技术选用提供参考;Eboli等[10]使用客户评分赋权对铁路服务质量进行综合评价，得到乘客综合满意度;张淼[11]、余飞翔[12]使用层次分析赋权法对SCR等脱硝技术进行综合评价，得出各项技术的评价排序;Zhou等[6]、胡小刚[13]在脱硝技术评价中将区间型指标简化为点值来确定隶属函数，给出了各技术的优先级顺序;孙广东[14]采用熵值赋权法对脱硝系统改造效益进行评价，得出项目效益处于行业中上等水平。现有研究未针对区间型指标构造相应的隶属函数，指标权重的确定多采用人工评分、层次分析等主观赋权法，无法反映指标的客观信息，而单一的客观赋权也存在一定的局限性。本文在模糊评价的基础上，引入相离度理论改进区间型指标的隶属函数，运用博弈论集成赋权法计算指标权重，兼顾指标值的主、客观信息，从而建立优化的评价模型。将该评价模型用于不同工况下660 MW火电机组脱硝技术的综合评价，验证了模型的合理性，为火电脱硝技术评价与新建项目的技术选择提供方法参考和理论依据。
1 研究方法
1.1 相离度理论
定义1[15]:设a=(a-，a+)，b=(b-，b+)为区间数，令
(1)
其中，D(a，b)为区间数a，b的相离度。D(a，b)越大，区间数 a、b的差异程度越大。若a为理想区间，b为实际区间，则D(a，b)越大，区间数b越不理想;若a为负理想区间，则D(a，b)越大，实际区间数b越理想。
1.2 博弈论集成赋权法
博弈论集成赋权法[16]是在各可能的权重中追求一致，即极小化不同权重间的各自偏差。首先分别计算主观权重和客观权重，然后根据博弈论原理集成主、客观权重得到综合权重。
记m个权重向量
的线性组合为
(2)
w为一种基于权重集的可能权重向量，其全体
表示可能的权重向量集。因此，寻找最满意的权重向量可等价于优化式(2)中的m个线性组合系数αi，从而使w与各个wi的离差最小化，由此导出对策模型如下:
(3)
式(3)为含有多个目标函数的交叉规划模型，求解该模型后可获得综合权重结果，其与多种赋权结果在意义上一致。根据矩阵微分性质，推导出式(3)最优化的一阶导数条件为
(4)
式(4)对应的线性方程组为
(5)
运用Matlab软件求式(5)解，得出综合权重。
2 脱硝技术评价模型的建立
2.1 脱硝技术评价指标体系
燃煤电站脱硝技术评价指标较多，本文参照文献[17-19]，结合燃煤电站脱硝项目特性，对空预器影响、环境污染等难以量化的定性指标替换成SO3转化率、年催化剂更换体积、氨逃逸等具有相同意义的定量指标，从经济、技术、环境等方面建立更加客观科学的脱硝技术评价指标体系，如图1所示。
图1 脱硝技术评价指标体系
Fig.1 Evaluation index system of denitrification technologies
2.2 模糊评价方法
模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评价的对象隶属等级状况进行综合评价的方法[20]。
2.3 相离度改进的隶属函数
综合评价前确定各指标的评价值，即计算隶属度。隶属函数构造的质量对评价模型的合理性影响较大，目前相关研究尚未有针对区间型指标构造隶属函数。本文引入相离度概念构造适用于区间型指标的隶属函数。脱硝率、系统压损、氨逃逸以及SO3转化率是脱硝技术评价中的区间型指标。
1)脱硝率(%)
设脱硝率的理想区间为(e，f)，实际脱硝率为(x1，x2)，构造的隶属函数为
2)系统压损(Pa)
设系统压损的负理想区间为(c，d)，实际区间为(x1，x2)，构造的隶属函数为
3)氨逃逸(mg/m3)
设氨逃逸的负理想区间为(g，h)，实际区间为(x1，x2)，构造隶属函数如下:
4)SO3转化率(%)
设SO3转化率负理想区间为(k，l)，实际区间为(x1，x2)，构造的隶属函数为
5)其余评价指标不是区间数，结合脱硝技术特点，参考文献[13-15]，构造隶属函数见表1。
表1 非区间型指标的隶属函数
Table 1 Membership function of non interval index
2.4 评价指标集成赋权
主观赋权法中，层次分析法[21]具有定性和定量相结合、系统化等特点，体现了决策中分析、判断、综合的基本特征。客观赋权法中，突出指标信息量的熵值法[22]具有较强的数学理论依据。本文基于博弈论原理集成以上2种赋权法得到综合权重。
2.4.1 层次分析主观赋权
1)给予指标体系判断矩阵的建立[16,23]
同一层次中的各指标，通过两两比较其相对重要性，得到判断矩阵为
其中，aij为各指标间的相对重要程度，由专家运用判断矩阵标度法给出数字1～9表示各指标之间的相对重要程度。
2)计算对上一层元素而言本层次与之有联系的元素重要性次序的权值即为层次单排序。
3)判断矩阵的一致性检验
检验判断矩阵的合理性，防止主观带来的不合理偏差，一致性比例CR的计算公式为
(6)
其中，λmax为判断矩阵最大特征值;RI为平均一致性指标值，经表2可得RI值;n为阶数。判断矩阵一致性的条件为:CR<0.1，否则需要调整判断矩阵，使之满足一致性。
表2 平均一致性指标RI值
Table 2 Average coincidence indicator RI value
4)用下一层次各个因素的权值和上一层次因素的组合权值，得到最下层因素相对于总目标的相对重要性。
2.4.2 熵值法客观赋权
1)计算第j项指标下第i个被评价对象的客观权重[24-25]，设xij为第i个被评价对象中第j项指标的观测数据，计算第j项指标的熵值ej。
(7)
式中，
2)确定第j项指标权重为
(8)
根据式(2)～(5)运用博弈论赋权法集成主、客观2种指标权重，得到各指标的综合权重。
3 模型应用与验证
本文针对国内完成炉内低氮改造的660 MW火电煤粉炉与流化床锅炉，以SNCR、SCR、SNCR-SCR联合技术为评价对象，从经济、技术、环境等方面进行脱硝技术综合评价。首先以660 MW火电机组额定负荷稳定运行工况为例，验证模型的合理性;然后在额定负荷75%、50%工况下运用该模型评价SNCR、SCR、SNCR-SCR联合技术。
3.1 额定负荷工况评价分析
3.1.1 指标赋值
根据图1的评价指标体系，以及环保部公布的《火电厂氮氧化物防治技术政策(征求意见稿)》编制说明和其他相关文献，得到评价指标原始值[7,26-30]见表3。
3.1.2 指标预处理
根据隶属函数和指标赋值，得到各指标的隶属度(表4)。
表3 评价指标原始值
Table 3 Original value of evaluation index
表4 评价指标的隶属度
Table 4 Membership grade of evaluation index
3.1.3 指标赋权结果与分析
采用2.4节的赋权模型得到主、客观赋权以及博弈论集成赋权结果，见表5。
在主观赋权中，投资成本和系统压损的指标权重偏低，但2者的指标值对不同技术的评价区分度较好，由于主观赋权法没有考虑指标在不同评价对象中的差异程度，具有较好区分度的指标未能获得合理的赋权结果。
表5 煤粉炉、流化床炉条件下的博弈论集成赋权结果
Table 5 Game theory integrated weighting results for pulverized coal boiler and fluidized bed boiler
在客观赋权中，脱硝率和氨逃逸的客观权重偏低，而对锅炉影响的指标权重过高，这是因为客观赋权完全取决于指标的客观信息量，具有重要工程意义的指标(如脱硝率等)会因其在不同评价对象中的差异程度较低而获得过小的权重。
在博弈论集成赋权中，主观赋权偏低的投资成本、系统压损以及客观赋权过小的脱硝率、氨逃逸的指标权重都提高到了合理区间，对锅炉的影响指标也获得了兼顾主客观信息的合理权重。在煤粉炉和流化床炉的赋权结果中均存在以上规律，因此相比单一的主、客观赋权，博弈论集成赋权得到了更为科学合理的指标权重体系。
3.1.4 评价结果与分析
根据各评价指标的隶属度与综合集成赋权结果，通过线性乘法计算出SCR、SNCR、SNCR-SCR联合3种脱硝技术的综合评价结果(表6、7)。
表6 煤粉锅炉、流化床锅炉额定工况下的综合评价结果
Table 6 Comprehensive results for pulverized coal boiler and fluidized bed boiler under rated load
根据评价结果，在煤粉炉条件下，从经济、技术、环境方面综合考虑，SCR技术位于第一优先级，SNCR-SCR联合技术位于第二优先级，因此国内完成炉内低氮改造的660 MW火电煤粉炉脱硝宜优先选用SCR技术，中小型机组由于空间限制无法安装大量催化剂，可以考虑采用SNCR-SCR联合技术;在流化床炉条件下，从经济、技术、环境方面综合考虑SNCR技术位于第一优先级，SNCR-SCR联合技术位于第二优先级，因此国内已完成炉内低氮改造的660 MW火电流化床炉脱硝宜优先选用SNCR技术，当锅炉出口烟气的氮氧化物浓度较高，为实现超低排放可采用SNCR-SCR联合技术。在该评价结果分析与环保部《火电厂污染防治可行技术指南》关于污染物超低排放技术路线的内容一致[27]，验证了评价模型的合理性。
3.2 低负荷工况评价分析
根据建立的综合评价模型，在660 MW火电机组额定负荷75%、50%工况下，综合评价SNCR、SCR、SNCR-SCR联合技术。指标原始值见表8，评价结果见表9、10。
表7 煤粉锅炉、流化床锅炉额定工况条件下的综合评价优先级排序
Table 7 Priority ranking of comprehensive evaluation for pulverized coal boiler and fluidized bed boiler under rated load
表8 额定负荷50%、75%工况指标原始值
Table 8 Original value of index under 50% and 75% rated load
表9 煤粉炉额定负荷50%、75%工况下的综合评价结果
Table 9 Comprehensive results for pulverized coal boiler under 50% and 75% rated load
表10 流化床炉额定负荷50%、75%工况下的综合评价结果
Table 10 Comprehensive results for fluidized bed boiler under 50% and 75% rated load
由评价结果可见，已完成炉内低氮改造的660 MW火电机组脱硝在额定负荷75%工况下，煤粉炉和流化床炉应分别优先选用SCR与SNCR技术;在额定负荷50%工况下，流化床炉宜优先选用SNCR技术，以上结果与额定负荷工况下的评价结果一致。但对于额定负荷50%工况下的煤粉炉脱硝，SNCR-SCR联合技术为第一优先级，这是因为低负荷下烟气温度较低，更多铵盐生成并附着在催化剂表面，催化剂活性下降速度加快，SCR技术在氨逃逸、催化剂更换体积等方面的评价值变差，而SNCR-SCR联合技术在煤粉炉脱硝率方面表现好，且受催化剂活性影响相对较小，在评价中成为煤粉炉负荷50%工况下的首选技术。
4 结 论
1)赋权结果表明，与单一的主、客观赋权法相比，博弈论赋权法能兼顾指标的主客观信息，得出更为科学合理的指标权重体系。
2)评价结果表明在额定工况下，已完成炉内低氮改造的660 MW火电煤粉炉脱硝宜优先选用SCR技术，中小型机组可以考虑采用位于第二优先级的SNCR-SCR联合技术;相同条件的流化床炉脱硝宜优先选用SNCR技术，为实现超低排放必要时可采用SNCR-SCR联合技术。该评价结果与环保部《火电厂污染防治可行技术指南》中的相关内容一致[27]，验证了评价模型的合理性。
3)在额定负荷50%、75%工况下运用该模型评价SNCR、SCR、SNCR-SCR联合技术，结果表明额定负荷50%工况下煤粉炉脱硝宜优先选用SNCR-SCR联合技术，其余低负荷工况评价结果与额定工况一致。
4)基于本研究建立的评价模型，电厂在选择烟气脱硝技术时，可根据自身特点和要求，调整评价指标体系与相关参数，根据模型的综合评价结果，确定出适合本厂的脱硝方案。
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