基于遗传算法的生物质颗粒锅炉的热效率优化分析_董龙标.pdf

收稿日期：基金项目：广州市科技计划项目（）作者简介：董龙标（），高级工程师；通讯作者：朱光羽，硕士；基于遗传算法的生物质颗粒锅炉的热效率优化分析董龙标 刘效洲 朱光羽（.中山市智明节能环保科技有限公司，.广东工业大学 材料与能源学院）摘 要 以遗传算法为基础，利用偏导数法对现有锅炉热效率计算公式进行了简化，并通过数学推导得出生物质颗粒锅炉热效率的表达函数，确定了影响锅炉热效率的主要参数的取值范围，并据此建立了锅炉热效率的优化模型。用遗传算法求解得出生物质颗粒锅炉效率的最优值。研究结果表明：采用遗传算法可以优化生物质颗粒锅炉效率并快速获得锅炉的最佳运行参数，为生物质颗粒锅炉的经济运行提供参考依据。关键词 生物质颗粒锅炉 热效率 遗传算法 优化文献标识码：文章编号：（）（.，.），在“碳达峰，碳中和”的国策背景下，节能降碳工作被提到了全新的高度。天然气、生物质等清洁能源获得了广泛的应用。但是由于天然气价格昂贵，在燃烧的过程中会产生碳排放，不利于完成“双碳”目标。而生物质燃料的燃烧过程可视为零碳排放，因此越来越多的工业锅炉使用生物颗粒作为燃料。生物质颗粒通常是由压实的锯末和木材加工厂的废料制成，具有水分含量低（低于）和灰分含量低（低于）等特点，作为一种替代天然气的清洁燃料在工业锅炉上得到了广泛的应用。生物质颗粒锅炉是一个典型的多输入、多输出、非线性、非自平衡的复杂系统，其燃烧是一个复杂的物理化学过程。探寻一种降低工业锅炉的单位产品燃料消耗的方法，对于生物质颗粒锅炉来说至关重要。工业领域内通常使用热效率作为衡量锅炉.冶 金 能 源 热工性能的标准。因此，提高生物质颗粒锅炉的燃烧效率是一个重要议题。目前，对 煤 粉 锅 炉 热 效 率 的 研 究 较 多。等人提出基于锅炉运行参数研究锅炉效率的计算模型；侯荣利开发了燃烧优化策略来提高燃煤锅炉的燃烧效率；等人将支持向量回归（）与煤粉锅炉效率简化模型相结合，以提高锅炉效率，减少 排放。等人等人建立煤粉锅炉燃烧模型，采用最小二乘支持向量机（）对煤粉锅炉燃进行了优化。等引入偏最小二乘向量机（）建立燃煤粉发电厂锅炉效率模型。文章首先研究分析生物质锅炉的热效率计算模型，并对其计算公式进行简化。在此基础上，利用反平衡法建立了生物质颗粒锅炉热效率的优化模型。以锅炉效率函数为基础，并以影响锅炉效率的运行参数作为约束变量，基于遗传算法对锅炉效率进行了优化计算，给出了锅炉热效率的最佳值和决策变量的取值，为生物质颗粒锅炉的经济运行提供参考依据。锅炉热效率数学模型的建立热效率是反映生物颗粒锅炉运行性能优劣的关键参数。锅炉的热效率为：（）式中：，；净吸热量，排烟热损失，化学未完全燃烧热损失，机械未完全燃烧热损失，散热损失，炉渣显热损失。下面分别给出了可用于计算、和 值的经验公式：排烟热损失：（）（）式中：.；.；为排烟处的空气系数；为排烟温度，；为环境温度，。化学未完全燃烧热损失：（）式中：.（.）；.；和是 和 在烟道测点处的体积分数。机械不完全燃烧热：（）式中：系数 ；为燃料中灰分含量的百分比；为燃料的低位热值，；和 为灰渣和飞灰中可燃物的质量百分比；和 为灰渣和和飞灰在燃料中的占比，根据文献，.，.。散热损失：（）式中：为额定蒸发量或额定供热量时的散热损失，根据文献 取值为.；为锅炉额定负荷；为锅炉目前运行负荷。需要指出的是，根据现场调研，工业锅炉的运行负荷一般远低于额定负荷，的数值可视为。锅炉的运行负荷基本为常数，其导数可视为。炉渣显热损失：（）（）式中：（）为炉渣的焓值，根据文献 提供的焓值数据进行拟合：（）.（）锅炉热效率数学模型的简化锅炉热效率的表达式是一个非常复杂的非线性关系式。为了便于优化求解，首先利用误差分析的方法对其表达式进行了简化，即采用偏微分方法找出影响锅炉热效率的主要影响因素，忽略次要影响因素，从而对锅炉热效率的表达式进行简化，以便进行优化分析。根据锅炉热效率数学模型，可得：（，）（，）（）根据微分原理，可以得出以下方程式：（）式中：为锅炉热效率的测试误差；为 的测量误差；（对 的偏微分的绝对值）。这里最重要的因素是，它表示 对 的影响。越大，表明影响越显著。表 列出了某 燃烧生物颗粒的工业锅炉的计算结果。冶 金 能 源 .表 生物颗粒锅炉的计算结果参数数值偏导数绝对值（）排烟温度.（）排烟中 含量.（）炉渣含碳量.（）飞灰含碳量.（）收到基灰分含量.（）低位发热量 .（）排烟中的氧含量.（）从表 可以看出，偏导数最小值为，其值是.，非常小，对 的影响可以忽略。因此，公式（）可以表示为：（，）（，）（）这意味着 可以表示为，和 的函数。某生物质颗粒锅炉的锅炉类型为层燃链条炉，燃料类型为生物质颗粒。其额定蒸发量为 ，额定出口压力为.，额定出口温度为 。以该锅炉的技术参数为条件，进行 组生物质颗粒锅炉的热效率实验。采用多元回归的方法，利用 组生物质锅炉热效率的检测数据，回归得出了相应的经验关系式（），并进行误差对比分析，具体见表。.（）从表 可以看出，锅炉热效率的实验值和计算值较接近，相对误差不超过.。可知该经验公式具有较高的可信度，可作为生物质颗粒锅炉热效率的简化数学模型进行广泛应用。这将在一定程度上减少生物质颗粒锅炉测试的工作量，同时也便于生物质颗粒锅炉热效率进行优化分析，具有重要的参考意义。表 生物质颗粒锅炉热效率的实验与计算误差 实验值计算值相对误差.锅炉热效率优化分析文章采用应用较广且效果较好的遗传算法进行优化分析，设置、和 即、和 为独立变量。为、和 分别设置了相应的变化范围。根据上文得出的生物质工业锅炉热效率优化模型为：.文章采用应用较广的遗传算法。遗传算法属于进化算法的一种，通过模仿自然界的选择与遗传机理寻找最优解。遗传算法有三个基本算子：选择、交叉和变异。数值方法求解这一问题的主要手段是迭代运算。一般的迭代方法容易陷入局部极小的陷阱而出现“死循环”现象，使迭代无法进行。遗传算法作为一种全局算法，很好地克服了这个缺点。在使用遗传算法优化生物质颗粒锅炉热效率时，设置种群变异概率为.，交叉概率为.，迭代 次。在算法运.冶 金 能 源 行之后，得到最佳锅炉效率为.，具体计算结果见表。表 生物质颗粒锅炉热效率优化结果 热效率优化值 热效率实测平均值.由表 可以看出，目前生物质锅炉的运行热效率和优化热效率还有 左右的差距，说明现存生物质颗粒锅炉的热效率提升空间比较大。以往的运行经验是优先控制烟气中的氧气含量尽可能低，从而提高锅炉的热效率。但经过对比分析，发现锅炉的运行参数选择与以往的运行经验略有不同。首先，生物质颗粒燃料的灰分含量对锅炉运行的热效率影响程度较大，所以应该尽量保证生物颗粒的纯度，减少灰分含量；其次是控制锅炉烟气的含氧量稳定在 左右；同时减少锅炉漏风，减少排烟热损失；最后是控制排烟温度在 左右，确保不发生低温腐蚀现象。因此，现存的生物质颗粒锅炉应该根据优化结果调整运行参数，这对生物质颗粒锅炉的应用推广具有较大的参考意义。结论（）文章利用偏导数法对现有锅炉热效率计算公式进行了简化和误差分析，在多元线性回归的基础上，得出了计算燃用生物颗粒的工业锅炉热效率的经验公式。（）实验值和计算值之间的相对误差不超过.，验证了该公式的可信度。（）在此基础上，采用遗传算法对锅炉效率进行优化。优化结果证明，生物质锅炉的热效率可达 以上，比目前的实际运行热效率高左右，同时还给出锅炉运行的最佳参数。因此，引入遗传算法对锅炉效率模型进行优化，可以提高锅炉的热效率，并快速获得锅炉的最佳运行参数，为生物质颗粒锅炉的经济运行和应用推广提供参考依据。参考文献 黄志甲，黄战，张金星，等.氨法吸收高炉煤气中过程传热传质模型 冶金能源，（）：.吉立鹏，吴礼云，陈俊锋，等.钢铁企业石灰窑二氧化碳减排 研 究 与 实 践 应 用 冶 金 能 源，（）：.高兴忠，卢芯彤，聂晶，等.生物质颗粒燃料生产及运用 再生资源与循环 经 济，（）：.石云.基于神经网络和遗传算法的锅炉燃烧建模与优化 计算机应用与软件，（）：.，.侯荣利.基于超限学习机与涡流搜索算法的锅炉燃烧优化策略 冶金能源，（）：.，.，（）：.，.吴味隆.锅炉及锅炉房设备（第 版）北京：建筑工业出版社，.李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理 北京：化学工业出版社，.刘爱科，谢春妮.模拟退火算法与遗传算法性能比较 中国化工贸易，（）：.万 雪编辑冶 金 能 源 .