定费用时尿素热解脱硝系统的可靠性研究.pdf

* 国家 863 计划资助项目 2007AA061802 。 定费用时尿素热解脱硝系统的可靠性研究定费用时尿素热解脱硝系统的可靠性研究 * 王伟沈凯黄亚继 东南大学能源与环境学院，南京 210096 摘要 针对费用最小化理论在可靠性分配中的局限性， 建立更切合实际的固定费用下可靠度极大化思想。将该思想运 用到尿素热解脱硝系统中， 针对系统结构功能特征及运行特点， 深入分析各系统间逻辑功能关系， 提出了完整的尿素 热解脱硝系统可靠性分配模型。并引入可靠性成本预估函数， 以固定费用为约束， 建立数学模型， 实现了系统可靠性 指标的最优化分配。最后以脱硝系统为例， 获得具有实际意义的数值解， 证明了该方法的可用性及正确性。 关键词 尿素热解;可靠性分配;费用;数学模型 STUDY ON THE RELIABILITY OF SCR SYSTEM BASED ON UREAS PYROLYSIS AT A FIXED COST Wang WeiShen KaiHuang Yaji School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China AbstractIn view of the limitation of cost minimization on reliability allocation，the maximization of reliability at fixed cost is used． The theory is introduced into the SCR system which is based on urea’ s pyrolysis． Through analyzing the structure and function of system features and operation characteristics，as well as the relations between each system logic functions，a complete reliability allocation model is made． By introducing reliability cost estimations function，and the constraint of cost minization，the Mathematical model is made，then the optimal allocation is reached． Finally，with SCR system for example， the numerical solution of practical significance is obtained． It proves this ’ s usability and accuracy． Keywordsurea pyrolysis;reliability allocation;cost;mathematical model 0引言 “十二五” 期间我国节能减排范围将增加“脱硝” 这一约束性硬指标， 环保部也于日前下发了火电厂 大气污染物排放标准 二次征求意见稿 ， 要求从 2012 年 1 月 1 日开始， 所有新建火电机组 NOx 排放 量达到100 mg/m3。随着政策力度的加强， SCR 作为 目前国际上技术最成熟的烟气脱硝技术［1］， 有着极 为广泛的应用市场。液氨、 氨水及尿素均可作为 SCR 技术中还原剂 NH3的来源。但近年来， 脱硝还原剂 的储存、 制备与供应技术日渐成熟， 对它的选择和制 备主要从安全与经济角度综合考虑［2］。同时， 当前 从地方管理部门获得液氨的使用与运输许可证越来 越困难， 安全防范要求越来越严， 相应的安全成本越 来越大， 相对而言， 研究开发具有高安全系数的尿素 热解系统倍受青睐。再者， SCR 脱硝系统与电厂主体 相连， 其稳定与否直接影响着锅炉的运行［3］， 甚至是 电网的安全， 为此针对尿素热解脱硝系统可靠度的研 究具有重要的工程应用价值及社会意义。 目前国内外学者［4- 8］的研究更多的着力于从业主 利益的角度分析问题， 即如何在满足可靠性要求的情 况下， 实现费用的最小化。但在现实生活中， 随着供 电安全问题的倍受重视， 很多情况下是根据电厂所能 承担的费用， 设计时尽可能的提高系统的可靠度， 即 从系统安全角度出发， 在费用一定的情况下， 使得尿 素热解脱硝系统的可靠性达到最高。 本文以尿素热解脱硝系统为研究对象， 建立可靠 性分配模型， 以设定的脱硝系统总费用约束， 构建数 学模型， 运用 Matlab 优化工具， 对系统内装置进行可 靠性合理分配， 实现系统可靠度的最大化。 1尿素热解脱硝系统组成及可靠性模型的建立 典型的 SCR 脱硝反应系统采用的是高温高尘布 531 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 置方式， 置于省煤器与空气预热器之间。来流烟气中 的 NOx 在催化剂的作用下与喷入反应器的 NH3反应 生成 N2。本文所研究的是 NH3源自尿素热解的脱硝 系统， 如图 1 所示。 图 1尿素热解制氨脱硝系统图 从图 1 组成上看， 尿素热解脱硝系统由脱硝反应 分系统、 尿素制备输送分系统、 尿素热解分系统、 管路 分系统四部分构成。干尿素颗粒储存于尿素储仓， 由 斗式提升机输送到尿素溶解罐里， 用去离子水将干尿 素溶解成 50 质量浓度的尿素溶液， 通过尿素溶液 给料泵输送到尿素溶液储罐; 尿素溶液经由高流量循 环装置、 计量分配装置， 通过喷射器进入热解室内， 与 经由电加热器输送过来的高温空气 一次风 混合热 解， 生成 NH3、 H2O 和 CO2。分解产物的空气混合物， 经过管道输送至 SCR-AIG， 均匀喷入脱硝系统。尿素 热解脱硝系统设备多而复杂， 本文将在充分考虑关键 设备及系统完整性的基础上进行可靠性分配。其各 子系统和设备代号见表 1。 实际应用中， 在脱硝系统发生故障而锅炉又不能 停运的情况下， 会打开旁路烟道， 因此旁路挡板与脱 硝系统是并联方式。而当脱硝系统正常运行时， 要求 入口挡板、 脱硝反应系统、 尿素制备输送系统、 尿素热 解系统、 管路系统、 出口挡板一起工作， 任何一个分系 统出现问题都无法实现脱硝要求， 因而以上几个分系 统是串联方式。可靠性框图如图 2 所示。 由于尿素热解脱硝系统庞大， 个中关系复杂， 加 上脱硝系统的安全于电厂主体的重要意义， 许多关键 设备采用冗余设计， 为方便计算， 可先将相同设备看 作同一子系统， 再将子系统的可靠性指标分配给各设 表 1可靠性分配中各子系统和设备代号 系数设备名称 设备可靠 度符号 子系统可靠 度符号 系统中 配置 脱硝反 应器 系统 RSS1 省煤器R01RS01 旁路挡板R02RS02 入口挡板R03RS03 反应器主体R06RS06 催化剂层R07RS072 用 1 备 喷氨格栅R08RS08 导流板R09RS09 尿素制 备输送 系统 RSS2 声波吹灰器R10RS10 尿素溶解槽R11RS11 溶解搅拌电机R12RS12 电加热器R13RS13 尿素溶液给料泵R14RS141 用 1 备 尿素热 解系统 RSS3 尿素溶液储罐R15RS15 高流量循环装置R16RS16 稀释风机R17RS171 用 1 备 热风电加热器R18RS18 尿素喷射器R19RS19 管路 系统 RSS4 去离子水管路R20RS20 尿素溶液管路R21RS21 气体管路R22RS22 出口挡板R04RS04 空气预热器R05RS05 图 2尿素热解脱硝系统可靠性分配框图 备单元。如尿素溶液给料泵作为脱硝系统关键设备， 要求具有较高的可靠性， 结合产品的实际特点， 采用 了一用一备的方式， 可用二项表达式建立子系统与设 备的关系， RS14 R2 14 C1 2 1 － R14 R14， 无冗余时可以 认为 RSi Ri。 根据图 2， 尿素热解脱硝系统的整体可靠度为 RS RS01RS05［ 1 － 1 － RS02 1 － ∏ 22 i 3， i≠5RS i ］ 1 2数学模型的建立 2. 1总体思想 假设某电厂可用于建设尿素热解脱硝系统的总 费用为 H0， 要求在总费用的范畴内实现尽可能大 的 可靠度。Ci为各设备成本， Ri为设备的可靠性， 则系 统总费用 C0Σ n 1 Ci，可靠性与成本之间存在函数 631 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 关系 Ri M Ci 系统可靠度 RS f R1， R2， Rn 可靠性分配问题转化为在 C0≤H0的限制条件 下， 求使得 RS最大的 Ci的数学问题。 2. 2费用函数 费用函数表征的是设备的成本与可靠度之间的 关系。设备成本囊括了材料、 人工等等， 是一个抽象 的概念， 而且各个时间段的经济特性不一， 很难获得 费用与可靠度之间的统计数据， 无法建立经验关系 式。因此按照 1986 年 Dale 和 Winterbottom 提出的费 用函数必须满足的性质， 我们选择了文献［ 9］中所提 出的费用函数 C Ri 1 fi ln Ri， max － Ri， min Ri， max － Ri 2 其中包含 3 个参数 fi， Ri， max， Ri， min。fi表示提高单元 i 可靠性的可行度 难易程度 ， 0 ＜ fi＜ 1; Ri， max表示在 当前的技术水平下单元 i 可达到的最大可靠度水平; Ri， min表示单元 i 原有可靠度。 2. 3尿素热解脱硝可靠性分配模型 根据上述理论， 同时我们知道 Ri作为实际选择 的设备可靠度必介于 Ri， max与 Ri， min之间， 而投入的成 本 Ci必非负， 结合式 1 、 式 2 ， 构建有约束非线性 方程组， 如下 max RS01RS05［ 1 － 1 － RS02 1 － ∏ 22 i 3， i≠5RS i ］ 3 s． tΣ 22 1 1 fi In Ri， max － Ri， min Ri， max － RSi ≤ H0 4 Ri， min≤ Ri≤ Ri， max 5 Ci≥ 0 6 通过求解方程组我们可以获得可靠性指标在分 系统级的分配结果， 再结合设备的冗余情况， 可确定 各设备的可靠性。 3算例分析 本文采用上述提出的方法， 以尿素热解脱硝系统 中 4 个主要单元为例， 假设要求建设总费用不超过 10， 求系统所能达到的最大可靠度及分配情况。 首先建立如图 3 所示的可靠性框图， 脱硝反应系 统、 尿素制备输送系统、 尿素热解系统、 管路系统属于 串联关系。其可靠度表达式为 RS RSS1 RSS2 RSS3 RSS4 其次是可靠性预估成本各参数的确定。关于 图 3尿素热解脱硝主要单元的可靠性框图 式 2 费 用 函 数 中 fi，Ri， max， Ri， min的 值， 根 据 文 献 ［ 10］ 中的论述， fi取值越大说明提高此零部件可靠度 的可行性越大。本文通过专家评价及工程应用中的 实际情况确定了 fi与单元原有可靠度 Ri， min的值， Ri， max均设定为 0. 999， 具体数值如表 2 所示。 表 2可靠性预估成本各参数数值 项目可靠度符号 fiRi，maxRi，min 脱硝反应系统RSS10. 70. 9990. 98 尿素制备输送系统RSS20. 80. 9990. 96 尿素热解系统 RSS3 0. 90. 9990. 92 管路系统RSS40. 60. 9990. 99 将上列数据代入式 2 ， 采用文中建立的数学模 型计算， 可将其转化为多变量有约束非线性函数最小 值的问题， 即将目标函数变为 min－ RSS1 RSS2 RSS3 RSS4 ， 使用 Matlab 优化工具箱中的 fmincon 求解。 目标函数的文件为 function Rs target R Rs － R 1 R 2 R 3 R 4 约束条件的文件为 function ［ G，Ceq］ nonlcon R G log 0. 999 －0. 98 / 0. 999 － R 1 /0. 7 log 0. 999 －0. 96 / 0. 999 － R 2 /0. 8 log 0. 999 －0. 92 / 0. 999 － R 3 /0. 9 log 0. 999 －0. 99 / 0. 999 － R 4 /0. 6 － 10; Ceq ［ ］ ; 给定初值， 并调用优化过程 R0 ［ 0. 98; 0. 96; 0. 92; 0. 99］ ; A ［ ］ ;b ［ ］ ; Aeq ［ ］ ;beq ［ ］ ; VLB ［ 0. 98; 0. 96; 0. 92; 0. 99］ ; VUB［ 0. 998982674;0. 998986917; 0. 998990251; 0. 998977691］ ; options optimset ＇Algorithm＇， ＇interior － point＇ ; ［ R，Rs］ fmincon ＇target＇，R0，A，b，Aeq， beq，VLB，VUB，＇nonlcon＇，options ; R Rs － Rs 731 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 计算得 到 系 统 所 能 达 到 的 最 大 可 靠 度 Rs 0. 9811， 具体可靠性指标分配如表 3 所示。 表 3尿素热解脱硝可靠性分配结果 分系统名称可靠度分配结果 脱硝反应系统0. 9951 尿素制备输送系统0. 9955 尿素热解系统0. 9959 管路系统0. 9944 这时费用 C 9. 94， 符合约束条件要求， 同时系 统可靠度达到最大值。 4结语 环保意识的增强势必带来脱硝行业跨越式的发 展， 尿素热解脱硝技术因其高安全、 易获取等优势， 将 会成为未来的应用重点， 对其进行资源优化及可靠性 分配于脱硝行业的大力发展极具借鉴意义。同时， 在 生产以安全为纲的今天， 决策者在面对利益与高可靠 度时， 必须有所权衡。因此， 在定费用条件下实现可 靠性最大化的研究， 对有高可靠度要求的系统的开发 具有较大的指导意义。 参考文献 ［1］王方群， 杜云贵， 刘艺， 等． 国内燃煤电厂烟气脱硝发展现状及 建议［J］． 电力环境保护， 2007， 23 3 20- 23． ［2］赵冬贤， 刘绍培， 吴晓峰， 等． 尿素热解制氨技术在 SCR 脱硝中 的应用［J］． 热力发电， 2009 8 65- 67． ［3］程星星， 金保升． SCR 脱硝装置对锅炉系统整体的影响理论分 析［J］． 锅炉技术，2010 2 26- 28． ［4］Sasaki G，Okada T，Shingai S．A new technique to optimize system reliability［J］． IEEE Transactions on Reliability， 1983， 32 2 175- 182． ［5］Ahuja R K．Minimum cost-reliability ratio path problem［J］． Computers ＆ Operations Research， 1988， 15 1 83- 89． ［6］Ruan N， Sun X． An exact algorithm for cost minimization in series reliability systems with multiple component choices［J］． Applied Mathematics and Computation， 2006， 181 1 732- 741． ［7］Farag A S，Al-Bajyat S． Optimal design of power systems under constraints of reliability and cost［J］． Energy Convers， 1997，38 7 637- 645． ［8］刘雪峰， 李亚萍． 通过费用最小化分配可靠性［J］． 电子质量， 2008 9 38- 41． ［9］刘飞， 张为华． 基于费用函数的系统可靠性优化分配方法［J］． 机械设计与制造， 2005 11 11- 12． ［ 10］张根保， 王国强， 何文辉， 等． 基于任务的数控机床可靠性分配 技术研究［J］． 中国机械工程， 2010， 21 19 2269- 2273． 作者通信处沈凯210096江苏省南京市东南大学能源与环境学院 E- mailshenkai seu． edu． cn 2011 － 06 － 24 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 65 页 ［8］张广朋， 袁竹林． 袋式除尘器内部流场的数值模拟研究［J］． 动力工程学报，2010， 30 7 518- 522． ［9］陈志炜． 冲袋式除尘器喷吹均匀性探讨［J］． 工业安全与环保， 2010， 36 4 16- 17， 31． ［ 10］Li Ming Lo．Numerical study of pleated fabric cartridge during pulse-jet Cleaning ［J］． Powder Technology，2010，198 1 75- 81． ［ 11］Humphries W，Madden J J． Fabric filtration for coal-fired boilers dust dislodgement in pulse jet filters［J］． Filtration ＆ Separation， 1983 2 40- 44． ［ 12］Koch D，Seville J，Clift R． Dust cake detachment from gas filters ［J］． Powder Technology， 1996，8621- 29． ［ 13］杨迪， 陈海焱， 李怀玉． 喷吹压力和脉冲宽度对脉冲喷吹滤筒 除尘器清灰效果的影响［J］． 安全与环境学报，2008， 8 5 73-76． ［ 14］田玮． 脉冲喷吹袋式除尘器清灰的研究［D］． 西安 西安建筑 科技大学，2005． ［ 15］杨迪． 脉冲喷吹滤筒除尘器喷吹性能研究［D］． 绵阳 西南科 技大学，2008． ［ 16］郑娟． 井下复合式小型高效滤筒除尘器的研究［D］． 绵阳 西 南科技大学，2011. 作者通信处张情621010四川省绵阳市西南科技大学环境与资 源学院东 8B － 606 寝室 电话 0816 6089970 E- mailzhangqing1211 126. com 2011 － 07 － 21 收稿 831 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期