代憲亞， 茅大鈞

(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院， 上海 200090)

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天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合評判

代憲亞， 茅大鈞

(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院， 上海 200090)

從天然氣冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性、技術(shù)先進性、可靠性和安全性等6個方面，建立了CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。結(jié)合1-9權(quán)重標(biāo)度方法、層次分析法、專家打分法、半梯形模糊隸屬度函數(shù)等評價方法，建立了CCHP系統(tǒng)模糊綜合評價模型。以上海閔行某冷熱電聯(lián)供能源站為例，對提出的方法進行實例分析,研究結(jié)果與該能源公司的最終確定方案一致，直接驗證了該研究方法和結(jié)果是可行的。

天然氣； 冷熱電聯(lián)供； 綜合評判； 評價指標(biāo)； 權(quán)重標(biāo)度

天然氣冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)是國內(nèi)近年來興起的、利用燃機設(shè)備向用戶提供能源供應(yīng)的新的能源利用模式。與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)和能源供應(yīng)系統(tǒng)相比，天然氣CCHP系統(tǒng)更加接近用戶端，不需要建設(shè)大電網(wǎng)進行遠距離高壓或超高壓輸電，可大大減少線損，節(jié)省輸配電建設(shè)投資費用[1-3]。另外，隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，作為清潔能源的天然氣資源越來越得到能源產(chǎn)業(yè)的青睞。并且，天然氣CCHP系統(tǒng)在發(fā)電的同時，充分利用發(fā)電余熱來制冷、制熱，實現(xiàn)能源的梯級利用，使能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%提高到80%左右[4-5]。

天然氣CCHP系統(tǒng)是一個能量形式多輸入多產(chǎn)出的復(fù)雜系統(tǒng)，對其進行比較及優(yōu)化的評價準(zhǔn)則成為目前研究的熱點與難點。文獻中，建立了一套多層次CCHP系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系對其進行綜合評價。文獻中通過計算系統(tǒng)的經(jīng)濟效率來評價CCHP系統(tǒng)的優(yōu)越性。文獻中提出一種采用混合多層次灰色關(guān)聯(lián)方法對CCHP系統(tǒng)進行綜合評價。文獻中采用直接給出法確定了指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。但從目前的研究現(xiàn)狀看，大多數(shù)研究者還是把經(jīng)濟性作為考慮的因素，很少有學(xué)者能夠?qū)υu價指標(biāo)體系做出多方面的綜合考慮。另外，在評價指標(biāo)體系中，不同指標(biāo)的權(quán)重和評價矩陣的確定方法普遍采用的是經(jīng)驗公式或?qū)＜彝镀贝蚍值姆椒ǎ嬖谥饔^性較強、客觀性差的缺陷，缺乏科學(xué)性和合理性。

本文綜合考慮天然氣CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性、技術(shù)先進性、安全性和可靠性等6個方面，全面考慮它們的評價指標(biāo)，建立了CCHP系統(tǒng)模糊綜合評判模型；結(jié)合層次分析法、專家打分法、模糊綜合評判等評價方法，充分考慮了專家們的主觀經(jīng)驗，又利用模糊分析和隸屬度函數(shù)的建立提高評價的客觀性，從而增強了評價結(jié)果的可信度，對天然氣CCHP系統(tǒng)的綜合評判研究具有重要意義。

1 CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系

對CCHP系統(tǒng)的評價屬于多目標(biāo)決策優(yōu)化問題。為使評價結(jié)果更加具有科學(xué)性和合理性，需要利用層次分析原理對系統(tǒng)進行分析研究。同時，建立合理的指標(biāo)體系是進行綜合評價的前提基礎(chǔ)，是使評價結(jié)果具有科學(xué)性和可靠性的首要條件[10-11]。

表1給出了CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。本文將經(jīng)濟性、環(huán)保性、節(jié)能性、技術(shù)先進性、可靠性和安全性等6個方面作為CCHP系統(tǒng)綜合評價總指標(biāo)的一級指標(biāo)，然后，針對各級一級指標(biāo)外延出相對應(yīng)的二級指標(biāo)。其中，不同的一級指標(biāo)外延出的二級指標(biāo)有所重疊，如環(huán)保性u2下有余熱回收率u21，節(jié)能性下也有余熱回收率u34，這是由于余熱回收率既影響著環(huán)保性也影響著節(jié)能性，但是在不同的一級指標(biāo)下面，它被賦予的權(quán)重值是不同的，需要與同組的二級指標(biāo)進行相互權(quán)衡、比較。

表1 CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index of CCHP system

2 CCHP系統(tǒng)模糊綜合評判模型

模糊綜合評判就是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則[12-13]進行系統(tǒng)評價?？紤]與被評價的CCHP系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)所相關(guān)的各個因素，將每一項指標(biāo)進行量化，然后根據(jù)不同指標(biāo)對評判對象的影響程度來分配權(quán)重。在CCHP系統(tǒng)中，相關(guān)測控參數(shù)或技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)可直接或間接地反映系統(tǒng)的相關(guān)性能；然后，合理利用這些數(shù)據(jù)，通過搭建模糊綜合評判模型來對CCHP系統(tǒng)進行評判。

2.1 確定評價指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重

由于CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系中的各個子指標(biāo)(包括一級和二級指標(biāo))對上一級指標(biāo)的影響程度并不相同，因此，各指標(biāo)在評價指標(biāo)體系中所占的權(quán)重也是不同的。

美國著名運籌學(xué)家Saaty曾提出1-9比較標(biāo)度法，構(gòu)造了判斷矩陣，重復(fù)進行兩兩比較的任務(wù): 兩個元素對上級指標(biāo)哪個重要，重要多少，需要對重要程度進行1～9之間的賦值。該過程即為比例標(biāo)度[12]。本文將1-9比較標(biāo)度法合理地運用在確定CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系的指標(biāo)權(quán)重上。

對應(yīng)表1的評價指標(biāo)體系，構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣。本文選擇1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度值，分別權(quán)衡各指標(biāo)因素的相對重要性。表2給出了1-9標(biāo)度代表的含義。其中，Axy為標(biāo)度值，反映指標(biāo)x、y的相對重要程度。

表2 1-9標(biāo)度代表的含義Tab.2 Explanation of 1-9 weight scale

應(yīng)用1-9比較標(biāo)度法對CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系各級指標(biāo)進行兩兩之間的比較，構(gòu)造出權(quán)重判斷矩陣為

A=(Axy)n×n， x,y=1,2,…，n

(1)

然后，求出判斷矩陣的最大特征根和與之對應(yīng)的特征向量，即評價指標(biāo)的重要性權(quán)重排序。權(quán)重判斷矩陣的特征根與特征向量的求解可采用根方法進行計算，矩陣A的最大特征根和特征向量的步驟如下:

(1) 求出權(quán)重判斷矩陣的每一行元素的乘積，再求n次方根，即

(2)

(3)

(3) 據(jù)此所得到的結(jié)果W=(w1w2…w6)，即為所求得的特征向量(權(quán)重向量)。計算判斷矩陣最大特征根為

(4)

式中，Ax為A的第x行向量。

(4) 為檢驗各元素重要度之間的協(xié)調(diào)一致性，避免出現(xiàn)“A比B重要，B比C重要，而C又比A重要”的矛盾出現(xiàn)，需要對判斷矩陣A進行一致性檢驗，使用一致性判斷指標(biāo)CI對A進行判斷，

CI=(λ-n)/(n-1)

(5)

表3給出了判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)RI。計算一致性比率

CR=CI/RI

(6)

若CR≤0.1，則認為權(quán)重判斷矩陣A具有一致性，可作為決定評判指標(biāo)的判斷矩陣；否則，需要對A進行檢查與調(diào)整，直到滿足一致性要求為止。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)Tab.3 Average random consistency index

2.2 確定模糊綜合評判模型

設(shè)CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，其中ui(i=1,2,…,6)是一級指標(biāo)中的第i個指標(biāo)。本文建立了兩級評價指標(biāo)體系，其中，ui又包括其外延出的m個子指標(biāo)，即ui={ui1,ui2,…,uim}。如表1所示，指標(biāo)uij(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m)即為第i個指標(biāo)的第j個子指標(biāo)。

因此，利用1-9比較標(biāo)度方法和層次分析法，確定了各指標(biāo)對上一級指標(biāo)的權(quán)重值。一級指標(biāo)的權(quán)重為

W=[w1w2… w6]

(7)

式中，wi(i=1,2,…,6)為一級指標(biāo)中的第i個指標(biāo)ui對總指標(biāo)U的權(quán)重值。二級指標(biāo)權(quán)重為

Wi=[wi1wi2… wim]

(8)

式中，wij(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m)為指標(biāo)ui的第j個子指標(biāo)uij對ui的權(quán)重值。

確定了評價指標(biāo)體系集和各指標(biāo)的權(quán)重值后，還需要給出評價矩陣，才能給出系統(tǒng)評價結(jié)果。設(shè)評價對象集中有p個元素，即需對p個對象進行評價排序，選出性能最優(yōu)的對象。評判矩陣為

(9)

式中，rijk(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m；k=1,2,…,p)表示從子指標(biāo)uij單方面來評價時，第k個評價對象“偏優(yōu)”的隸屬度。

(1) 隸屬函數(shù)的選擇與建立。評判矩陣的確定需要對原始數(shù)據(jù)進行隸屬函數(shù)處理。隸屬函數(shù)的選擇是對CCHP系統(tǒng)進行綜合評價的一個關(guān)鍵步驟。隸屬函數(shù)反映的是不同的評判對象在同一評判指標(biāo)下得到的評價結(jié)果的差異。常用的隸屬函數(shù)確定方法有加權(quán)平均法、相對選擇法、模糊統(tǒng)計法等。其中，模糊統(tǒng)計法是比較容易、且實用性較強的隸屬函數(shù)確定方法，包括矩形分布、梯形分布、拋物線分布等，每種分布又包括偏大、偏小和中間型3種類型[14]。

隸屬函數(shù)的選擇要從實際出發(fā)，根據(jù)CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)體系的指標(biāo)性質(zhì)進行確定，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點分析其變化趨勢，然后為數(shù)據(jù)確定合理的隸屬函數(shù)模型[15-16]。不少學(xué)者選擇專家投票打分的方法確定評判矩陣，但該方法主觀性太強，評價結(jié)果不夠科學(xué)、合理。對于CCHP系統(tǒng)，本文選取半梯形隸屬函數(shù)來構(gòu)造評判矩陣，根據(jù)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的數(shù)據(jù)特點，分別選擇偏大和偏小型兩種隸屬函數(shù)。表1中，u52、u44、u55、u21、u34、u31等指標(biāo)都屬于數(shù)值越大則系統(tǒng)越優(yōu)，故選擇偏大型隸屬函數(shù)；u22、u23、u24、u16、u43等指標(biāo)都屬于數(shù)值越小則系統(tǒng)越優(yōu)，故選擇偏小型隸屬函數(shù)。通過判斷分析指標(biāo)體系中各指標(biāo)類型，決定選擇隸屬函數(shù)形式，然后計算出相應(yīng)的隸屬度，組成CCHP系統(tǒng)評判矩陣Ri。兩種隸屬函數(shù)形式如表4所示。其中，a、b分別為u的最小值和最大值。

表4 兩種隸屬度函數(shù)表達式和圖像Tab.4 Expressions and images of two membership functions

(2) 兩級模糊綜合評判模型建立。當(dāng)指標(biāo)體系U中的元素較多時，為方便處理，可先按照某些屬性進行分類，對每一類的子指標(biāo)進行綜合評判，即二級評判；然后，對二級評判的結(jié)果進行一級綜合評判。

為充分考慮所有指標(biāo)對評價對象CCHP系統(tǒng)的影響，計算二級模糊綜合評判集，得

(10)

由式(8)～(10)，得

(11)

本文采用兩級評價指標(biāo)層次，由于一級模糊綜合評判是對一級指標(biāo)ui(i=1,2,…,6)的綜合評判，故二級模糊綜合評判的結(jié)果可作為一級模糊綜合評判的評判輸入矩陣(R)6×p為

(12)

一級模糊綜合評判集為

B=WR=[b1b2… bp]

(13)

則

(14)

通過比較b1～bp的大小，即可得到待評價對象集中綜合指標(biāo)最高的對象。

3 CCHP系統(tǒng)評價應(yīng)用分析

3.1 確定評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)本文提出的指標(biāo)權(quán)重的確定方法，先求出表1所示的CCHP指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重值。通過專家評審小組，利用1-9比較標(biāo)度方法確定權(quán)重判斷矩陣，則得出一級指標(biāo)的權(quán)重判斷矩陣為

A=(Axy)n×n=

由式(2)、(3)得出一級指標(biāo)權(quán)重值為

W=[0.183 0.096 0.107 0.063 0.121 0.430]

由式(4)求得A的最大特征根為

由式(5)求得

CI=(λ-6)/(6-1)=0.0354

6階矩陣的RI為1.24，故由式(6)求得

CR=CI/RI=0.0285<0.1

則權(quán)重判斷矩陣A滿足一致性要求。

同理，可求出各二級指標(biāo)的權(quán)重如表5所示。

表5 CCHP各二級評價指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Weight of the second evaluation index of CCHP

得到各二級指標(biāo)的權(quán)重矩陣為

3.2 確定評價矩陣

本文以上海閔行某冷熱電聯(lián)供能源站為例，對提出的方法進行實例分析。該能源站主要為周邊工業(yè)園區(qū)供應(yīng)冷熱電能源。在能源站建設(shè)初期需要確定能源供應(yīng)方式，公司前期主要給出了3種方案。

(1) 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供能系統(tǒng)(燃氣輪機+ 蒸汽輪機+余熱鍋爐+輔助鍋爐+吸收式制冷機等)。天然氣進入燃氣輪機，在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M入透平做功，帶動發(fā)電機組發(fā)電；透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽又帶動蒸汽輪機做功，然后由發(fā)電機產(chǎn)生電能。從蒸汽輪機中抽取低溫、低壓蒸汽，一部分用于熱交換，為用戶提供熱能；另一部分被吸收式制冷機組利用，產(chǎn)生冷負荷以滿足用戶需求。生產(chǎn)的電力可入網(wǎng)也可以并網(wǎng)。

(2) 天然氣CCHP系統(tǒng)(燃氣輪機+余熱補燃吸收式制冷機+余熱鍋爐等)。天然氣進入燃氣輪機，在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M入透平做功，帶動發(fā)電機組發(fā)電；透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產(chǎn)生的蒸汽一部分用于熱交換，為用戶提供熱能；另一部分被吸收式制冷機組利用，產(chǎn)生冷負荷以滿足用戶需求。生產(chǎn)的電力可入網(wǎng)也可并網(wǎng)。

(3) 冷熱電分供系統(tǒng)。該方案不需要天然氣發(fā)電，用戶所需電力直接由電網(wǎng)端供應(yīng)，工業(yè)園區(qū)的供熱與供冷均由燃氣鍋爐和吸收式制冷機組供應(yīng)。

該能源公司對3種方案的各指標(biāo)進行了仿真預(yù)判，本文依照文中提出的評價指標(biāo)集，選取CCHP系統(tǒng)評價需要的各種指標(biāo)，具體參數(shù)如表6所示，其中，u44、u53、u62、u63、u64均為公司內(nèi)部計算指標(biāo)。

表6 CCHP系統(tǒng)評價指標(biāo)參數(shù)Tab.6 Parameters of evaluation index of CCHP

利用本文提出的CCHP系統(tǒng)評價方法，根據(jù)半梯形隸屬度函數(shù)，依照表6提供的指標(biāo)參數(shù)，求出評價矩陣。如投資回收期u12指標(biāo)越小越好，則選擇偏小型隸屬度函數(shù)，即

由此得

由式(10)得

故由u1單方面來看，方案3略優(yōu)于方案1。同理可依次求出B2、B3、B4、B5和B6。

前文所述，二級模糊綜合評判的結(jié)果即可作為一級模糊綜合評判的評判輸入矩陣，故由式(12)可得到一級模糊綜合評判的評判輸入矩陣為

由上述計算結(jié)果可見，方案1在環(huán)保性和節(jié)能性方面表現(xiàn)最優(yōu)；方案2在技術(shù)先進性和安全性方面表現(xiàn)最好；方案3在經(jīng)濟性和可靠性方面表現(xiàn)最優(yōu)。但評價結(jié)果需要綜合所有的指標(biāo)，故由式(13)可得

B=W·R=[b1b2b3]=

[0.6849 0.5507 0.5330]

由計算結(jié)果可見，方案1的綜合指標(biāo)值最高，其次是方案2，方案3略低于方案2。因此，本文確定采取方案1作為能源站的建議方案，這與該能源公司的最終確定方案一致，直接驗證了本文研究方法的可行性。

需要說明的是，一級模糊綜合評判的結(jié)果和綜合評價結(jié)果中的數(shù)值都不具有實際意義，數(shù)值的大小只是為了比較并得出待評價對象集中綜合評價指標(biāo)最高的對象。如一級模糊綜合評判的環(huán)保性結(jié)果B2顯示出方案3的評價結(jié)果是0，但這并不說明方案3不環(huán)保；事實上天然氣發(fā)電相比于其他燃煤的火力發(fā)電系統(tǒng)具有更好的環(huán)保性，評價結(jié)果0只是表明在待評價的這3種CCHP供能方式中，方案1、2遠優(yōu)于方案3。

4 結(jié) 語

本文建立了全面的評價指標(biāo)體系，分別從經(jīng)濟性、環(huán)保性、節(jié)能性、技術(shù)先進性、可靠性和安全性等6個方面進行了綜合評價，使得評價結(jié)果更加全面綜合，優(yōu)化了其他學(xué)者在評價體系方面只重視經(jīng)濟性的不足。本文使用1-9比較標(biāo)度方法確定評價指標(biāo)元素的權(quán)重值，并結(jié)合專家打分法、層次分析法、半梯形模糊隸屬度法，建立了CCHP系統(tǒng)模糊評價模型，既考慮了專家的主觀意見，又綜合了CCHP系統(tǒng)運行的實際指標(biāo)參數(shù)。主觀意見與客觀數(shù)據(jù)有效結(jié)合，使得評價結(jié)果更加科學(xué)合理，改變了傳統(tǒng)評價方法主觀性太強的缺點。

通過CCHP系統(tǒng)評價應(yīng)用分析，結(jié)合實際應(yīng)用，以上海閔行某冷熱電聯(lián)供能源站為例，對本文中提出的方法進行了實例分析，研究結(jié)果與該能源公司的最終確定方案一致，直接驗證了本文研究方法的可行性。

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Comprehensive Assessment of Natural Gas CCHP System

DAI Xianya, MAO Dajun

(College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Economy index, energy conservation index, environmental protection index, technical advancement, reliability and security are analyzed and taken into account in assessment of the combined cooling heating and power (CCHP) system of natural gas. The original 1-9 method for weight scale, analytic hierarchy process, expert scoring method, and half-trapezoid fuzzy membership degree function contribute to the establishment of CCHP assessment model. Taking the example of a natural gas CCHP energy station in Minhang, Shanghai, the assessment results agree with the final scheme of the energy station. It shows that the CCHP system assessment model is feasible and the results are reliable.

natural gas; combined cooling heating and power (CCHP); comprehensive assessment; evaluation index; weight scale

2016 -07 -05

代憲亞(1992 -)，男，碩士生，主要研究方向為天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)運行優(yōu)化, E-mail: dxy05162012@126.com

2095 - 0020(2016)05 -0271 - 07

TK 123

A