陳 波， 譚 果， 劉 波， 蔡 佳

(1. 湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411104；2. 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410083；3. 湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院， 湖南 湘潭 411104)

火電廠的一次能源消耗大，供電煤耗水平代表著行業(yè)技術(shù)水平以及火電廠能源成本控制水平，因此如何提高火電發(fā)電的能效水平具有重要意義，特別今年來(lái)環(huán)保要求的逐步提高，各類用能設(shè)備中用電比例的提高，如電動(dòng)汽車的推廣等，以及各類新能源發(fā)電廠的發(fā)展，火電廠節(jié)能降耗的水平直接影響火電的發(fā)展和電驅(qū)動(dòng)設(shè)備的推廣。在如何從各個(gè)環(huán)節(jié)、設(shè)備節(jié)能降耗上，研究者們做了大量工作，各類節(jié)能技術(shù)也得到了很好的應(yīng)用，如電機(jī)變級(jí)及電機(jī)變頻技術(shù)、燃燒系統(tǒng)微油點(diǎn)火技術(shù)、汽輪機(jī)汽封優(yōu)化技術(shù)、汽輪機(jī)揭缸提效降低汽輪機(jī)熱耗率、球磨機(jī)少球技術(shù)等[1-3]。從技術(shù)節(jié)能、運(yùn)行節(jié)能、管理節(jié)能等方面多角度了提出節(jié)能的改進(jìn)方法。近年來(lái)，火電節(jié)能方向還有：如席澤艷在加裝煙水復(fù)合回?zé)嵯到y(tǒng)在發(fā)電負(fù)荷為100%、85%、75%、50%進(jìn)行鍋爐熱效率，汽輪機(jī)熱耗率，機(jī)組供電煤耗率等熱力性能測(cè)試，表明煙水復(fù)合回?zé)嵯到y(tǒng)具有很好的節(jié)能效果[4]。汽輪機(jī)冷端優(yōu)化如凝氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)技術(shù)、清潔技術(shù)、查漏技術(shù)、冷卻塔裝置的蒸汽節(jié)能技術(shù)等效果顯著[5]，陳鑫等進(jìn)行了火電機(jī)組凝汽器抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了不同容量機(jī)組的節(jié)能效果和方案選擇[6]。

物元分析理論由于能夠綜合多影響因子，定量地評(píng)定對(duì)象的總體水平和部分水平，能夠在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[20-21]。火電廠的能效水平影響因素很多，且層次分明，綜合物元分析和層次分析，不但能夠?qū)痣姀S總體能效水平進(jìn)行綜合節(jié)能評(píng)價(jià)，而且對(duì)各類總體能效水平的影響因素進(jìn)行定量評(píng)定[22]。

1 物元分析評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)

1.1 物元分析理論

物元理論是研究物元及其變化規(guī)律的理論，物元的基本要素可以表示為R=(N,C,V)三元組，其中N、C、V分別表示事物、事物的特征、關(guān)于特征的量值。則對(duì)于多個(gè)特征的事物。物N的n個(gè)特征C1,C2,Λ,Cn及N關(guān)于Ci(i=1,2,Λ,n)對(duì)應(yīng)的相關(guān)量值Vi(i=1,2,Λ,n)所構(gòu)成的矩陣式如式(1)所示。

(1)

三元組作為評(píng)價(jià)指標(biāo)再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的節(jié)域和經(jīng)典域。確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，計(jì)算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值，判定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬類別，得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 火電廠節(jié)能評(píng)價(jià)物元分析模型

1.2.1 物元模型

對(duì)于火電廠綜合評(píng)價(jià)模型，N即為火電廠的綜合評(píng)價(jià)值，C即為選取的節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，V為三個(gè)指標(biāo)值。如：

(2)

同理在火電廠節(jié)能分評(píng)價(jià)，N為節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，C和V為對(duì)應(yīng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)量值。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化處理

考慮到三個(gè)總評(píng)價(jià)指標(biāo)均為成本型指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)模型選用極差變換法來(lái)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。極差變換法公式的正向指標(biāo)為：

(3)

逆向指標(biāo)：

(4)

式中：xij為初始值；yij為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)。

1.2.3 確定經(jīng)典域和節(jié)域

(5)

式中Roj是第j個(gè)等級(jí)的物元模型；Poj是第j個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)物元(j=1,2,…,m)；Ci是Poj的第i個(gè)特征；Xo1j，Xo2j，…Xonj分別是Poj關(guān)于Ci的取值范圍，即經(jīng)典域，其直觀含義是指各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量值變化的基本區(qū)間，Xoij的取值范圍是區(qū)間(aoij,boij)，i=1,2…,n。

(6)

式中Rp表示事物評(píng)價(jià)等級(jí)經(jīng)典域的物元模型，Xp1，Xp1，…Xpn分別是P關(guān)于Ci的取值范圍，即P的節(jié)域?；谖镌治隼碚摰幕痣姀S節(jié)能綜合判定可以從節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水三個(gè)方面進(jìn)行，在不同方面評(píng)價(jià)時(shí)，需通過(guò)對(duì)各類指標(biāo)的量值確定范圍，便可對(duì)三個(gè)總指標(biāo)的情況進(jìn)行分等級(jí)評(píng)定，從而得到節(jié)域和經(jīng)典域。

1.2.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)

計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)首先要進(jìn)行距的計(jì)算：

(7)

(8)

其中ρ(vi,Xoj)，ρ(vi,Xpi)分別表示點(diǎn)vi與區(qū)間Xoji和Xpi的距，也稱接近度。然后進(jìn)行關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算，公式如下：

(9)

Kj(vi)表示待評(píng)價(jià)物元的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci關(guān)于第j類的關(guān)聯(lián)度。

1.2.5 指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重的確定采用層次分析法來(lái)。首先構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣是指同一層級(jí)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行相互比對(duì)，并采用合適的標(biāo)度以數(shù)值表示，形成判定矩陣。通過(guò)專家評(píng)定并采用“1～9標(biāo)度法”對(duì)指標(biāo)權(quán)重比較。

通過(guò)判斷矩陣后可得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，引入最大特征根除外的所有特征根負(fù)平均值CI來(lái)判斷矩陣一致性偏離程度，即檢驗(yàn)一致性[24]。

(10)

CI值越小，一致性越高。另需引入指標(biāo)RI值來(lái)確定判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性。當(dāng)CI/RI<0.1時(shí)，說(shuō)明符合評(píng)價(jià)要求。

1.2.6 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算公式如下：

(11)

式中wij表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，采用層次分析法來(lái)進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的分配；Kj(Po)表示評(píng)價(jià)對(duì)象Po關(guān)于類別j的關(guān)聯(lián)度。若Kj=maxKj(Po)，j=1,2…,m，則可判定Po屬于類別j。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1為總評(píng)價(jià)和分評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。

圖1 節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)節(jié)煤及其分評(píng)價(jià)指標(biāo)：發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗作為衡量燃煤電廠總體能效水平的重要指標(biāo)，其影響因素多，包括季節(jié)因素、運(yùn)行水平等不易控制的外部因素。本文中選取鍋爐熱效率、管道熱效率、汽輪機(jī)熱耗率作為發(fā)電煤耗分評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)節(jié)電及其分評(píng)價(jià)指標(biāo)：綜合廠用電率是指發(fā)電過(guò)程設(shè)備自身耗電與發(fā)電量的比值，選取輸煤耗電率、供水耗電率、鍋爐輔機(jī)耗電率、汽機(jī)輔機(jī)耗電率、除灰除塵耗電率、脫硫耗電率6個(gè)指標(biāo)來(lái)作為節(jié)電分評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)節(jié)水及其分評(píng)價(jià)指標(biāo)：火力發(fā)電廠水資源節(jié)約也是節(jié)能減排的重點(diǎn)方向，具體指標(biāo)為發(fā)電耗水率。本文選取鍋爐補(bǔ)水率、汽水損失率、灰水比和全廠復(fù)用水率作為節(jié)水分評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 實(shí)例分析

3.1 火電廠節(jié)能總評(píng)價(jià)

本文選取某火電廠某年度的發(fā)電煤耗、綜合廠用電率及發(fā)電水耗率, 如表1所示。

表1 某火電廠節(jié)能總評(píng)價(jià)指標(biāo)

計(jì)算總評(píng)價(jià)指標(biāo)的節(jié)域?yàn)椋?/p>

評(píng)價(jià)指標(biāo)處理后為表2：

表2 標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果

將各評(píng)價(jià)指標(biāo)劃從高到低分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)4個(gè)等級(jí)，則各指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域見(jiàn)表3。

表3 各指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域

確定經(jīng)典域和節(jié)域后計(jì)算各指標(biāo)經(jīng)典域距和節(jié)域距。結(jié)果如表4所示：

表4 各指標(biāo)節(jié)域距和經(jīng)典域距

分配權(quán)重指標(biāo)：計(jì)算統(tǒng)計(jì)得各指標(biāo)判斷矩陣如下：

綜合評(píng)價(jià)值。確定了各個(gè)指標(biāo)的經(jīng)典域距、節(jié)域距和權(quán)重。可以計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，如表5所示。結(jié)合指標(biāo)權(quán)重可得到火電廠的節(jié)能綜合評(píng)價(jià)值。

表5 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值

綜合評(píng)價(jià)：K1(P0)為-0.3311，K2(P0)為-0.0882，K3(P0)為-0.0794，K4(P0)為-0.3768。顯然最大綜合評(píng)價(jià)值為K2=0.0882，該火電廠的綜合節(jié)能水平屬于第Ⅲ級(jí)。各單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)的最大值maxKj(v1)為0.0742，maxKj(v2)為0.4356，maxKj(v3)為0.1636。同理得該廠的節(jié)煤和節(jié)電水平屬于III級(jí)，水資源的利用控制屬于第Ⅱ級(jí)。

3.2 火電廠節(jié)能分評(píng)價(jià)

3.2.1 節(jié)煤分評(píng)價(jià)

該廠對(duì)應(yīng)年度節(jié)煤分評(píng)價(jià)指標(biāo)如表6所示。各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與評(píng)價(jià)值如表7所示，其中wi為指標(biāo)權(quán)重。

表6 節(jié)煤分評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表7 節(jié)煤分評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

從表7可以看出，該火電廠的總體節(jié)煤水平屬于Ⅱ級(jí)。單項(xiàng)指標(biāo)中，鍋爐熱效率屬于Ⅱ級(jí)；管道效率屬于Ⅲ級(jí)；汽輪機(jī)熱效率屬于Ⅳ級(jí)，改造空間大。說(shuō)明該廠應(yīng)該節(jié)能技術(shù)改造的重點(diǎn)為汽輪機(jī)，汽輪機(jī)節(jié)能技術(shù)改造的空間最大，這也正是該廠下一步重點(diǎn)改造對(duì)象，評(píng)價(jià)與實(shí)際相符。

3.2.2 節(jié)電分評(píng)價(jià)

根據(jù)該火電廠輔機(jī)用電的情況計(jì)算得各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與評(píng)價(jià)值如表8所示。從表8中可以看出，該火電廠的總體節(jié)電水平屬于第Ⅱ級(jí)。單項(xiàng)指標(biāo)中，鍋爐輔機(jī)耗電率、輸煤耗電率及脫硫耗電率屬于第Ⅱ級(jí)，汽輪機(jī)輔機(jī)耗電率、除灰除塵耗電率及供水耗電率屬于第Ⅲ級(jí)。

表8 節(jié)電分評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

3.2.3 節(jié)水分評(píng)價(jià)

根據(jù)該火電廠的節(jié)水分評(píng)價(jià)指標(biāo)中汽水損失率0.9%、鍋爐補(bǔ)水率1.35%、全廠復(fù)用水率92.0%及灰水比1∶5，計(jì)算得各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與評(píng)價(jià)值如表9所示。

表9 節(jié)水分評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

從表9中可以看出，該火電廠的總體節(jié)電水平屬于Ⅱ級(jí)。單項(xiàng)指標(biāo)中，汽水損失率、鍋爐補(bǔ)水率及全廠復(fù)用水率屬于Ⅱ級(jí)，灰水比處于Ⅲ級(jí)。

4 結(jié)論

(1)本文鍋爐熱效率、管道熱效率、汽輪機(jī)熱耗率、輸煤耗電率、供水耗電率、鍋爐輔機(jī)耗電率、汽機(jī)輔機(jī)耗電率、除灰除塵耗電率、脫硫耗電率、鍋爐補(bǔ)水率、汽水損失率、灰水比和全廠復(fù)用水率共計(jì)13個(gè)因素為評(píng)價(jià)提供指標(biāo)體系。

(2)采用物元分析理論和層次分析法來(lái)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型。通過(guò)物元分析理論對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算域距和節(jié)域距，通過(guò)層次分析法分配指標(biāo)權(quán)重，從而得到綜合評(píng)價(jià)值。

(3)對(duì)某電廠實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算分析，將綜合評(píng)價(jià)值從高到低分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)四個(gè)等級(jí)，其中Ⅳ級(jí)是目前最需進(jìn)行節(jié)能改造的對(duì)象，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)方法得出該電廠總體指標(biāo)和分指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，總體能效水平屬于Ⅲ級(jí)，當(dāng)前分指標(biāo)值最低為汽輪機(jī)能效水平。