天然氣冷熱電聯供系統綜合評判

代憲亞， 茅大鈞

(上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090)

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天然氣冷熱電聯供系統綜合評判

代憲亞， 茅大鈞

(上海電力學院 自動化工程學院， 上海 200090)

從天然氣冷熱電聯供(CCHP)系統的經濟性、節能性、環保性、技術先進性、可靠性和安全性等6個方面，建立了CCHP系統評價指標體系。結合1-9權重標度方法、層次分析法、專家打分法、半梯形模糊隸屬度函數等評價方法，建立了CCHP系統模糊綜合評價模型。以上海閔行某冷熱電聯供能源站為例，對提出的方法進行實例分析,研究結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果是可行的。

天然氣； 冷熱電聯供； 綜合評判； 評價指標； 權重標度

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

天然氣CCHP系統是一個能量形式多輸入多產出的復雜系統，對其進行比較及優化的評價準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系統綜合評價指標體系對其進行綜合評價。文獻中通過計算系統的經濟效率來評價CCHP系統的優越性。文獻中提出一種采用混合多層次灰色關聯方法對CCHP系統進行綜合評價。文獻中采用直接給出法確定了指標權重系數。但從目前的研究現狀看，大多數研究者還是把經濟性作為考慮的因素，很少有學者能夠對評價指標體系做出多方面的綜合考慮。另外，在評價指標體系中，不同指標的權重和評價矩陣的確定方法普遍采用的是經驗公式或專家投票打分的方法，存在著主觀性較強、客觀性差的缺陷，缺乏科學性和合理性。

本文綜合考慮天然氣CCHP系統的經濟性、節能性、環保性、技術先進性、安全性和可靠性等6個方面，全面考慮它們的評價指標，建立了CCHP系統模糊綜合評判模型；結合層次分析法、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驗，又利用模糊分析和隸屬度函數的建立提高評價的客觀性，從而增強了評價結果的可信度，對天然氣CCHP系統的綜合評判研究具有重要意義。

1 CCHP系統評價指標體系

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

表1給出了CCHP系統評價指標體系。本文將經濟性、環保性、節能性、技術先進性、可靠性和安全性等6個方面作為CCHP系統綜合評價總指標的一級指標，然后，針對各級一級指標外延出相對應的二級指標。其中，不同的一級指標外延出的二級指標有所重疊，如環保性u2下有余熱回收率u21，節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保性也影響著節能性，但是在不同的一級指標下面，它被賦予的權重值是不同的，需要與同組的二級指標進行相互權衡、比較。

表1 CCHP系統評價指標體系Tab.1 Evaluation index of CCHP system

2 CCHP系統模糊綜合評判模型

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]進行系統評價。考慮與被評價的CCHP系統綜合性能指標所相關的各個因素，將每一項指標進行量化，然后根據不同指標對評判對象的影響程度來分配權重。在CCHP系統中，相關測控參數或技術監督指標可直接或間接地反映系統的相關性能；然后，合理利用這些數據，通過搭建模糊綜合評判模型來對CCHP系統進行評判。

2.1 確定評價指標體系各指標權重

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

美國著名運籌學家Saaty曾提出1-9比較標度法，構造了判斷矩陣，重復進行兩兩比較的任務: 兩個元素對上級指標哪個重要，重要多少，需要對重要程度進行1～9之間的賦值。該過程即為比例標度[12]。本文將1-9比較標度法合理地運用在確定CCHP系統評價指標體系的指標權重上。

對應表1的評價指標體系，構建權重判斷矩陣。本文選擇1～9及其倒數作為標度值，分別權衡各指標因素的相對重要性。表2給出了1-9標度代表的含義。其中，Axy為標度值，反映指標x、y的相對重要程度。

表2 1-9標度代表的含義Tab.2 Explanation of 1-9 weight scale

應用1-9比較標度法對CCHP系統評價指標體系各級指標進行兩兩之間的比較，構造出權重判斷矩陣為

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的特征向量，即評價指標的重要性權重排序。權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) 據此所得到的結果W=(w1w2…w6)，即為所求得的特征向量(權重向量)。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調一致性，避免出現“A比B重要，B比C重要，而C又比A重要”的矛盾出現，需要對判斷矩陣A進行一致性檢驗，使用一致性判斷指標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RI。計算一致性比率

CR=CI/RI

(6)

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

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

2.2 確定模糊綜合評判模型

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

因此，利用1-9比較標度方法和層次分析法，確定了各指標對上一級指標的權重值。一級指標的權重為

W=[w1w2… w6]

(7)

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

Wi=[wi1wi2… wim]

(8)

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

確定了評價指標體系集和各指標的權重值后，還需要給出評價矩陣，才能給出系統評價結果。設評價對象集中有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uij單方面來評價時，第k個評價對象“偏優”的隸屬度。

(1) 隸屬函數的選擇與建立。評判矩陣的確定需要對原始數據進行隸屬函數處理。隸屬函數的選擇是對CCHP系統進行綜合評價的一個關鍵步驟。隸屬函數反映的是不同的評判對象在同一評判指標下得到的評價結果的差異。常用的隸屬函數確定方法有加權平均法、相對選擇法、模糊統計法等。其中，模糊統計法是比較容易、且實用性較強的隸屬函數確定方法，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]。

隸屬函數的選擇要從實際出發，根據CCHP系統評價指標體系的指標性質進行確定，根據數據的特點分析其變化趨勢，然后為數據確定合理的隸屬函數模型[15-16]。不少學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，評價結果不夠科學、合理。對于CCHP系統，本文選取半梯形隸屬函數來構造評判矩陣，根據指標體系中各指標的數據特點，分別選擇偏大和偏小型兩種隸屬函數。表1中，u52、u44、u55、u21、u34、u31等指標都屬于數值越大則系統越優，故選擇偏大型隸屬函數；u22、u23、u24、u16、u43等指標都屬于數值越小則系統越優，故選擇偏小型隸屬函數。通過判斷分析指標體系中各指標類型，決定選擇隸屬函數形式，然后計算出相應的隸屬度，組成CCHP系統評判矩陣Ri。兩種隸屬函數形式如表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。當指標體系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，對每一類的子指標進行綜合評判，即二級評判；然后，對二級評判的結果進行一級綜合評判。

為充分考慮所有指標對評價對象CCHP系統的影響，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層次，由于一級模糊綜合評判是對一級指標ui(i=1,2,…,6)的綜合評判，故二級模糊綜合評判的結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最高的對象。

3 CCHP系統評價應用分析

3.1 確定評價指標權重

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

A=(Axy)n×n=

由式(2)、(3)得出一級指標權重值為

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

則權重判斷矩陣A滿足一致性要求。

同理，可求出各二級指標的權重如表5所示。

表5 CCHP各二級評價指標權重Tab.5 Weight of the second evaluation index of CCHP

得到各二級指標的權重矩陣為

3.2 確定評價矩陣

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

(1) 燃氣-蒸汽聯合循環供能系統(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，產生的高溫煙氣進入透平做功，帶動發電機組發電；透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產生的高溫、高壓蒸汽又帶動蒸汽輪機做功，然后由發電機產生電能。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，產生冷負荷以滿足用戶需求。生產的電力可入網也可以并網。

(2) 天然氣CCHP系統(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，產生的高溫煙氣進入透平做功，帶動發電機組發電；透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產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，產生冷負荷以滿足用戶需求。生產的電力可入網也可并網。

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

該能源公司對3種方案的各指標進行了仿真預判，本文依照文中提出的評價指標集，選取CCHP系統評價需要的各種指標，具體參數如表6所示，其中，u44、u53、u62、u63、u64均為公司內部計算指標。

表6 CCHP系統評價指標參數Tab.6 Parameters of evaluation index of CCHP

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

由此得

由式(10)得

故由u1單方面來看，方案3略優于方案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

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

B=W·R=[b1b2b3]=

[0.6849 0.5507 0.5330]

由計算結果可見，方案1的綜合指標值最高，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果和綜合評價結果中的數值都不具有實際意義，數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最高的對象。如一級模糊綜合評判的環保性結果B2顯示出方案3的評價結果是0，但這并不說明方案3不環保；事實上天然氣發電相比于其他燃煤的火力發電系統具有更好的環保性，評價結果0只是表明在待評價的這3種CCHP供能方式中，方案1、2遠優于方案3。

4 結 語

本文建立了全面的評價指標體系，分別從經濟性、環保性、節能性、技術先進性、可靠性和安全性等6個方面進行了綜合評價，使得評價結果更加全面綜合，優化了其他學者在評價體系方面只重視經濟性的不足。本文使用1-9比較標度方法確定評價指標元素的權重值，并結合專家打分法、層次分析法、半梯形模糊隸屬度法，建立了CCHP系統模糊評價模型，既考慮了專家的主觀意見，又綜合了CCHP系統運行的實際指標參數。主觀意見與客觀數據有效結合，使得評價結果更加科學合理，改變了傳統評價方法主觀性太強的缺點。

通過CCHP系統評價應用分析，結合實際應用，以上海閔行某冷熱電聯供能源站為例，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供能源系統運行優化, E-mail: dxy05162012@126.com

2095 - 0020(2016)05 -0271 - 07

TK 123

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