天然氣分布式能源系統綜合評價方法—基于AHP的yaahp軟件實現

劉心喜 阮慧鋒 張志勇 張鐘平 徐荻森

摘要：指出了天然氣分布式能源系統綜合評價對分布式能源的各環節具有重要影響。運用yaahp軟件，采用層次分析法從能效性、能質性、可靠性、環境性和經濟性5個方面建立了層次結構模型，并依據此模型對4個天然氣分布式能源站進行了綜合評價。通過結果分析，闡述了該方法的可行性，并對天然氣分布式能源發展提出了建議和意見。

關鍵詞：分布式能源；層次分析法；綜合評價；yaahp軟件

中圖分類號：TK01

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10014804

1 引言

分布式能源系統是指將系統安裝在用戶側，根據用戶能源需求進行冷熱電供給的高效能源利用系統[1]。分布式能源系統將發電、輸配電、熱網、建筑釆暖和供冷等多種系統組合起來，是多輸入、多能聯供的復雜系統。在我國能源和環境危機的雙重背景下，分布式能源系統逐漸發展，并成為當前研究熱點[2，3]。然而目前天然氣分布式能源項目的評估并沒有統一的或公認的標準、規范或方法。

天然氣分布式能源系統綜合評價是綜合熱力學、社會學、經濟學、系統論、控制論等多門學科的系統評價分析，其評價的指標體系是一個多層次、多目標的評價指標集合[4]。在分布式能源目不斷增多的情況下，對其進行綜合評價的工作有利于總結已建項目的經驗教訓，其成果作為規劃制定、項目審批、投資決策、項目管理的重要參考依據。因此，對天然氣分布式能源項目進行綜合評價，科學合理評價各指標，查找存在的某些共性問題，為現運行或擬建項目提供一定支持，并為提高的項目運行技術水平及經濟可靠性提供技術支持，這對分布式能源健康可持續發展有著重要的意義。

2 研究方法

2.1 研究步驟

分布式能源系統綜合評價方法用于分布式能源站，具體步驟如下：①調研并分析能源站運行數據及用戶側負荷，作為基礎數據。②解析能源站各子系統，提取建模素材。③按多目標評價方法各子目標對應的評價指標對數據的要求，在能源站各子系統布置測點，進行全廠對應各評價指標的參數測試。④根據測試數據，按各評價指標的計算模型計算指標參數。⑤將指標參數按多目標評價方法體系輸入綜合評價模型進行計算，得出評價結果。⑥根據判定準則給出能源站的綜合評價等級。

2.2 指標篩選

（1）系統性。在選擇后評價指標的過程中，應該從整體角度出發，根據項目建設時預期到達的目標、效果，全面評價所達到的效果及產生的各種影響。

（2）實用性。該指標體系的建立意在為后期分布式能源項目后評價工作提供一定的可借鑒性，指標的選擇在具各系統全面特性的基礎上，要突出分布式能源項目的特點，便于對此類項目在日后后評價中具有現實可操作性。

（3）層次性和獨立性。指標的選取必須遵循層次分明且各個指標相互獨立的特點。各指標在橫縱向上要達到類別清晰，盡量縮小指標間的關聯程度，避免指標性評價效果相互交叉，才能確保指標評價減少重復計算的情況。

（4）定量與定性相結合。綜合評價具有一定的復雜性，其中某些指標是可量化得出，某些指標，必須依靠一些具備相應經驗及閱歷的專家進行主觀判斷得到。因此，在實際評價過程中，指標的選取往往需要采取復合方法將定量與定性指標結合選取。

2.3 層次分析法

層次分析法（AHP）是將與總評價有關的元素分解目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的綜合評價方法[5]。關鍵在于不割斷各個因素對結果的影響，而層次分析法中每一層的權重設置最后都會直接或間接影響到結果，而且在每個層次中的每個因素對結果的影響程度都是量化的。條理清晰、方法明確，特別適用對于無結構特性的系統評價以及多目標、多準則、多時期等的系統評價。層次分析法大體分為以下步驟：①構造層次分析結構；②構造判斷矩陣；③判斷矩陣的一致性檢驗；④層次單排序；⑤總層次排序。

2.4 yaahp軟件

Yaahp軟件是一款層次分析法可視化建模與計算輔助軟件，為使用層次分析法的評估決策過程提供模型構造、計算和分析等方面的幫助[6]。可以非常直觀方便使用yaahp繪制層次模型、生成判斷矩陣、兩兩比較數據輸入、排序權重計算、計算數據導出及靈敏度分析。

由于客觀事物的復雜性以及人的主觀性，很難一次就構造出滿足一致性要求的判斷矩陣，可利用軟件提供的實時一致性比例計算功能方便掌握情況，對不一致判斷矩陣進行人工調整。通過靈敏度分析，決策者可以掌握屬性權重變化對決策結果的影響及影響程度，還可以動態地觀察要素權重變化對備選方案權重的影響，從而幫助決策者在更高的層次做出正確的判斷。

3 評價模型

3.1 評價指標數據

選取較為典型的四個能源站，能源站1和3是以燃氣內燃機為原動機機組，能源站2和4是以燃氣輪機為原動機機組。數據性能測試數據或現場運行統計數據，相應經濟性指標來源于科研報告，經過整理計算，匯總如表1。

3.2 層次結構模型的構建

應用層次分析法評價問題，首先要明確綜合評價的問題，使之條理層次化，建立遞進式結構模型。結構模型由目標層、指標層和方案層共3個層級構成。

（1）目標層：天然氣分布式能源系統綜合評價，也即評價問題的預定目標。

（2）指標層：指影響目標層評價的指標，這一層可設置多個子指標層。綜合已有資料，將評價指標劃分為能效性、能質性、可靠性、環境性和經濟性5個方面：

①能效性：包括一次能源利用率、余熱回收效率和相對節能率。

②能質性：此指標層主要從熱力學第二定律考查系統能量的可利用程度，包括火用效率、余熱利用火用效率。分布式電源向當地負載或上網發送電能的質量，應滿足相關的國家標準，將電能質量也歸為能質性指標。

③可靠性：主要考查系統能源供給的可靠性，包括計劃停運系數、非計劃停運系數、機組降出力系數和等效可用系數。

④環境性：天然氣分布式能源項目多集中于負荷中心，對環境要求更嚴格。因燃料主要為天然氣，粉塵排放量可忽略不計，SO2排放幾乎沒有，環境性主要考慮NOx、CO、CO2和噪音。

⑤經濟性：主要考查系統的經濟效益，包括靜態單位投資、投資回收期和項目資本金內部收益率。

（3）方案層：指目標層的評價對象，選取較為典型的的四個分布式能源站進行綜合評價。

綜合以上分析，依據獨立性、實用性、可操作性構建系統綜合評價模型如圖1。

3.3 判斷矩陣錄入

采用1—9標度法進行指標層進行指標間的兩兩比較，對子指標則根據四個能源站性能測試或運行統計數據計算得出的計算值進行比較。因方案層四個能源站投產時間不久，部分指標需長年統計值，可靠性、環境性指標未能得到，矩陣錄入時認為同等重要，經濟性指標采用項目可研報告數值。由于錄入判斷矩陣較多，只列舉兩張代表性的矩陣截圖，見圖2、3。

4 結果與討論

4.1 計算結果

天然氣分布式能源具有清潔環保、能效高、削峰填谷、經濟效益好等諸多優點，但也注意到其貼近用戶側且多種能源輸出講究就近消納，我國天然氣分布式能源在經濟發達地區核心區域發展較快，這對環境性需要很高的要求。天然氣分布式能源在我國近幾年快速發展，但原動機設備如燃氣內燃機和燃氣輪機等還需進口，無論是設備購置，還是運行維保均需大量費用，加之天然氣價格，電力上網價格等多方面因素，經濟性指標將是較重要的評價方面。分布式能源系統遵循溫度對口、梯級利用的原則實現能源的多級利用[7]，國家發改委將一次能源利用率確定為70%以上，能效性指標是個相對重要的方面。能量存在著質量上的區別，電力跟冷熱能從能的質量上面來說并不一樣的。能源站1和3是以燃氣輪機為原動機的區域型分布式能源站，能源站2和4是以燃氣內燃機為原動機的樓宇型分布式能源站。在設計過程中也遵循著“以熱定電、欠匹配”的原則，因此能質性評估比重相對較低。綜合以上所述，得到兩級指標層的權重（表2和表3）。

根據表4結果顯示，整體而言方案層中四個能源站的權重相差不大，說明評價結果四個能源站并無絕對的優劣。具體來看能源站1和能源站3權重更大，能源站2和能源站4則稍偏小。最終評價的結果是能源站1為最佳，究其原因主要是除去暫未統計到的環境性可靠性指標，經濟性指標權重為0.2970，而能質性能效性指標權重較小（表2）。在經濟性指標中能源站1和3靜態單位投資比能源站2和4低很多，在投資回收期及項目資本金財務內部收益率亦更優。

4.2 靈敏度分析

明顯，天然氣分布式能源系統綜合評價會隨時空的變化而變化。通過對其進行靈敏度分析，可以動態地掌握指標權重變化對結果的影響，從而為更高層面上的決策作出支持。分析得知，僅改變能質性、環境性和可靠性指標權重，對評價的最終結果排序結果并無明顯改變。而當能效性指標權重大于0.4698時（圖4），最終結果能源站2將優于能源站1，此指標權重越大，程度越明顯。

進行靈敏度分析，指標權重越大，說明指標的變化對綜合評價結果的影響越大，因此在進行二級指標計算或者賦值時得尤其謹慎[5]。提高經濟性指標權重，結果中能源站1和3優于能源站2和4的程度更大。因此現階段天然氣分布式能源投資、建設、運營及維保等多方面，尤其要注重提高系統經濟性。

4.3 分析與建議

天然氣分布式在我國建設和運行經驗均不夠成熟。通過系統綜合評價，明確經濟性指標是最重要的方面，其次為能效性指標，結合實際生產運營經驗，提出以下建議。

在項目前期工作中對冷熱負荷的測算至關重要，直接影響到裝機規模的大小以及設備的選型，應貫徹以“冷（熱）定電、欠匹配”的原則，并合理確定調峰方式（燃氣鍋爐、熱泵、電制冷/蓄冷、直燃機等），以實現能源梯級利用及綜合能源利用效率最大化。

目前國內天然氣價格持續上漲成為影響經營成本居高不下的關鍵因素，作為生產運營主要成本的天然氣價格在決定企業盈利能力方面起到重要作用，如果燃氣單價在合理的范圍內，則發電成本將為營業利潤提供較好的支持。建議建立LNG與管道天然氣雙氣源供應，可提高生產期燃料的安全性和經濟性。

國家鼓勵發展天然氣分布式能源的配套政策文件一直沒有落實，造成地方行政審批及驗收手續與電力行業有較大差異；天然氣價格較高，地方政府無力承擔更多的二次能源價格補貼，電價無法疏導和消納，其他冷熱能源價格優勢不明顯甚至沒有價格優勢，建設區域分布式能源仍然面臨著較大的困難。相關部門要推動國家出臺具體的扶持政策。

5 結語

隨著“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念在“十三五”時期落地，以及國家能源發展戰略行動計劃的推進，環保政策及能源體制改革的紅利將集中釋放，推進天然氣在分布式能源的大規模應用勢在必行。天然氣分布式能源系統綜合評價顯得尤為重要，利用yaahp軟件進行層次分析操作簡便，模型清晰，結論客觀可靠。但因缺乏相應指標數據略有不足，今后研究應從指標層的深度與寬度上進一步發掘，為天然氣分布式能源發展提供更多技術支持。

參考文獻：

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