基于集對分析的天然氣分布式能源系統適用性評估研究

畢傲睿，黃舒雅，張雯雯，蔣陳雨，江 松

(1. 淮陰工學院 管理工程學院，江蘇 淮安 223003；2. 西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055；3. 淮安天山外國語學校，江蘇 淮安 223300；4. 西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

0 引 言

天然氣分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)系統是在采用清潔能源和提高常規能源利用率的背景下提出的一種供能技術[1]，在發達國家使用較早，而在國內處于戰略規劃和推廣應用的階段。由于目前我國一次能源消費仍以煤炭為主，清潔能源消費比例還較低[2-3]，為抑制環境惡化和維護經濟的可持續發展[4-5]，使用天然氣分布式能源系統有著重要的現實意義，因此天然氣分布式能源系統在國內具備較大的開發潛力[6]。

目前，國內對天然氣分布式能源已進行了部分研究。張濤等[7]調研了不同地區、不同建筑的能源負荷需求，獲得了影響分布式能源系統經濟學的因素。晁亮亮等[8]以內部收益率為指標建立了天然氣分布式能源系統的經濟評價模型并分析了在有無補貼政策下系統的投資回報。王雁凌等[9]研究了天然氣分布式能源項目的補貼機制，提出了基于內部收益率的分階段補貼測算模型，并分析了獲益情況。吳凱檳等[10]重點研究了分布式能源在環保方面的敏感性問題，分析了CO2、NOx等的減排對收入和環境的影響。張吉等[11]綜合比較了天然氣分布式能源系統與火力發電廠的優勢以及對區域大氣環境的影響。李波等[12]基于不同市場類別研究了天然氣分布式能源的開發條件，提出地市級大型早期市場應推廣分布式能源項目的結論等。雖然目前天然氣分布式能源系統在技術層面已成熟，但在應用層面還需給出綜合性意見以便推廣使用，因此本文針對天然氣分布式系統的整體適用性進行評估方法的研究。

天然氣分布式系統的適用性需要針對使用對象考慮多方面因素，并結合定量準則進行綜合性評估,但分布式能源系統的設備結構復雜，其能效、經濟、環保等特性交互影響使得實現精確評估較為困難。因此，本文從經濟性、能效性、環境性、可靠性、能質性5個維度出發，構建適用性評估體系，考慮指標間互相關性的影響，應用集對分析理論建立天然氣分布式能源系統的適用性評估模型，為天然氣分布式能源系統的實際推廣建設提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

陜西省天然氣資源豐富，隨著“氣化陜西”工程等行動的推進，需要利用天然氣代替部分煤炭供能，天然氣分布式能源系統正是重點推行的解決方式。西安某星級酒店占地面積1.5萬m2，建筑面積12.4萬m2，現為節能減排、緩解用電緊張以及改善投資效益，擬對其進行天然氣分布式能源系統規劃改造。

根據該酒店歷史能耗數據及設備運行記錄繪制不同時節單日冷熱電負荷示意曲線如圖1所示。

圖1 單日冷熱電負荷曲線Fig.1 Curves of cooling electric load and thermal electric load

已有研究表明熱電比大于1.5時宜采用燃氣輪機與蒸汽余熱鍋爐形式[13]，因此對該酒店采用燃氣輪機、余熱鍋爐和吸收式制冷機組的熱電聯供系統，系統的工作運行流程示意圖和設備性能參數分別如圖2和表1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 分布式能源系統適用性評估體系

(1) 評估指標

從天然氣分布式能源系統的物質流、資金流和能量流進行考慮，確定影響適用性的因素，建立系統評估指標體系如圖3所示。

圖2 天然氣分布式能源系統工作示意圖Fig.2 Flow diagram of the natural gas distributed energy system

表1 設備性能參數

圖3 天然氣分布式能源系統適用性評估指標Fig.3 Applicability evaluation indexs of the natural gas distributed energy system

一級指標中，經濟性指標集是從資金流的角度體現天然氣分布式能源系統的設備投資、能耗成本等信息。能效指標集是從能量流的角度體現系統熱力學性能，反映了系統主要流程、相關設備的能源利用情況及能效水平。環境性指標集體現了國家環保政策對系統排污量的強制性控制程度。可靠性指標集考查了系統能源供給的可靠性。能質性指標集從熱力學第二定律考查系統能量的可利用程度。

(2) 評估等級

普通人進行判別時有效區別的數量在5～9之間[14]，基于《“十四五”節能減排綜合工作方案》以及《中國節能減排行業發展戰略及十四五規劃建議報告》等資料將分布式能源系統的適用性評估結果分為5個等級，語言表達分別為：

I級：特別適合，與傳統供能方式相比節能減排效果、經濟效益可觀(例如標煤節能15%以上，投資回收期5 a以下)；

II級：比較適合，與傳統供能方式相比節能減排效果可觀、經濟效益可取(例如標煤節能15%以上，投資回收期5 a以上)；

III級：適合，與傳統供能方式相比節能減排效果、經濟效益可取(例如標煤節能0～15%，投資回收期5 a以上)

IV級：不太適合，與傳統供能方式相比節能減排效果、經濟效益無明顯優勢(例如標煤節能0～5%，投資回報率低)，需要不斷政策性補貼進行維持。

V級：特別不適合，節能減排效果、經濟效益遠不如傳統供能方式。

1.2.2 分布式能源系統適用性評估模型

(1) 集對分析理論

基于評估指標和評估等級，采用集對分析理論建立評估模型[15]，針對系統適用性評估指標和評估等級之間的復雜關系，集對分析建模如下：

① 存在集合A，B是一個集對，此時A和B為適用性評估指標和評估等級，A、B的聯系度μ計算如下：

(1)

式(1)中：N為集對包含的特征總數；S、P、Fm分別為兩個集合共同特征數、對立特征數以及既不共同也不對立的特征數，S/N、Fm/N、P/N分別稱作集對的同一度、差異度、對立度；i為差異度系數，取值[-1,1]，j為對立度系數。

② 由于系統包含多個評估指標，而各指標的影響效果各不相同，因此需要對各評估指標作集對分析，得到第n項指標的聯系度μn。為綜合反映所有評估指標的影響，需要考慮各評估指標聯系度的權重以計算平均聯系度μa：

(2)

式(2)中：n為特征數量，wn為μn的權重。

(2) 指標權重確定

由式(2)可知計算μa的關鍵是指標權重wn，權重關系到最終評估結果的可靠性，本文應用AHP法計算權重[16]。

①構造判斷矩陣

(3)

式(3)中：H為判斷矩陣，xij為指標xi相對于xj的相對重要性值，i、j=1, 2, 3, …,n。

②計算重要性排序

根據判斷矩陣求最大特征根對應的特征向量：

H·w=λmax·w

(4)

式(4)中：λmax為最大特征根，w為對應特征向量，w通過歸一化為各評估指標的權重分配，即權值。

③ 一致性檢驗

得到的權值是否合理需要進一步對判斷矩陣進行一致性檢驗：

CR=CI/RI

(5)

式(5)中：CR為判斷矩陣的一致性比值；CI為一般一致性指標：CI=(λmax-n)/(n-1)；RI為平均隨機一致性指標，查表得到。

(3) 級別判斷方法

使用級別特征值來判斷適用性等級，計算方法如下：

s=∑[a·1+b1·2+b2·3+…+
bK-2·(K-1)+c·K]

(6)

式(6)中：a、(b1,b2,b3,…,bK-2)、c為最終聯系度中的同一度、差異度和對立度。可知特征值范圍為[1,K]，1表示最好情況，K表示最壞情況，因此特征值對應級別的認定方式如下：1級：[1, 1.5)，2級：[1.5, 2.5)，…，K-1級：[K-1.5,K-0.5)，K級：[K-0.5,K]。

2 結果與分析

由圖2可知，燃氣輪機通過消耗天然氣輸出機械功帶動發電機組發電，所發電負荷滿足酒店自耗，不足電量從電網購買；余熱鍋爐回收燃氣輪機排出熱量并將產生的蒸汽用于冬季直接供暖和作為夏季蒸汽型溴化鋰制冷機組的驅動熱源；當余熱不足時，可由燃氣鍋爐補足。從圖1中可知，酒店內冬季典型日用電最高負荷為3 750 kW，夏季用電最高負荷為5 000 kW，因此需要2臺燃氣輪機設備，發電量能夠全部被酒店自耗，無需蓄能設備。具體運行時晝日需開啟燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽溴化鋰機組和燃氣鍋爐各2臺，夜晚只需開啟1臺燃氣輪機和1臺余熱鍋爐即可滿足負荷需求；在某些高峰時段還需開啟1臺燃氣鍋爐提供額外的蒸汽需求。

2.1 指標權重賦值

邀請專家給出指標相對重要性值見表2。計算一級指標層各權重值分別為：0.295 3、0.071 9、0.379 9、0.090 5、0.162 4；一致性比例值：CR=0.084 7<0.1，滿足一致性檢驗[17]，說明權重有效可取，最終求得權值見表3。

表2 一級指標層相對重要性

2.2 計算評估結果

對指標進行評估等級劃分。考慮到實際合理性，設初期設備投資、投資回收期、財務內部收益率符合為高斯分布，分別以(0, 0.022 7]、(0.022 7, 0.157 6]、(0.157 6, 0.840 2]、(0.840 2, 0.976 1]、(0.976 1,1]區間劃分為5個等級；其余指標則均勻劃分。此外，需注意初期設備投資、投資回收期、CO2排放、NOx排放、計劃停運系數、非計劃停運系數、等效降低出力系數屬于成本型指標，其他指標屬于效益型指標。

表3 指標權值

各指標實際值和歸一化值見表4。其中初期投資參考相關案例設定最大心理數額為4 000萬元，投資回收期一般為4～10 a，財務內部收益率以保守經驗值設最大為10%，CO2和NOx以常規燃煤火力發電的排放量為基準：CO2最大為813 g/(kW·h)，NOx最大為2.68 g/(kW·h)。

表4 指標實際值和歸一化值

基于各指標值和評估等級，建立指標聯系度：

(7)

式(7)中，S1、S2、S3、S4、S5分別為1到5級分級的極限值，x為指標實際值。根據式(1)和(2)以及指標權重計算得聯系度：ua=0.178i+0.353 2i1+0.362 2i2+0.178 2i3+0j。進一步由式(6)計算得到判斷結果為：s=2.683 8，為III級適合。

2.3 結果分析

該酒店進行天然氣分布式能源適用性評估結果為：2.683 8級適合，可認為從節能減排、投資收益等角度值得投資改造。同時從權值分析發現對適用性影響較大的指標集為經濟性和環境性，分析如下：

(1)環境性指標權值最大，表明分布式系統在該酒店的運行以節能減排為重，由前述數據計算可得該分布式系統的年有效發電時間為6 214.56 h，有效年發電量2 304.36萬(kW·h)，年供飽和蒸汽8萬t，熱電比為2.42，計算出耗能數據見表5。可知該系統可以減小1 735.26噸標準煤(tce)，節能率為12.35%，相當于減排CO24 811.00 t，NOx65.07 t，SO2：131.4 t，環保效益顯著。

表5 能耗數據

(2)經濟性一般包含：初投資年等值費用、耗能費用和維護費用。取年利率為0.07，設備使用年限為15 a，西安市天然氣均價約2.3元/Nm3，電價0.714 6元/(kW·h)。根據冷熱電負荷估算傳統單獨供能方式需費用3 530.53萬元，計算各項費用具體見表6，可以看出分布式能源系統的年度運行費用低于傳統供能方式，簡單投資回收期約6.61 a，經濟效益可觀。

同時需要注意的是對于經濟效益，本文相關指標數據是在假設不含政府投資獎勵、優惠貸款、減免稅收以及溫室氣體減排政策支持的前提下得到的。因此若包含上述各項優惠政策，最終適用性評估結果必然更加可取，也表明初期推廣天然氣分布式能源系統的應用需要各級政府在法律法規、融資補貼等方面給予一定支持。

表6 分布式系統年運行費用

3 結 論

在推廣建設清潔能源供能系統的背景下，本文研究了天然氣分布式能源的適用性評估模型，通過實例計算與分析得到以下結論：

(1)建立了天然氣分布式能源系統適用性評估體系，包含經濟性、能效性、環境性、可靠性、能質性5方面特性的指標集，有效反映了使用天然氣分布式能源系統時需要關注的影響因素。

(2)集對分析理論能夠處理分布式系統指標間互相關性的影響，級別特征值考慮了所有隸屬單位對聯系度的貢獻度，精確了系統整體適用性評估的結果。

(3)環境性和經濟性對系統適用性的推廣建設具有較大影響，與傳統供能相比天然氣分布式能源系統的節能率為12.35%，年度運行費用減少508.61萬元，簡單投資回收期6.61 a。