基于物元分析的火電機組節(jié)能減排評價

孫建梅, 邢 柳, 趙文會

(1.上海電力學院, 上海 200090;2.華能(蘇州工業(yè)園區(qū))發(fā)電有限責任公司, 江蘇 蘇州 215000)

基于物元分析的火電機組節(jié)能減排評價

孫建梅1, 邢 柳2, 趙文會1

(1.上海電力學院, 上海 200090;2.華能(蘇州工業(yè)園區(qū))發(fā)電有限責任公司, 江蘇 蘇州 215000)

隨著國家火電機組的節(jié)能減排力度的加大,國內多數火電機組都將進行節(jié)能減排技術改造.為了能夠合理評價電廠節(jié)能減排的潛力和狀況,在根據火電廠運行指標的特點建立火電廠節(jié)能減排指標體系的基礎上,建立了基于物元分析理論的節(jié)能減排評價模型,并選取5臺發(fā)電機組進行實例分析,得出的結果與實際情況相符.這說明物元分析理論對發(fā)電機的節(jié)能減排改造有指導作用.

物元分析; 節(jié)能減排; 火電機組

由于煤炭具有儲量富足、供給可靠便利、價格低廉等優(yōu)勢,在全球一次能源的消費結構中仍占較大的比重,因此在可預計的時間內,煤炭資源仍將是我國的最主要的消耗能源,火力發(fā)電仍然將是我國電力供應的主要來源[1].隨著國家對燃煤發(fā)機組節(jié)能減排的要求更加嚴格,促使國內多數燃煤機組都要進行不同程度的節(jié)能減排改造.

目前,我國在發(fā)電機組節(jié)能減排評價方面的研究較少,部分學者根據擬定的發(fā)電機組指標的計算公式和評分標準,得出發(fā)電機組各評價指標評分,利用得分評價發(fā)電機組的節(jié)能減排狀況.這些公式大都是經驗公式,計算復雜、客觀性較差,不能隨著技術的進步和國家政策的變化靈活變動,存在局限性[2].本文從分析發(fā)電機組節(jié)能減排的狀況和潛力出發(fā),首先,根據火電機組節(jié)能減排評價的特點建立節(jié)煤、節(jié)油、節(jié)電、節(jié)水和污染物排放等指標組成的指標體系;其次,將發(fā)電機組編號、評價指標和機組指標值相聯系,并構建物元;再次,結合指標的特性及國家電力行業(yè)對相關指標的技術和基準值要求進行合理的經典域和節(jié)域劃分,再利用客觀計算法計算權重值;最后,結合經典域、節(jié)域、關聯函數和權系數對5臺發(fā)電機組進行節(jié)能減排的物元分析.

1 指標體系及等級的確定

1.1 發(fā)電機組節(jié)能減排指標體系的建立

發(fā)電機組節(jié)能減排評價指標的選取要具有代表性和可操作性.根據文獻[3]至文獻[7]中的模型以及專家意見建立評價體系,如圖1所示.其中除了選取供電煤耗和廠用電率等火電機組重點考察的經濟性指標外,還考慮了節(jié)油、節(jié)水、可靠性和污染物排放等指標.

圖1 發(fā)電機組節(jié)能減排指標體系

(1) 供電煤耗 火電廠最主要的經濟性指標,火電廠節(jié)能改造的最終目的就是降低供電煤耗.

(2) 廠用電率 廠用電率是電廠的主要經濟性指標之一,它直接影響著供電煤耗的高低.

(3) 油耗 目前,大多數電廠用等離子點火或微油點火系統(tǒng)替代傳統(tǒng)點火系統(tǒng),使點火用油量顯著降低,但在燃燒過程中有時還需要消耗燃油.由于等離子點火以煤為原料,無法與微油點火的節(jié)能狀況進行精確對比,因此選取助燃用油作為指標.

(4) 水耗 水資源作為人類生存的必要資源,在目前淡水資源供需不平衡的情況下,水的消耗量也應該作為發(fā)電機組的節(jié)能指標.因此,選取發(fā)電補給水率和發(fā)電綜合耗水率作為發(fā)電機組的節(jié)能減排評價指標,該指標越小越好.

(5) 可靠性 機組的可靠運行不僅關系著電網的安全,而且在發(fā)電機組關停到啟動正常并網的過程中會浪費大量的能源.因此,它也可以作為發(fā)電機組的評價指標,機組運行的可靠性由等效可用系數來衡量,該參數反映了機組的可靠性和可用性,參數越大越好.

(6) 污染物排放 目前電廠主要對二氧化硫、氮化物和煙塵排放濃度進行實時監(jiān)測,隨著技術的進步還可以增加汞和CO2等指標.本文選取二氧化硫、氮化物和煙塵排放濃度作為污染物排放指標.

1.2 發(fā)電機組節(jié)能減排等級的確定

本文將發(fā)電機組節(jié)能減排狀況分為優(yōu)秀、良好、中等和差4個等級,分別表示發(fā)電機組的節(jié)能減排情況.優(yōu)秀是第4級,表示發(fā)電機組的節(jié)能減排指標多數已達到國內前列,節(jié)能減排的挖掘空間有限;良好是第3級,表示發(fā)電機組的節(jié)能減排指標部分未達國家基準要求,還存在著一定的節(jié)能減排潛力,需要通過對管道設備的改造和管理改革實現;中等是第2級,表示發(fā)電機組的節(jié)能指標和減排指標多數未達到國家要求,整體處于行業(yè)的平均水平上下,具有較大的節(jié)能減排的改造潛力;差是第1級,表示發(fā)電機組的節(jié)能減排狀況處于行業(yè)的落后狀態(tài),有很大的節(jié)能減排改造潛力.

2 火電機組節(jié)能減排評價模型的建立

物元分析理論是由我國的著名學者蔡文提出,以可拓集合論為基礎,是研究物元及其變化、并用以解決不相容問題的規(guī)律和方法,是思維科學、系統(tǒng)科學和數學的交叉學科[8-9].

2.1 物元的定義

給定發(fā)電機組評估對象p,其指標c的量值為v,以有序三元組R= (P,C,V)作為描述節(jié)能減排評價指標的基本元.節(jié)能減排模型由供電煤耗、廠用電率、助燃用油、發(fā)電補給水率、發(fā)電綜合耗水率、等效可用系數、SO2排放濃度、氮化物排放濃度和煙塵排放濃度等指標表示,分別記為c1,c2,c3,…,c9,其對應量值分別為v1,v2,v3,…,v9,則發(fā)電機組節(jié)能減排評價指標的基本元可表示為:

(1)

2.2 經典域和節(jié)域物元

火電機組節(jié)能減排評價的經典域物元為[10]:

R0j(P0j,Ci,V0ij)=

(2)

其中,P0j是火電機組節(jié)能減排狀況的第j個等級,j=4表示機組節(jié)能減排狀況為“優(yōu)”,j=3表示機組節(jié)能減排狀況為“良”,j=2表示機組節(jié)能減排狀況為“中”,j=1表示機組節(jié)能減排狀況為“差”.v0ij(i=1,2,3,…,9)為經典域的取值范圍,經典域指發(fā)電機組評價指標在等級P0j時ci允許變化的范圍,且v0ij表示為區(qū)間,可記為:v0ij=.

火電機組節(jié)能減排評價中確定的節(jié)域物元為:

Rp0(P0,Ci,Vpi)=

(3)

其中,P0表示發(fā)電機組節(jié)能減排評價等級的全體,vpi(i= 1,2,3,…,9)是P0關于ci所取的量值范圍,即節(jié)能減排指標ci的節(jié)域.記vpi=,顯然有v0ij?vpi.

2.3 待評估物元的確定

(4)

式中:Pk——待評估發(fā)電機組的等級,k=1,2,3,4;

vi——Pk關于ci的量值,即各評價指標的實際數據.

2.4 關聯函數的確定

關聯函數的計算公式為[11]:

(5)

其中:

(6)

(7)

|vij|=|bij-aij|

(8)

2.5 權重系數

發(fā)電機組節(jié)能減排評價等級j(j=1,2,3,4)的特征ci對應的門限值為vij(i=1,2,3,…,9),權重系數的計算公式為[11]:

(9)

2.6 評價等級的確定

綜合關聯度值的計算公式為:

(10)

其中,Kj(p0)表示待評價對象p0關于等級j的綜合關聯度值.如果Kj=max{Kj(p0)}(j=1,2,3,4),則待評估機組節(jié)能減排對象的等級就屬于j.其評價標準如下:

(1) 當Kj(p0)>1時,說明評價對象超過要求的上限,其值越大,節(jié)能減排狀況越好;

(2) 當0≤Kj(p0)≤1時,說明評價對象符合標準,其值越大,越接近所在區(qū)間的上限;

(3) 當-1≤Kj(p0)≤0時,說明評價對象不符合評價標準,但具有可以轉換的條件;

(4) 當Kj(p0)<-1時,說明評價對象不符合評價標準,且不具有可以轉換的條件.

3 實例分析

3.1 原始數據

本文待評估發(fā)電機組的原始數據來自于中國電力聯合會2012年600 MW級機組的能效對標競賽.為了滿足評價體系的實用性,本文選取超臨界機組作為評價對象,主要原因是超臨界和亞臨界機組是目前我國需要進行節(jié)能減排改造的主力.其節(jié)域范圍是根據所有參賽的超臨界機組統(tǒng)計得出,具有一定的科學性及參考價值.限于篇幅,此處列舉5臺發(fā)電機組來說明(編號依次為A,B,C,D,E).發(fā)電機組原始數據如表1所示.

3.2 物元分析

3.2.1 確定評價指標的經典域和節(jié)域

本文根據《節(jié)能技術監(jiān)督導則》和《火力發(fā)電廠節(jié)水導則》對發(fā)電補給水率和發(fā)電綜合耗水率的經典域進行合理劃分;根據《國家電力公司創(chuàng)建國際一流火力發(fā)電廠考核標準(試行)》和文獻[12]對供電煤耗、廠用電率和等效可用系數的經典域進行合理劃分;按照節(jié)域范圍對助燃用油的經典域按比例進行劃分;污染物排放濃度的經典域劃分依據是國家2011年修訂頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》.指標的經典域范圍和節(jié)域范圍劃分如下:

表1 發(fā)電機組原始數據

Rp0=

3.2.2 數據規(guī)范化

在發(fā)電機組的節(jié)能減排評價中,各指標的量化值所在的區(qū)間不會完全相同,有的指標越小,表示機組的節(jié)能減排狀況越好(如廠用電率、煙塵排放濃度等),而有的指標越大,表示機組的節(jié)能減排狀況越好(如等效可用系數等).因此,需要對發(fā)電機組的節(jié)能減排評價指標和評價的等級標準進行規(guī)范化處理,本文用極差變換法對數據進行規(guī)范化處理.在決策矩陣x=(xij)m×n中,極差變換法公式的正向指標和逆向指標分別為:[13]

(1≤i≤m,1≤j≤n)

(11)

(1≤i≤m,1≤j≤n)

(12)

式中:xij——原始值;

yij——標準化后的指標值;

minxij——同一指標的最小值即該指標所在節(jié)域的下限值;

maxxij——同一指標的最大值即該指標所在節(jié)域的上限值.

指標經典域和節(jié)域范圍見表2.

表2 指標經典域和節(jié)域范圍

3.2.3 計算權重系數

權重系數可以根據式(9)計算得出,具體計算結果見表3.

3.2.4 計算綜合關聯度值

計算綜合關聯度值時,首先依次根據式(5)至式(8)計算出各發(fā)電機組的關聯函數值,然后將關聯函數值和權重系數代入式(10),即可計算出機組的綜合關聯度值,結果見表4.

3.3 評價結果分析

將文獻[2]提出的方法與本文提出的物元分析理論得出的評價結果進行比較,如表5所示.

結合表4和表5可以看出,A機組和D機組的節(jié)能減排狀況最好,A機組除了供電煤耗比較高外,其他指標都處于行業(yè)的前列,特別是助燃用油和SO2排放濃度處在絕對先進的位置,因此綜合評定為A機組4級優(yōu)秀;D機組的等效可用系數和氮化物排放濃度處于比較差的級別,其他指標都在良好以上的級別,綜合評定D機組為4級;根據關聯度大小可得出A要比D更好.對于C機組,雖然供電煤耗和廠用電率較低,但等效可用系數較差,氮化物排放濃度也過高,綜合評定為良好;E機組雖然煤耗和水耗較高,但污染物排放較低,因此也評定為良好;同時根據關聯度值得出,E機組要比C機組更好.B機組由于大部分指標都處于2級經典域內,最終評定為2級符合實際,說明該機組的節(jié)能減排潛力較大.

表3 權重系數

表4 綜合關聯度

表5 評價結果比較

綜上分析還可以得出,機組的綜合節(jié)能減排狀況為A>D>E>C>B,這與發(fā)電機組實際運行數據相符.結合表5兩種評價方法得出的結果可以看出,雖然D機組的評價結果有出入,但D機組在物元分析理論的評價中處在第3級的關聯度為-0.231 8,處于第4級的關聯度為-0.167 9,相差較小,可認為處于兩者之間但更傾向于第4級.由此可見,本文提出的物元分析模型評價結果更加客觀、合理.

4 結 語

本文選取供電煤耗、廠用電率、助燃用油、發(fā)電補給水率、發(fā)電綜合耗水率、等效可用系數、SO2排放濃度、氮化物排放濃度和煙塵排放濃度等指標,涵蓋了節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)油、節(jié)水、供電可靠性及污染物排放等方面,能夠合理地評價火電廠的節(jié)能減排狀況.在運用物元分析理論評價發(fā)電機組的節(jié)能減排狀況時,科學合理地劃分經典域范圍,根據經典域范圍計算的關聯度值能夠科學地反應出發(fā)電機組所屬的等級.此外,可以根據關聯度值的大小分析發(fā)電機組節(jié)能減排狀況屬于某一等級的程度,得出發(fā)電機組的綜合排名,同時還能挖掘發(fā)電機組的節(jié)能減排潛力,使得評價結果更加精細和實用,為挖掘發(fā)電機組的節(jié)能減排潛力提供了一個新的思路.

火電行業(yè)的節(jié)能減排除了技術創(chuàng)新,管理理念和方法也應與時俱進.隨著工業(yè)技術以及互聯網技術的快速發(fā)展,發(fā)電企業(yè)能夠對發(fā)電機組運行時的監(jiān)測數據越來越多,利用監(jiān)測數據完善評價模型,使節(jié)能減排的潛力挖掘從系統(tǒng)、模塊到單一化、具體化,從整個系統(tǒng)到單個設備,這樣使得發(fā)電企業(yè)的節(jié)能改造針對性更強、效率更高,為節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出更大的貢獻.

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ThermalPowerUnitEnergyConservationandEmissionReductionEvaluationBasedonMatter-elementAnalysisTheory

SUN Jianmei1, XING Liu2, ZHAO Wenhui1

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai, 200090China;2.Huaneng(SuzhouIndustrialPark)PowerGenerationCompanyLtd.,Suzhou215000,China)

In recent years,as China increases its implementation on energy conservation and emission reduction of thermal power units,the majority of domestic thermal power units need to be reformed.In order to evaluate power plants’ energy conservation and emission reduction potential and situations from a reasonable perspective,first of all,an index system for thermal power plant energy saving and emission reduction is built based on characteristics of thermal power plant operating index;then the evaluation model of energy saving and emission reduction is established in accordance with matter-element analysis theory;finally,a real case analysis of five sets of generating units from five plant is made.The results obtained match the real situation,which indicates that the matter-element analysis theory is of unique advantage in evaluating energy conservation and emission reduction for electric generators.

matter element analysis; energy saving and emissions reduction; thermal power plant unit

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.006

2016-04-18

邢柳(1990-),男,在讀碩士,江蘇南通人.主要研究方向為電力節(jié)能減排.E-mail:honestjason@126.com.

國家自然科學基金(71403163).

TM621

A

1006-4729(2017)05-0439-06

(編輯 白林雪)