基于物元分析和層次分析法的火電廠節(jié)能評價

陳 波， 譚 果， 劉 波， 蔡 佳

(1. 湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411104；2. 中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 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)動設(shè)備的推廣。在如何從各個環(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，如電機變級及電機變頻技術(shù)、燃燒系統(tǒng)微油點火技術(shù)、汽輪機汽封優(yōu)化技術(shù)、汽輪機揭缸提效降低汽輪機熱耗率、球磨機少球技術(shù)等[1-3]。從技術(shù)節(jié)能、運行節(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，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，汽輪機熱耗率，機組供電煤耗率等熱力性能測試，表明煙水復(fù)合回?zé)嵯到y(tǒng)具有很好的節(jié)能效果[4]。汽輪機冷端優(yōu)化如凝氣設(shè)備的監(jiān)測技術(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)行了火電機組凝汽器抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造實驗，對比了不同容量機組的節(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，定量地評定對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)能評價，而且對各類總體能效水平的影響因素進(jìn)行定量評定[22]。

1 物元分析評價理論基礎(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。則對于多個特征的事物。物N的n個特征C1,C2,Λ,Cn及N關(guān)于Ci(i=1,2,Λ,n)對應(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)

三元組作為評價指標(biāo)再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后確定評價指標(biāo)的節(jié)域和經(jīng)典域。確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，計算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值，計算綜合評價值，判定評價對象所屬類別，得出評價結(jié)果。

1.2 火電廠節(jié)能評價物元分析模型

1.2.1 物元模型

對于火電廠綜合評價模型，N即為火電廠的綜合評價值，C即為選取的節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水的三個評價指標(biāo)，V為三個指標(biāo)值。如：

(2)

同理在火電廠節(jié)能分評價，N為節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水的3個評價指標(biāo)，C和V為對應(yīng)分評價指標(biāo)和對應(yīng)量值。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化處理

考慮到三個總評價指標(biāo)均為成本型指標(biāo)，綜合評價模型選用極差變換法來對指標(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個等級的物元模型；Poj是第j個等級的評價物元(j=1,2,…,m)；Ci是Poj的第i個特征；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評價指標(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表示事物評價等級經(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)水三個方面進(jìn)行，在不同方面評價時，需通過對各類指標(biāo)的量值確定范圍，便可對三個總指標(biāo)的情況進(jìn)行分等級評定，從而得到節(jié)域和經(jīng)典域。

1.2.4 計算關(guān)聯(lián)函數(shù)

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

(7)

(8)

其中ρ(vi,Xoj)，ρ(vi,Xpi)分別表示點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)的計算，公式如下：

(9)

Kj(vi)表示待評價物元的第i個評價指標(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。首先構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣是指同一層級中各評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行相互比對，并采用合適的標(biāo)度以數(shù)值表示，形成判定矩陣。通過專家評定并采用“1～9標(biāo)度法”對指標(biāo)權(quán)重比較。

通過判斷矩陣后可得出各評價指標(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來判斷矩陣一致性偏離程度，即檢驗一致性[24]。

(10)

CI值越小，一致性越高。另需引入指標(biāo)RI值來確定判斷矩陣的平均隨機一致性。當(dāng)CI/RI<0.1時，說明符合評價要求。

1.2.6 綜合評價

綜合評價值的計算公式如下：

(11)

式中wij表示各評價指標(biāo)的權(quán)重，采用層次分析法來進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的分配；Kj(Po)表示評價對象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 評價指標(biāo)體系

圖1為總評價和分評價的指標(biāo)體系。

圖1 節(jié)能評價指標(biāo)體系

(1)節(jié)煤及其分評價指標(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、汽輪機熱耗率作為發(fā)電煤耗分評價指標(biāo)。

(2)節(jié)電及其分評價指標(biāo)：綜合廠用電率是指發(fā)電過程設(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、鍋爐輔機耗電率、汽機輔機耗電率、除灰除塵耗電率、脫硫耗電率6個指標(biāo)來作為節(jié)電分評價指標(biāo)。

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

3 實例分析

3.1 火電廠節(jié)能總評價

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)能總評價指標(biāo)

計算總評價指標(biāo)的節(jié)域為：

評價指標(biāo)處理后為表2：

表2 標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果

將各評價指標(biāo)劃從高到低分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個等級，則各指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域見表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)：計算統(tǒng)計得各指標(biāo)判斷矩陣如下：

綜合評價值。確定了各個指標(biāo)的經(jīng)典域距、節(jié)域距和權(quán)重?？梢杂嬎愠龈鱾€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)能綜合評價值。

表5 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值

綜合評價：K1(P0)為-0.3311，K2(P0)為-0.0882，K3(P0)為-0.0794，K4(P0)為-0.3768。顯然最大綜合評價值為K2=0.0882，該火電廠的綜合節(jié)能水平屬于第Ⅲ級。各單項指標(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，水資源的利用控制屬于第Ⅱ級。

3.2 火電廠節(jié)能分評價

3.2.1 節(jié)煤分評價

該廠對應(yīng)年度節(jié)煤分評價指標(biāo)如表6所示。各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與評價值如表7所示，其中wi為指標(biāo)權(quán)重。

表6 節(jié)煤分評價指標(biāo)值

表7 節(jié)煤分評價計算結(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。單項指標(biāo)中，鍋爐熱效率屬于Ⅱ級；管道效率屬于Ⅲ級；汽輪機熱效率屬于Ⅳ級，改造空間大。說明該廠應(yīng)該節(jié)能技術(shù)改造的重點為汽輪機，汽輪機節(jié)能技術(shù)改造的空間最大，這也正是該廠下一步重點改造對象，評價與實際相符。

3.2.2 節(jié)電分評價

根據(jù)該火電廠輔機用電的情況計算得各指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與評價值如表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。單項指標(biāo)中，鍋爐輔機耗電率、輸煤耗電率及脫硫耗電率屬于第Ⅱ級，汽輪機輔機耗電率、除灰除塵耗電率及供水耗電率屬于第Ⅲ級。

表8 節(jié)電分評價計算結(jié)果

3.2.3 節(jié)水分評價

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

表9 節(jié)水分評價計算結(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。單項指標(biāo)中，汽水損失率、鍋爐補水率及全廠復(fù)用水率屬于Ⅱ級，灰水比處于Ⅲ級。

4 結(jié)論

(1)本文鍋爐熱效率、管道熱效率、汽輪機熱耗率、輸煤耗電率、供水耗電率、鍋爐輔機耗電率、汽機輔機耗電率、除灰除塵耗電率、脫硫耗電率、鍋爐補水率、汽水損失率、灰水比和全廠復(fù)用水率共計13個因素為評價提供指標(biāo)體系。

(2)采用物元分析理論和層次分析法來構(gòu)建綜合評價指標(biāo)計算模型。通過物元分析理論對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算域距和節(jié)域距，通過層次分析法分配指標(biāo)權(quán)重，從而得到綜合評價值。

(3)對某電廠實際數(shù)據(jù)進(jìn)行實例計算分析，將綜合評價值從高到低分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級四個等級，其中Ⅳ級是目前最需進(jìn)行節(jié)能改造的對象，通過綜合評價方法得出該電廠總體指標(biāo)和分指標(biāo)的評價值，總體能效水平屬于Ⅲ級，當(dāng)前分指標(biāo)值最低為汽輪機能效水平。