基于信息熵與主成分分析方法的燃?xì)怆姀S綜合評價

秦鋒，徐立昊，秦亞迪，付忠廣

1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心；2.中國海油能源經(jīng)濟(jì)研究院；3.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室

0 引言

根據(jù)《中國天然氣發(fā)展報告（2021）》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年中國天然氣消費為3 280×108m3，同比增長6.9%［1］，IEA（國際能源署）預(yù)測2025年中國天然氣消費將超過4 500×108m3，成為天然氣消費大國［2］。陸家亮等［3］分析國產(chǎn)天然氣產(chǎn)量 2025年達(dá)到2 100×108～2 450×108m3，國產(chǎn)天然氣可長期滿足民生、公服及關(guān)鍵工業(yè)用氣的“底線需求”。在“低碳”發(fā)展目標(biāo)下，朱興珊等［4］認(rèn)為天然氣發(fā)電應(yīng)作為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中的主力調(diào)峰電源。李富春等［5］對天然氣發(fā)電與新能源融合發(fā)展技術(shù)做了深入研究。王世宏等［6-7］認(rèn)為鑒于天然氣具備清潔、高效、低碳的優(yōu)勢，應(yīng)在“十四五”期間大力發(fā)展天然氣發(fā)電。為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，近年來國內(nèi)燃?xì)怆姀S裝機(jī)容量增長迅速［8-9］。目前已投產(chǎn)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠大多采用F級燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，產(chǎn)品多來自美國通用電氣公司（簡稱GE）、德國西門子股份公司（簡稱西門子）和日本三菱集團(tuán)（簡稱三菱）［10-11］。

電廠對標(biāo)管理工作的目的是找出機(jī)組之間的差距并通過有效的措施加以改進(jìn)，使機(jī)組更加安全高效地運行［12-13］，但如何綜合評價不同品牌、不同級別的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是氣電企業(yè)對標(biāo)管理工作的一大難點。有學(xué)者通過組合權(quán)重［14］、模糊評判［15-17］、主成分分析［18-19］等方法建立了火電機(jī)組的綜合評判模型，可再生能源發(fā)電機(jī)組如風(fēng)電、水電的綜合評價也得到了相應(yīng)研究［20-21］，但針對燃?xì)怆姀S的經(jīng)濟(jì)性、安全性及可靠性的評價方法及評價體系的研究較少。為促進(jìn)燃?xì)怆姀S挖潛增效、節(jié)能降耗、機(jī)組優(yōu)化運行工作，迫切需要建立一套適于燃?xì)怆姀S的綜合評價體系。

本文擬研究制定一套可以實現(xiàn)不同機(jī)組橫向?qū)Ρ鹊娜細(xì)怆姀S綜合評價方法。通過建立燃?xì)怆姀S綜合評價指標(biāo)體系，采用信息熵-主成分分析模型［22］，以多項指標(biāo)（環(huán)保、安全、生產(chǎn)運營、設(shè)備管理等）數(shù)據(jù)為評價依據(jù)，進(jìn)行燃?xì)怆姀S綜合評價分析，驗證綜合評價方法的有效性，并給出相關(guān)建議。

1 綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系建立的原則

燃?xì)怆姀S綜合評價指標(biāo)體系是對標(biāo)管理電廠綜合評估的基礎(chǔ)，指標(biāo)體系的建立必須遵循一定的原則，以真實準(zhǔn)確反映燃?xì)怆姀S管理運行、挖潛增效、節(jié)能優(yōu)化的目標(biāo)構(gòu)建。

一是一致性原則，即評價指標(biāo)在分析上與評價體系一致，評價指標(biāo)體系在設(shè)計上與評價目標(biāo)一致。二是系統(tǒng)性原則，即應(yīng)以實現(xiàn)整體綜合評價功能大于各項指標(biāo)描述為前提。三是獨立性原則，即同層次的指標(biāo)應(yīng)盡量避免交叉和互相包含。四是可操作性原則，即所確立的指標(biāo)實際值應(yīng)容易獲取。五是真實性原則，即數(shù)據(jù)的采集和測算要以真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

1.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

電廠關(guān)鍵運行參數(shù)及指標(biāo)眾多，指標(biāo)之間還可能存在相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。對燃?xì)怆姀S進(jìn)行綜合評價時選取的指標(biāo)應(yīng)能體現(xiàn)電廠核心競爭力，并體現(xiàn)綜合評價的全面性、有效性。在充分調(diào)研某集團(tuán)各燃?xì)怆姀S對標(biāo)管理指標(biāo)，以及借鑒全國燃?xì)鈾C(jī)組技術(shù)交流協(xié)作會對電廠的對標(biāo)評比工作基礎(chǔ)上，擬定了該集團(tuán)燃?xì)獍l(fā)電業(yè)務(wù)對標(biāo)體系的指標(biāo)范圍、名稱、定義以及計算方法，即從安全環(huán)保、可靠性、設(shè)備管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、主要運行5方面建立二級指標(biāo)，同時5個二級指標(biāo)又細(xì)分為多個三級指標(biāo)，從而構(gòu)建了燃?xì)怆姀S對標(biāo)管理綜合評價指標(biāo)體系。

安全環(huán)保指標(biāo)：安全環(huán)保指標(biāo)反映電廠在安全管理、噪聲控制、大氣污染物控制、污水處理等方面的運行水平，作為評價燃?xì)怆姀S安全系數(shù)與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的體系指標(biāo)。

可靠性指標(biāo)：燃?xì)怆姀S可靠性指標(biāo)反映電廠運營現(xiàn)狀及綜合運營能力，高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性是電廠在市場競爭中獲勝的主要因素。

設(shè)備管理指標(biāo)：設(shè)備管理指標(biāo)是設(shè)備管理的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)，促進(jìn)提高設(shè)備管理現(xiàn)代化水平和設(shè)備管理效益。完善的設(shè)備管理指標(biāo)體系可為燃?xì)怆姀S實行設(shè)備管理的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)，促進(jìn)提高設(shè)備管理現(xiàn)代化水平和設(shè)備管理效益，是完成發(fā)電任務(wù)的保障。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)指標(biāo)和運營環(huán)節(jié)指標(biāo)，直接關(guān)系到電廠的生存與發(fā)展。

主要運行指標(biāo)：主要運行指標(biāo)代表了電廠安全生產(chǎn)運行、節(jié)能降耗管理水平，指標(biāo)大小直接關(guān)系到電廠運行優(yōu)化狀況和經(jīng)濟(jì)效益。

各指標(biāo)域下包含的子指標(biāo)如表1所示。

表1 燃?xì)怆姀S對標(biāo)管理綜合評價指標(biāo)體系

2 綜合評價應(yīng)用

2.1 綜合評價模型

熵是熱力學(xué)中微觀狀態(tài)多樣性或者均勻性的一種度量，表征系統(tǒng)的無序程度。在信息論中，信息源可視為一組隨機(jī)事件的集合，其不確定度與熱力學(xué)中微觀態(tài)的無序程度類似。1948年，香農(nóng)將熱力學(xué)熵的概念引申到信道通信過程中，并創(chuàng)立了“信息論”這門學(xué)科。信息熵表示信息的不確定度，信息熵越大，表明信息的不確定度越高，信息的貢獻(xiàn)越小；信息熵越小，則表明信息的不確定度越低，信息的貢獻(xiàn)越大。本文參考齊敏芳等［22］開發(fā)的基于信息熵與主成分分析的燃煤發(fā)電機(jī)組評價模型，將該模型應(yīng)用于本次燃?xì)怆姀S綜合評價。

主成分分析是一種多元統(tǒng)計分析方法。該方法通過構(gòu)造原變量的一系列線性組合形成新變量，使這些新變量在彼此互不相關(guān)的前提下盡可能多地反映原變量的信息。數(shù)據(jù)信息主要反映在數(shù)據(jù)變量的方差上，方差越大，包含信息越多，通常用累計方差貢獻(xiàn)率來衡量。主成分分析綜合評價法是從原始數(shù)據(jù)所給定的信息直接確定權(quán)重，進(jìn)而進(jìn)行評價的方法。在進(jìn)行主成分分析時，所取權(quán)重直接為對應(yīng)主成分的方差貢獻(xiàn)率，某個主成分在綜合評價時所能反映的信息越多，相應(yīng)的權(quán)重也就越大。

將主成分分析用于燃?xì)怆姀S綜合評價時，首先需基于指標(biāo)體系建立二級指標(biāo)下不同機(jī)組的三級指標(biāo)矩陣；根據(jù)專業(yè)知識與機(jī)理分析將指標(biāo)定義為正類或者負(fù)類屬性指標(biāo)并進(jìn)行規(guī)范化，形成二級指標(biāo)決策矩陣；然后基于決策矩陣計算指標(biāo)熵值及信息偏差度，從而根據(jù)信息偏差度確定指標(biāo)權(quán)重；根據(jù)指標(biāo)權(quán)重及決策矩陣可以計算二級指標(biāo)評價值；最后，對二級指標(biāo)評價值進(jìn)行主成分分析，得到機(jī)組的綜合評價值，綜合評價值排序即代表機(jī)組對標(biāo)評比的排名。

2.2 被評價燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本信息

本文選取了某集團(tuán)下屬5家電廠的15套燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，其中E級機(jī)組4套，F(xiàn)級機(jī)組11套，進(jìn)行綜合評價（見表2）。

表2 綜合評價燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本信息

2.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)

以2017年4月份指標(biāo)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行綜合評價計算。各項指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表 3～表7所示。指標(biāo)屬性為負(fù)的值越小電廠越優(yōu)，正屬性指標(biāo)反之。

表3 安全環(huán)保指標(biāo)

表4 可靠性指標(biāo)

表5 設(shè)備管理指標(biāo)

表6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表7 主要運行指標(biāo)

2.4 綜合評價結(jié)果及分析

權(quán)重值表示在評價過程中，對被評價對象的不同指標(biāo)的重要程度進(jìn)行定量分配，權(quán)重越大，則該指標(biāo)對二級指標(biāo)的影響越大，對電廠評價的貢獻(xiàn)越大。

根據(jù)信息熵-主成分分析模型對指標(biāo)體系中各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值計算，權(quán)值結(jié)果如表8所示，綜合評價結(jié)果如表9所示。

表8 綜合評價指標(biāo)權(quán)值匯總

表9 綜合評價排名匯總

2.4.1 信息熵二級指標(biāo)結(jié)果分析

由安全環(huán)保指標(biāo)來看，評價排名為電廠1（二期）、電廠1（三期）、電廠4、電廠5、電廠3、電廠2。通過指標(biāo)權(quán)重值可知，除廠界噪聲（夜間）權(quán)重值較小外，其他指標(biāo)權(quán)重值均較大，設(shè)備噪聲最大值權(quán)重值最大，說明該指標(biāo)在安全環(huán)保指標(biāo)評價中的貢獻(xiàn)較大。通過指標(biāo)數(shù)據(jù)可知，電廠 1（二期）設(shè)備噪聲最大值雖然不是最低，但其氮氧化物濃度及廠界噪聲（日間）指標(biāo)表現(xiàn)均為優(yōu)異，故其在安全環(huán)保指標(biāo)評價中排名第一。電廠4設(shè)備噪聲最大值最低，但廠界噪聲（日間及夜間）值不及電廠1（二期）、電廠1（三期），故排名第三。電廠5雖然污水排放量為零，但其他指標(biāo)值處于中下等級，排名在中位，說明一個指標(biāo)處于最優(yōu)或與其他電廠指標(biāo)數(shù)量級相差很大，并不會對最終評價結(jié)果產(chǎn)生決定性作用。

從可靠性指標(biāo)分析，由指標(biāo)權(quán)重值可知機(jī)組等效可用系數(shù)及發(fā)電利用小時數(shù)權(quán)重值最大，發(fā)電計劃完成率及計劃停運小時數(shù)權(quán)較大。電廠 1（三期）雖然發(fā)電計劃完成率、發(fā)電利用小時及計劃停運行小時數(shù)數(shù)不是最好的，但其他指標(biāo)均為最優(yōu)，因此排名第一。電廠3雖然等效可用系數(shù)及年利用小時數(shù)不是最優(yōu)，但其他指標(biāo)均為最優(yōu)，故排名第二。電廠5發(fā)電計劃完成率、機(jī)組等效可用系數(shù)、發(fā)電利用小時數(shù)均最差，故其可靠性指標(biāo)排名最差。

從設(shè)備管理指標(biāo)分析，由權(quán)重值結(jié)果可知備件庫存資金周轉(zhuǎn)率權(quán)重值最大，維修材料消耗費用次之，維修人員比例、庫存維修材料權(quán)重隨后。電廠 1（三期）、電廠 1（二期）備件庫存資金周轉(zhuǎn)率指標(biāo)值最優(yōu)，與其他電廠數(shù)量級相差較大，電廠 1（三期）因關(guān)鍵設(shè)備臺時率優(yōu)于電廠 1（二期），因此以較弱優(yōu)勢排名第一，電廠1（二期）排名第二。電廠5備件庫存資金周轉(zhuǎn)率指標(biāo)值較差，其他指標(biāo)也并不樂觀，如設(shè)備消缺及時率、設(shè)備消缺率，尤其是庫存維修材料指標(biāo)值最差，與其他電廠相差數(shù)量級很大，其設(shè)備管理指標(biāo)排名最差。

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，由權(quán)重值結(jié)果可知，發(fā)電量的權(quán)重值最大，其對評價結(jié)果的貢獻(xiàn)最大，負(fù)荷率權(quán)重值次之，發(fā)電標(biāo)煤耗權(quán)重值第三，是電廠經(jīng)濟(jì)性最重要的3個指標(biāo)。由各電廠指標(biāo)值可知，電廠1（三期）負(fù)荷率雖然不是最優(yōu)，但是其發(fā)電量大，氣耗率低，且其他指標(biāo)值也位于優(yōu)先行列，故其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。電廠1（二期）相對于電廠1（三期）技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)次之，排名第二。而電廠2平均負(fù)荷、負(fù)荷率、單位產(chǎn)量生產(chǎn)運營成本、發(fā)電氣耗率及發(fā)電廠用電率均為最差值，且其他指標(biāo)數(shù)值也不樂觀，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最差。通過對電廠機(jī)組情況的調(diào)查分析可知，電廠5雖為F級機(jī)組，但由于機(jī)組專門用于調(diào)峰，其運行工況受電網(wǎng)調(diào)動影響頗大，位居第四。電廠2和電廠3為E級燃?xì)廨啓C(jī)，由于燃燒室燃燒溫度較低，發(fā)電氣耗明顯較高，進(jìn)而單位產(chǎn)量生產(chǎn)運營成本高，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上本身存在相對劣勢。

從主要運行指標(biāo)分析，汽水品質(zhì)合格率、油氣品質(zhì)合格率指標(biāo)值相差不大，評價結(jié)果基本由其他指標(biāo)決定。由指標(biāo)值權(quán)重值可知，除鹽水產(chǎn)水率的權(quán)重值最大，發(fā)電耗淡水率權(quán)重值次之，補(bǔ)水率權(quán)重值第三。電廠4除鹽水產(chǎn)率最高，補(bǔ)水率、發(fā)電耗淡水率指標(biāo)值均最優(yōu)或者次優(yōu)，且其他指標(biāo)值均較好，故其主要運行指標(biāo)最優(yōu)。電廠5各項指標(biāo)僅稍次于電廠4，故其主要運行指標(biāo)排名第二。電廠 1（二期）和電廠 1（三期）因發(fā)電耗淡水率遠(yuǎn)高于其他電廠，排名最差。

2.4.2 主成分一級指標(biāo)結(jié)果分析

由主成分計算結(jié)果可知，電廠綜合評價排名為電廠1（三期）、電廠1（二期）、電廠4、電廠3、電廠5、電廠2。通過評價結(jié)果可知，電廠1（二期）、電廠 1（三期）雖然主要運行小指標(biāo)的評價排名并不理想，但其設(shè)備可靠性指標(biāo)、設(shè)備管理指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的排名最優(yōu)，且這幾項指標(biāo)在主成分分析過程中模型計算得到的權(quán)重較大，最終使得這兩套機(jī)組在綜合評價排名中位居前兩名。從電廠管理、運行及經(jīng)營之間的關(guān)系分析，設(shè)備管理指標(biāo)較優(yōu)說明設(shè)備管理工作到位，設(shè)備管理工作直接影響設(shè)備運行狀況及可靠性，因此也會在機(jī)組可靠性指標(biāo)方面有所體現(xiàn)，設(shè)備可靠性高為機(jī)組經(jīng)濟(jì)、良好運行創(chuàng)造條件，保證機(jī)組有能力按計劃完成各項經(jīng)營目標(biāo)，實現(xiàn)較優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，整個機(jī)組綜合評價處于優(yōu)秀水平。此外評價結(jié)果也與進(jìn)行綜合評價的各電廠實際機(jī)組運行狀況、盈利情況相契合，從側(cè)面驗證了評價方法的科學(xué)性以及評價結(jié)果的合理性、客觀性。

2.4.3 綜合評價結(jié)果

從對標(biāo)分析結(jié)果看，在安全環(huán)保工作方面電廠通常能夠很好地控制氮氧化物及污水等污染物排放，但往往忽視噪聲的控制；在可靠性工作方面，電廠應(yīng)做好機(jī)組的檢修計劃，提高機(jī)組等效可用系數(shù)，減少計劃停運小時數(shù)，以提高發(fā)電計劃完成率；在設(shè)備管理工作方面，發(fā)電集團(tuán)下屬各個電廠如使用同一品牌及型號機(jī)組，可以考慮高價值零部件的聯(lián)合供備來減少備件庫存資金的占用；主要運行指標(biāo)對標(biāo)結(jié)果表明電廠應(yīng)采用技術(shù)先進(jìn)的除鹽水生產(chǎn)設(shè)備，提高除鹽水產(chǎn)率是各項節(jié)水工作中相對更為重要的一項工作。

3 結(jié)論及建議

本文在分析燃?xì)怆姀S運行與管理方式的基礎(chǔ)上，從安全環(huán)保指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、設(shè)備管理指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和主要運行指標(biāo)5個方面建立了燃?xì)怆姀S綜合評價指標(biāo)體系，同時，從客觀賦權(quán)角度出發(fā)，以電廠指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系為基礎(chǔ)，采用信息熵-主成分分析綜合評價模型，進(jìn)一步將理論算法與實際電廠相結(jié)合，驗證了綜合評價方法在不同品牌及不同級別燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組上的適用性，結(jié)果表明本文建立的指標(biāo)體系以及采用的綜合評價方法可以作為電廠對標(biāo)管理工作的評價工具使用。

本文所述評價方法可以客觀計算二級指標(biāo)下各三級指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重大小反映了該三級指標(biāo)對評價二級指標(biāo)優(yōu)劣的重要性，同時也反映了該三級指標(biāo)及對應(yīng)具體管理工作在電廠相應(yīng)分類管理工作中的重要程度，為電廠確定分類管理工作中各事項的優(yōu)先次序及工作重點提供了參考。

目前燃?xì)怆姀S綜合評價指標(biāo)體系及評價方法僅在有限的范圍和時間內(nèi)進(jìn)行了測試與驗證，還需在日后推廣應(yīng)用中進(jìn)一步對指標(biāo)體系及評價方法進(jìn)行檢驗、優(yōu)化及完善（比如三級指標(biāo)采用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法等），通過評價方法及計算模型的改進(jìn)使評價結(jié)果更加客觀、公正。該方法已用于某集團(tuán)部分燃?xì)怆姀S及生產(chǎn)部門的日常對標(biāo)管理工作，并取得良好效果。該方法可推廣應(yīng)用于行業(yè)競賽及企業(yè)內(nèi)部管理中，客觀準(zhǔn)確地評定燃?xì)怆姀S的優(yōu)勢與不足。電廠管理人員還可以根據(jù)自身電廠的管理特點及個性化需求，對評價指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)評價結(jié)果找到電廠管理工作的改進(jìn)方向，切實提高電廠管理水平。