长江流域火电工业取用水定额多目标评价分析

邓敏慧，周研来，桑连海

(1.宝山钢铁股份有限公司，上海　200941; 2.长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉　430010;3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉　430072)



长江流域火电工业取用水定额多目标评价分析

邓敏慧1，周研来2,3，桑连海2

(1.宝山钢铁股份有限公司，上海200941; 2.长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉430010;3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072)

摘要：针对单目标评价方法无法有效地评价火电工业取用水定额的优劣程度问题，基于投影寻踪法对长江流域火电工业取用水定额进行了多目标评价。首先分析了单目标评价方法对火电工业取用水定额的优劣评价结果；在此基础上开展了基于投影寻踪法的长江流域火电工业取用水定额的多目标评价研究。研究结果表明：长江下游地区的江苏华能太仓电厂三期工程的综合评分最高，而长江下游地区的江苏南通新区热电厂二期扩建工程的综合评分最低，评价结果相对合理客观。基于投影寻踪法的多目标评价相比单目标评价方法，可有效传递和辨识评价指标的信息价值，可给出长江流域火电工业取用水定额合理且客观的综合评价，推荐采用差评、合格、良好和优异4级综合指标划分法对火力发电厂取用水定额进行分级评价。

关键词：火电工业；取用水定额；长江流域；投影寻踪法；单目标评价

1研究背景

随着长江流域经济发展、人口增加，流域内水资源供给越发紧张，做好长江流域内水量合理利用和优化分配的要求也越来越强烈。目前长江流域取用水定额管理存在的突出问题之一为取用水定额考核指标主要是采用单一评价指标，即根据各单位的生产产量或产值来定额考核，无法综合评判工业的取用水定额的合理性[1-2]。由于缺乏系统、全面的取用水定额评价指标，目前关于火电工业取用水定额合理性的一些简单评判很容易产生似是而非的结论，且单目标评价方法仍然是火电工业取用水定额合理性的主要方法[3-7]。

针对火电工业取用水定额的单目标评价方法存在传递和辨识评价指标信息价值的低效率问题，本文采用基于投影寻踪法对长江流域火电工业取用水定额进行多目标评价。首先分析单目标评价方法对火电工业的取用水定额优劣评价结果，并在此基础上开展基于投影寻踪法的长江流域火电工业取用水定额的多目标评价研究。

2现状分析及多目标评价方法

2.1现状分析根据长江流域近5 a来21个新建火电工程取用水定额的调查统计结果[3](详见表1)，采用600 MW级和300 MW级机组的循环冷却电厂数量占统计的循环冷却电厂数量的80%，在一定程度上说明，300 MW级和600 MW级机组仍是当前长江流域内循环冷却火电厂的主力机组，而直流冷却火电厂以1 000 MW级机组为主。2.2多目标评价方法

2.2.1评价指标

根据国家火电工业现行相关标准、规范、规划要求，我国火电工业常用取用水定额包括单位发电量取水量和装机水耗率2项指标。为综合评价流域内火电工业取用水定额合理性和生产工艺的先进性，将机组装机容量、年利用小时数也纳入多目标评价指标体系。各多目标评价指标描述如下。

2.2.1.1设计单位发电量取水量最小化

单位发电量取水量，定义为火力发电企业生产每单位发电量需要从各种常规水资源提取的水量(《取水定额 第1部分 火力发电》(GB/T 18916.1—2012))。用水效率合理性和生产工艺先进性的直接评价指标之一为设计单位发电量取水量最小化，即

表1　长江流域部分新建火力发电厂取用水定额统计结果[3]

注：“[ ]”内的数值为按升序方法的排位序号。

(1)

式中:Vui为设计单位发电量取水量(m3/(MW·h))；Vi为在一定计量时间内，生产过程中取水量总和(m3)；Q为在一定计量时间内的发电量(MW·h)。2.2.1.2单位装机容量取水量最小化

单位装机容量取水量，定义为按火力发电企业单位装机容量核定的取水量(《取水定额 第1部分 火力发电》(GB/T 18916.1—2012))。该指标主要用于火电厂规划与设计。用水效率合理性和生产工艺先进性的直接评价指标之一为全厂装机水耗率最小化：

(2)

式中：Vc为单位装机容量取水量(m3/(s·GW))；Vh为夏季纯凝工作机组满负荷运行的单位时间取水量(m3/s)；N为装机容量(GW)。

2.2.1.3机组装机容量最大化

总装机容量是指该系统实际安装的发电机组额定有效功率的总和。用水效率合理性和生产工艺先进性的间接评价指标之一为机组装机容量最大化maxN(N为装机容量(GW))。

2.2.1.4机组年利用小时数最小化

发电机组利用小时数等于全年发电量除以机组装机容量。用水效率合理性和生产工艺先进性的间接评价指标之一为机组年利用小时数最小化minU(U为发电机组利用小时数(h))。

为了统一评价各指标的优劣情况，需进行规范化处理，将各指标值处理为具有相同量纲和评判标准的属性值。一般分为如下2类。

(1) 成本型指标。越小越优，如设计单位发电量取水量、单位装机容量取水量和机组年利用小时数。计算公式为

(3)

(2) 效益型指标。越大越优，如机组装机容量，其计算公式为

(4)

2.2.2投影寻踪法

根据评价指标权重系数的确定方法，可将多目标评价方法分为主观为主和客观为主的评价方法[8]。与以主观为主的层次分析法相比，以客观为主的投影寻踪法，其评价结果的客观性和可比性较好，主观定性因素对评价结果的影响较小，可有效避免评价指标维数灾。

投影寻踪法的多目标评价过程主要包括以下几个步骤[8-9]：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3结果分析

3.1单目标分析结果

图1　各评价指标的箱型统计Fig.1　Boxplot for different evaluation indexes

分别从设计单位发电量取水量、单位装机容量取水量、机组年利用小时数和装机容量单个评价指标出发，对表1中各火力发电厂的取用水定额进行单目标评价分析，结果如表1所示，图1给出了各评价指标的箱型统计数据。据表1和图1可知：

(1) 从设计单位发电量取水量指标评价，评分最高的是长江下游地区的江苏沙洲电厂二期工程(0.28 m3/(MW·h))；评分最低的是长江下游地区的安徽国电舒城电厂一期(3.43 m3/(MW·h))。

(2) 从单位装机容量取水量指标评价，评分最高的是长江下游地区的江苏沙洲电厂二期工程(0.078 m3/(s·GW))；评分最低的是长江下游地区的江苏南通新区热电厂二期扩建工程(0.844 m3/(s·GW))。

(3) 从机组年利用小时数指标评价，评分最高的是长江上游地区的四川攀钢煤矸石综合利用自备电厂工程(4 500 h)；评分最低的是长江中游地区的陕西商洛发电厂一期工程(7 000 h)。

(4) 从装机容量指标评价，评分最高的是长江下游地区的江苏华能太仓电厂三期工程(2.4 GW)；评分最低的是长江上游地区的四川攀钢煤矸石综合利用自备电厂工程(0.3 GW)。

从单目标评价指标角度来分析长江流域火力发电厂的取用水定额的优劣程度，各评价指标之间并非存在正相关关系，如设计单位发电量取水量指标评分最低的电厂，其单位装机容量取水量指标评分并非也是最低。因此，单目标评价方法无法有效地评价长江流域火力发电厂的取用水定额的优劣程度。

3.2投影寻踪法评价结果

(1) 加速遗传算法的参数设置[9]：种群规模M=400；最大迭代次数G=100，交叉概率Pc=0.80；变异概率Pm=0.20。

由最佳投影方向可以看出，在选定的4个指标中，单位装机容量取水量和设计单位发电量取水量为决策者提供的有用价值信息较大，权重较大，装机容量则次之，而权重最小的为机组年利用小时数。

(1) 21个火力发电厂取用水定额的优劣排序为(11，14，15，17，10，7，3，9，5，12，13，20，18，19，6，8，1，2，4，21，16)，其中长江中游地区的江苏华能太仓电厂三期工程(设计单位发电量取水量0.32 m3/(MW·h)，单位装机容量取水量0.090 m3/(s·GW)，机组年利用小时数为5 500 h，装机容量指标为2.4 GW的综合评分最高；而长江中游地区的江苏南通新区热电厂二期扩建工程(设计单位发电量取水量为3.04 m3/(MW·h)，单位装机容量取水量为0.844 m3/(s·GW)，机组年利用小时数为5 000 h，装机容量指标为0.6 GW)的综合评分最低，评价结果相对合理客观。

(2) 长江中下游地区火力发电厂的取用水定额综合评分整体相对较好(含排名前5的火力发电厂)，但长江上中下游地区取用水定额综合评分较差的火力发电厂分布也相对均匀(上游有排名第17位的电厂；中游有排名20和19位的电厂；下游有排名21位的电厂)。

图2　长江流域火电行业取用水定额的分类等级划分Fig.2　Ranks for the water intake quantity and quota offossil-fuel power stations in Changjiang River Basin

4结语

本文对比分析了单目标评价方法与基于投影寻踪的多目标评价方法在长江流域火电工业取用水定额现状评价中的应用，结果表明：

(1) 长江中游地区的江苏华能太仓电厂三期工程的综合评分最高；而长江中游地区的江苏南通新区热电厂二期扩建工程的综合评分最低，评价结果相对合理客观。

(2) 因各评价指标之间并非存在正相关关系，单目标评价方法无法有效地评价长江流域火力发电厂的取用水定额的优劣程度，而基于投影寻踪法的多目标评价相比单目标评价方法，可有效传递和辨识评价指标的信息价值，可给出长江流域火力发电厂取用水定额合理且客观的综合评价。

(3) 单位装机容量取水量和设计单位发电量取水量指标为决策者提供的有用价值信息较大，权重较大，装机容量指标则次之，而权重最小的为机组年利用小时数指标。

建议取用水定额综合评分较差的电厂应加强与用水工艺相对合理和先进的电厂交流学习，以提高电厂自身在区域火力发电工业的竞争力。

参考文献：

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[3]桑连海, 曾祥, 张劲,等. 长江流域火电工业取用水量及定额分析[J]. 长江科学院院报, 2014, 31(12): 17-20.

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[9]金菊良，杨晓华，丁晶. 基于实数编码的加速遗传算法[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2000, 32(4): 20-24.

(编辑：赵卫兵)

Multi-objective Evaluation of Water Intake Quantity and Quota forFossil-fuel Power Stations in Changjiang River Basin

DENG Min-hui1, ZHOU Yan-lai2,3, SANG Lian-hai2

(1.Baoshan Iron and Steel Limited Company, Shanghai200941, China; 2.Water Resources Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 3.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan430072, China)

Abstract:Single-objective evaluation method cannot effectively evaluate the rationality of water intake quantity and quota of fossil-fuel power station. In view of this, a multi-objective evaluation method based on projection pursuit was employed to evaluate the reasonability of water intake quantity and quota of fossil-fuel power stations in Changjiang River basin. Firstly, single-objective evaluation method was applied to evaluation and the result was analyzed. On this basis, multi-objective evaluation was conducted. Results show that the comprehensive score of Taicang fossil-fuel power station phase III is the highest and Nantong thermal power plant phase II is the lowest. This multi-objective evaluation method based on projection pursuit could effectively identify the information value of evaluation indexes, and give rational and objective assessment result. Four ranks (unqualified, qualified, good, and excellent) are recommended for the rating.

Key words:fossil-fuel power station; water intake quantity and quota; Changjiang River Basin; projection pursuit method; single-objective evaluation

中图分类号：TV213.9

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0023-05

doi:10.11988/ckyyb.201501282016,33(05):23-27

作者简介：邓敏慧(1984-)，女，四川南充人，工程师，主要从事火电厂用水管理研究，(电话)13611760610(电子信箱)dengminhui@baosteel.com。通讯作者：周研来(1985-)，男，湖南娄底人，工程师，博士，主要从事水文学及水资源开发利用研究，(电话)027-82927557(电子信箱)zyl23bulls@whu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51509008)；湖北省自然科学基金项目(2015CFB217)；武汉大学水资源水电工程科学国家重点实验室开放基金项目(2014SWG02)

收稿日期：2015-02-09； 修回日期：2015-08-25