天然气分布式能源系统综合评价方法—基于AHP的yaahp软件实现

刘心喜 阮慧锋 张志勇 张钟平 徐荻森

摘要：指出了天然气分布式能源系统综合评价对分布式能源的各环节具有重要影响。运用yaahp软件，采用层次分析法从能效性、能质性、可靠性、环境性和经济性5个方面建立了层次结构模型，并依据此模型对4个天然气分布式能源站进行了综合评价。通过结果分析，阐述了该方法的可行性，并对天然气分布式能源发展提出了建议和意见。

关键词：分布式能源；层次分析法；综合评价；yaahp软件

中图分类号：TK01

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10014804

1 引言

分布式能源系统是指将系统安装在用户侧，根据用户能源需求进行冷热电供给的高效能源利用系统[1]。分布式能源系统将发电、输配电、热网、建筑釆暖和供冷等多种系统组合起来，是多输入、多能联供的复杂系统。在我国能源和环境危机的双重背景下，分布式能源系统逐渐发展，并成为当前研究热点[2，3]。然而目前天然气分布式能源项目的评估并没有统一的或公认的标准、规范或方法。

天然气分布式能源系统综合评价是综合热力学、社会学、经济学、系统论、控制论等多门学科的系统评价分析，其评价的指标体系是一个多层次、多目标的评价指标集合[4]。在分布式能源目不断增多的情况下，对其进行综合评价的工作有利于总结已建项目的经验教训，其成果作为规划制定、项目审批、投资决策、项目管理的重要参考依据。因此，对天然气分布式能源项目进行综合评价，科学合理评价各指标，查找存在的某些共性问题，为现运行或拟建项目提供一定支持，并为提高的项目运行技术水平及经济可靠性提供技术支持，这对分布式能源健康可持续发展有着重要的意义。

2 研究方法

2.1 研究步骤

分布式能源系统综合评价方法用于分布式能源站，具体步骤如下：①调研并分析能源站运行数据及用户侧负荷，作为基础数据。②解析能源站各子系统，提取建模素材。③按多目标评价方法各子目标对应的评价指标对数据的要求，在能源站各子系统布置测点，进行全厂对应各评价指标的参数测试。④根据测试数据，按各评价指标的计算模型计算指标参数。⑤将指标参数按多目标评价方法体系输入综合评价模型进行计算，得出评价结果。⑥根据判定准则给出能源站的综合评价等级。

2.2 指标筛选

（1）系统性。在选择后评价指标的过程中，应该从整体角度出发，根据项目建设时预期到达的目标、效果，全面评价所达到的效果及产生的各种影响。

（2）实用性。该指标体系的建立意在为后期分布式能源项目后评价工作提供一定的可借鉴性，指标的选择在具各系统全面特性的基础上，要突出分布式能源项目的特点，便于对此类项目在日后后评价中具有现实可操作性。

（3）层次性和独立性。指标的选取必须遵循层次分明且各个指标相互独立的特点。各指标在横纵向上要达到类别清晰，尽量缩小指标间的关联程度，避免指标性评价效果相互交叉，才能确保指标评价减少重复计算的情况。

（4）定量与定性相结合。综合评价具有一定的复杂性，其中某些指标是可量化得出，某些指标，必须依靠一些具备相应经验及阅历的专家进行主观判断得到。因此，在实际评价过程中，指标的选取往往需要采取复合方法将定量与定性指标结合选取。

2.3 层次分析法

层次分析法（AHP）是将与总评价有关的元素分解目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的综合评价方法[5]。关键在于不割断各个因素对结果的影响，而层次分析法中每一层的权重设置最后都会直接或间接影响到结果，而且在每个层次中的每个因素对结果的影响程度都是量化的。条理清晰、方法明确，特别适用对于无结构特性的系统评价以及多目标、多准则、多时期等的系统评价。层次分析法大体分为以下步骤：①构造层次分析结构；②构造判断矩阵；③判断矩阵的一致性检验；④层次单排序；⑤总层次排序。

2.4 yaahp软件

Yaahp软件是一款层次分析法可视化建模与计算辅助软件，为使用层次分析法的评估决策过程提供模型构造、计算和分析等方面的帮助[6]。可以非常直观方便使用yaahp绘制层次模型、生成判断矩阵、两两比较数据输入、排序权重计算、计算数据导出及灵敏度分析。

由于客观事物的复杂性以及人的主观性，很难一次就构造出满足一致性要求的判断矩阵，可利用软件提供的实时一致性比例计算功能方便掌握情况，对不一致判断矩阵进行人工调整。通过灵敏度分析，决策者可以掌握属性权重变化对决策结果的影响及影响程度，还可以动态地观察要素权重变化对备选方案权重的影响，从而帮助决策者在更高的层次做出正确的判断。

3 评价模型

3.1 评价指标数据

选取较为典型的四个能源站，能源站1和3是以燃气内燃机为原动机机组，能源站2和4是以燃气轮机为原动机机组。数据性能测试数据或现场运行统计数据，相应经济性指标来源于科研报告，经过整理计算，汇总如表1。

3.2 層次结构模型的构建

应用层次分析法评价问题，首先要明确综合评价的问题，使之条理层次化，建立递进式结构模型。结构模型由目标层、指标层和方案层共3个层级构成。

（1）目标层：天然气分布式能源系统综合评价，也即评价问题的预定目标。

（2）指标层：指影响目标层评价的指标，这一层可设置多个子指标层。综合已有资料，将评价指标划分为能效性、能质性、可靠性、环境性和经济性5个方面：

①能效性：包括一次能源利用率、余热回收效率和相对节能率。

②能质性：此指标层主要从热力学第二定律考查系统能量的可利用程度，包括火用效率、余热利用火用效率。分布式电源向当地负载或上网发送电能的质量，应满足相关的国家标准，将电能质量也归为能质性指标。

③可靠性：主要考查系统能源供给的可靠性，包括计划停运系数、非计划停运系数、机组降出力系数和等效可用系数。

④环境性：天然气分布式能源项目多集中于负荷中心，对环境要求更严格。因燃料主要为天然气，粉尘排放量可忽略不计，SO2排放几乎没有，环境性主要考虑NOx、CO、CO2和噪音。

⑤经济性：主要考查系统的经济效益，包括静态单位投资、投资回收期和项目资本金内部收益率。

（3）方案层：指目标层的评价对象，选取较为典型的的四个分布式能源站进行综合评价。

综合以上分析，依据独立性、实用性、可操作性构建系统综合评价模型如图1。

3.3 判断矩阵录入

采用1—9标度法进行指标层进行指标间的两两比较，对子指标则根据四个能源站性能测试或运行统计数据计算得出的计算值进行比较。因方案层四个能源站投产时间不久，部分指标需长年统计值，可靠性、环境性指标未能得到，矩阵录入时认为同等重要，经济性指标采用项目可研报告数值。由于录入判断矩阵较多，只列举两张代表性的矩阵截图，见图2、3。

4 结果与讨论

4.1 计算结果

天然气分布式能源具有清洁环保、能效高、削峰填谷、经济效益好等诸多优点，但也注意到其贴近用户侧且多种能源输出讲究就近消纳，我国天然气分布式能源在经济发达地区核心区域发展较快，这对环境性需要很高的要求。天然气分布式能源在我国近几年快速发展，但原动机设备如燃气内燃机和燃气轮机等还需进口，无论是设备购置，还是运行维保均需大量费用，加之天然气价格，电力上网价格等多方面因素，经济性指标将是较重要的评价方面。分布式能源系统遵循温度对口、梯级利用的原则实现能源的多级利用[7]，国家发改委将一次能源利用率确定为70%以上，能效性指标是个相对重要的方面。能量存在着质量上的区别，电力跟冷热能从能的质量上面来说并不一样的。能源站1和3是以燃气轮机为原动机的区域型分布式能源站，能源站2和4是以燃气内燃机为原动机的楼宇型分布式能源站。在设计过程中也遵循着“以热定电、欠匹配”的原则，因此能质性评估比重相对较低。综合以上所述，得到两级指标层的权重（表2和表3）。

根据表4结果显示，整体而言方案层中四个能源站的权重相差不大，说明评价结果四个能源站并无绝对的优劣。具体来看能源站1和能源站3权重更大，能源站2和能源站4则稍偏小。最终评价的结果是能源站1为最佳，究其原因主要是除去暂未统计到的环境性可靠性指标，经济性指标权重为0.2970，而能质性能效性指标权重较小（表2）。在经济性指标中能源站1和3静态单位投资比能源站2和4低很多，在投资回收期及项目资本金财务内部收益率亦更优。

4.2 灵敏度分析

明显，天然气分布式能源系统综合评价会随时空的变化而变化。通过对其进行灵敏度分析，可以动态地掌握指标权重变化对结果的影响，从而为更高层面上的决策作出支持。分析得知，仅改变能质性、环境性和可靠性指标权重，对评价的最终结果排序结果并无明显改变。而当能效性指标权重大于0.4698时（图4），最终结果能源站2将优于能源站1，此指标权重越大，程度越明显。

进行灵敏度分析，指标权重越大，说明指标的变化对综合评价结果的影响越大，因此在进行二级指标计算或者赋值时得尤其谨慎[5]。提高经济性指标权重，结果中能源站1和3优于能源站2和4的程度更大。因此现阶段天然气分布式能源投资、建设、运营及维保等多方面，尤其要注重提高系统经济性。

4.3 分析与建议

天然气分布式在我国建设和运行经验均不够成熟。通过系统综合评价，明确经济性指标是最重要的方面，其次为能效性指标，结合实际生产运营经验，提出以下建议。

在项目前期工作中对冷热负荷的测算至关重要，直接影响到装机规模的大小以及设备的选型，应贯彻以“冷（热）定电、欠匹配”的原则，并合理确定调峰方式（燃气锅炉、热泵、电制冷/蓄冷、直燃机等），以实现能源梯级利用及综合能源利用效率最大化。

目前国内天然气价格持续上涨成为影响经营成本居高不下的关键因素，作为生产运营主要成本的天然气价格在决定企业盈利能力方面起到重要作用，如果燃气单价在合理的范围内，则发电成本将为营业利润提供较好的支持。建议建立LNG与管道天然气双气源供应，可提高生产期燃料的安全性和经济性。

国家鼓励发展天然气分布式能源的配套政策文件一直没有落实，造成地方行政审批及验收手续与电力行业有较大差异；天然气价格较高，地方政府无力承担更多的二次能源价格补贴，电价无法疏导和消纳，其他冷热能源价格优势不明显甚至没有价格优势，建设区域分布式能源仍然面临着较大的困难。相关部门要推动国家出台具体的扶持政策。

5 结语

随着“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念在“十三五”时期落地，以及国家能源发展战略行动计划的推进，环保政策及能源体制改革的红利将集中释放，推进天然气在分布式能源的大规模应用势在必行。天然气分布式能源系统综合评价显得尤为重要，利用yaahp软件进行层次分析操作简便，模型清晰，结论客观可靠。但因缺乏相应指标数据略有不足，今后研究应从指标层的深度与宽度上进一步发掘，为天然气分布式能源发展提供更多技术支持。

参考文献：

[1]董福贵， 张 也， 尚美美. 分布式能源系统多指标综合评价研究[J]. 中国电机工程学报， 2016， 36（12）： 3214～3222.

[2]隋 军， 金红光. 我国分布式供能关键技术研究进展[J]. 發电与空调， 2012， 33（4）：1～4.

[3]何 源. 分布式能源系统的分析及优化[D]. 天津：天津大学， 2007.

[4]白树伟， 甘中学. 分布式能源系统综合评价方法及评价指标体系[J]. 煤气与热力， 2016， 36（1）：31～36.

[5]吴文广， 张继红， 魏龑伟， 等. 莱州湾泥螺生态安全风险评估：基于 AHP 的 YAAHP 软件实现[J]. 水产学报， 2014， 38（9）： 1601～1610.

[6]吴云超， 任 蕾. 国际工程承包项目风险评估：基于 AHP 的Yaahp软件实现[J]. 黑龙江对外经贸， 2009 （11）： 28～30.

[7]林世平. 分布式能源系统中能源与环境耦合特性及优化集成模型研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2011.