基于物元分析和层次分析法的火电厂节能评价

陈 波， 谭 果， 刘 波， 蔡 佳

(1. 湖南工程学院 机械工程学院， 湖南 湘潭 411104；2. 中机国际工程设计研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410083；3. 湖南工程学院 电气信息学院， 湖南 湘潭 411104)

火电厂的一次能源消耗大，供电煤耗水平代表着行业技术水平以及火电厂能源成本控制水平，因此如何提高火电发电的能效水平具有重要意义，特别今年来环保要求的逐步提高，各类用能设备中用电比例的提高，如电动汽车的推广等，以及各类新能源发电厂的发展，火电厂节能降耗的水平直接影响火电的发展和电驱动设备的推广。在如何从各个环节、设备节能降耗上，研究者们做了大量工作，各类节能技术也得到了很好的应用，如电机变级及电机变频技术、燃烧系统微油点火技术、汽轮机汽封优化技术、汽轮机揭缸提效降低汽轮机热耗率、球磨机少球技术等[1-3]。从技术节能、运行节能、管理节能等方面多角度了提出节能的改进方法。近年来，火电节能方向还有：如席泽艳在加装烟水复合回热系统在发电负荷为100%、85%、75%、50%进行锅炉热效率，汽轮机热耗率，机组供电煤耗率等热力性能测试，表明烟水复合回热系统具有很好的节能效果[4]。汽轮机冷端优化如凝气设备的监测技术、清洁技术、查漏技术、冷却塔装置的蒸汽节能技术等效果显著[5]，陈鑫等进行了火电机组凝汽器抽真空系统节能改造实验，对比了不同容量机组的节能效果和方案选择[6]。

物元分析理论由于能够综合多影响因子，定量地评定对象的总体水平和部分水平，能够在很多领域得到应用[20-21]。火电厂的能效水平影响因素很多，且层次分明，综合物元分析和层次分析，不但能够对火电厂总体能效水平进行综合节能评价，而且对各类总体能效水平的影响因素进行定量评定[22]。

1 物元分析评价理论基础

1.1 物元分析理论

物元理论是研究物元及其变化规律的理论，物元的基本要素可以表示为R=(N,C,V)三元组，其中N、C、V分别表示事物、事物的特征、关于特征的量值。则对于多个特征的事物。物N的n个特征C1,C2,Λ,Cn及N关于Ci(i=1,2,Λ,n)对应的相关量值Vi(i=1,2,Λ,n)所构成的矩阵式如式(1)所示。

(1)

三元组作为评价指标再进行标准化处理后确定评价指标的节域和经典域。确定指标权重系数，计算各指标关联函数值，计算综合评价值，判定评价对象所属类别，得出评价结果。

1.2 火电厂节能评价物元分析模型

1.2.1 物元模型

对于火电厂综合评价模型，N即为火电厂的综合评价值，C即为选取的节煤、节电、节水的三个评价指标，V为三个指标值。如：

(2)

同理在火电厂节能分评价，N为节煤、节电、节水的3个评价指标，C和V为对应分评价指标和对应量值。

1.2.2 标准化处理

考虑到三个总评价指标均为成本型指标，综合评价模型选用极差变换法来对指标进行标准化处理。极差变换法公式的正向指标为：

(3)

逆向指标：

(4)

式中：xij为初始值；yij为标准化指标。

1.2.3 确定经典域和节域

(5)

式中Roj是第j个等级的物元模型；Poj是第j个等级的评价物元(j=1,2,…,m)；Ci是Poj的第i个特征；Xo1j，Xo2j，…Xonj分别是Poj关于Ci的取值范围，即经典域，其直观含义是指各个评价指标量值变化的基本区间，Xoij的取值范围是区间(aoij,boij)，i=1,2…,n。

(6)

式中Rp表示事物评价等级经典域的物元模型，Xp1，Xp1，…Xpn分别是P关于Ci的取值范围，即P的节域。基于物元分析理论的火电厂节能综合判定可以从节煤、节电、节水三个方面进行，在不同方面评价时，需通过对各类指标的量值确定范围，便可对三个总指标的情况进行分等级评定，从而得到节域和经典域。

1.2.4 计算关联函数

计算关联函数首先要进行距的计算：

(7)

(8)

其中ρ(vi,Xoj)，ρ(vi,Xpi)分别表示点vi与区间Xoji和Xpi的距，也称接近度。然后进行关联函数的计算，公式如下：

(9)

Kj(vi)表示待评价物元的第i个评价指标Ci关于第j类的关联度。

1.2.5 指标权重

指标权重的确定采用层次分析法来。首先构造判断矩阵，判断矩阵是指同一层级中各评价指标的重要性进行相互比对，并采用合适的标度以数值表示，形成判定矩阵。通过专家评定并采用“1～9标度法”对指标权重比较。

通过判断矩阵后可得出各评价指标权重系数，引入最大特征根除外的所有特征根负平均值CI来判断矩阵一致性偏离程度，即检验一致性[24]。

(10)

CI值越小，一致性越高。另需引入指标RI值来确定判断矩阵的平均随机一致性。当CI/RI<0.1时，说明符合评价要求。

1.2.6 综合评价

综合评价值的计算公式如下：

(11)

式中wij表示各评价指标的权重，采用层次分析法来进行各指标权重的分配；Kj(Po)表示评价对象Po关于类别j的关联度。若Kj=maxKj(Po)，j=1,2…,m，则可判定Po属于类别j。

2 评价指标体系

图1为总评价和分评价的指标体系。

图1 节能评价指标体系

(1)节煤及其分评价指标：发电标准煤耗作为衡量燃煤电厂总体能效水平的重要指标，其影响因素多，包括季节因素、运行水平等不易控制的外部因素。本文中选取锅炉热效率、管道热效率、汽轮机热耗率作为发电煤耗分评价指标。

(2)节电及其分评价指标：综合厂用电率是指发电过程设备自身耗电与发电量的比值，选取输煤耗电率、供水耗电率、锅炉辅机耗电率、汽机辅机耗电率、除灰除尘耗电率、脱硫耗电率6个指标来作为节电分评价指标。

(3)节水及其分评价指标：火力发电厂水资源节约也是节能减排的重点方向，具体指标为发电耗水率。本文选取锅炉补水率、汽水损失率、灰水比和全厂复用水率作为节水分评价指标。

3 实例分析

3.1 火电厂节能总评价

本文选取某火电厂某年度的发电煤耗、综合厂用电率及发电水耗率, 如表1所示。

表1 某火电厂节能总评价指标

计算总评价指标的节域为：

评价指标处理后为表2：

表2 标准化的结果

将各评价指标划从高到低分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级4个等级，则各指标的经典域和节域见表3。

表3 各指标的经典域和节域

确定经典域和节域后计算各指标经典域距和节域距。结果如表4所示：

表4 各指标节域距和经典域距

分配权重指标：计算统计得各指标判断矩阵如下：

综合评价值。确定了各个指标的经典域距、节域距和权重。可以计算出各个指标的关联函数值，如表5所示。结合指标权重可得到火电厂的节能综合评价值。

表5 各指标关联函数值

综合评价：K1(P0)为-0.3311，K2(P0)为-0.0882，K3(P0)为-0.0794，K4(P0)为-0.3768。显然最大综合评价值为K2=0.0882，该火电厂的综合节能水平属于第Ⅲ级。各单项指标关联函数的最大值maxKj(v1)为0.0742，maxKj(v2)为0.4356，maxKj(v3)为0.1636。同理得该厂的节煤和节电水平属于III级，水资源的利用控制属于第Ⅱ级。

3.2 火电厂节能分评价

3.2.1 节煤分评价

该厂对应年度节煤分评价指标如表6所示。各指标关联函数值与评价值如表7所示，其中wi为指标权重。

表6 节煤分评价指标值

表7 节煤分评价计算结果

从表7可以看出，该火电厂的总体节煤水平属于Ⅱ级。单项指标中，锅炉热效率属于Ⅱ级；管道效率属于Ⅲ级；汽轮机热效率属于Ⅳ级，改造空间大。说明该厂应该节能技术改造的重点为汽轮机，汽轮机节能技术改造的空间最大，这也正是该厂下一步重点改造对象，评价与实际相符。

3.2.2 节电分评价

根据该火电厂辅机用电的情况计算得各指标关联函数值与评价值如表8所示。从表8中可以看出，该火电厂的总体节电水平属于第Ⅱ级。单项指标中，锅炉辅机耗电率、输煤耗电率及脱硫耗电率属于第Ⅱ级，汽轮机辅机耗电率、除灰除尘耗电率及供水耗电率属于第Ⅲ级。

表8 节电分评价计算结果

3.2.3 节水分评价

根据该火电厂的节水分评价指标中汽水损失率0.9%、锅炉补水率1.35%、全厂复用水率92.0%及灰水比1∶5，计算得各指标关联函数值与评价值如表9所示。

表9 节水分评价计算结果

从表9中可以看出，该火电厂的总体节电水平属于Ⅱ级。单项指标中，汽水损失率、锅炉补水率及全厂复用水率属于Ⅱ级，灰水比处于Ⅲ级。

4 结论

(1)本文锅炉热效率、管道热效率、汽轮机热耗率、输煤耗电率、供水耗电率、锅炉辅机耗电率、汽机辅机耗电率、除灰除尘耗电率、脱硫耗电率、锅炉补水率、汽水损失率、灰水比和全厂复用水率共计13个因素为评价提供指标体系。

(2)采用物元分析理论和层次分析法来构建综合评价指标计算模型。通过物元分析理论对各指标进行标准化处理，计算域距和节域距，通过层次分析法分配指标权重，从而得到综合评价值。

(3)对某电厂实际数据进行实例计算分析，将综合评价值从高到低分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级四个等级，其中Ⅳ级是目前最需进行节能改造的对象，通过综合评价方法得出该电厂总体指标和分指标的评价值，总体能效水平属于Ⅲ级，当前分指标值最低为汽轮机能效水平。