动力装置蒸汽预热供汽的多方案综合评估方法

张鹏

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

某动力装置需要提前预热才能正常作业，因此需要配置一套蒸汽预热供汽系统，以满足动力装置的使用需求。根据动力装置的预热要求，可以有多种蒸汽预热供汽方案备选，其方案优选的科学性对增强动力装置的综合性能具有重要的现实意义；但是目前的方案优选大多属于定性分析和经验决策，存在较大的主观随意性，在很大程度上影响了方案优选的准确性。以上问题虽然引起了国内有关部门的高度重视，也开展了相关的研究工作，但大多停留在理论研究阶段，且研究内容相对零散，在关键技术问题上也没有突破。从目前的研究现状来看，已有的研究成果难以有效支撑蒸汽动力装置的多方案评估与优选。

为此，本文将根据系统工程的相关理论，按照系统综合评估的一般步骤对备选方案进行定量评估，以获得备选方案的排序结果，并最终得到最优供汽方案。本文的研究成果对于推动方案评估由定性向定量转化和提高方案优选的准确性具有积极的现实意义。

1 备选方案的生成

根据动力装置对预热蒸汽的技术要求，经过广泛调研和深入研究，本文提出了5 种具有一定可行性和先进性的蒸汽预热供汽备选方案：

1）船用锅炉供汽方案；

2）陆用燃油锅炉供汽方案；

3）直燃蒸汽发生器供汽方案；

4）低压电锅炉供汽方案；

5）中压电极锅炉供汽方案。

船用锅炉供汽系统主要由增压锅炉、给水机组、电动燃油泵、电动滑油泵和电动海水泵组成，该系统需要先建立最低稳定工况，然后升至规定负荷，向动力装置提供预热蒸汽。

陆用燃油锅炉供汽系统的组成和工作原理与船用锅炉供汽系统基本一致。与船用锅炉相比，陆用锅炉技术更成熟、型号多、选型灵活、与动力装置的匹配性好，因此具有较好的经济性。

直燃蒸汽发生器供汽系统主要由液氧罐、低浓度酒精罐、冷却水罐、泵压式燃料供应系统、氮气气源和配气系统组成。该系统通过低浓度酒精与液氧直接点火燃烧产生高温燃气，然后高温燃气与冷却水混合，产生满足使用需求的预热蒸汽。

低压电锅炉供汽系统和中压电极锅炉供汽系统主要由锅炉主机系统和辅机系统组成。低压电锅炉通过电热管将电能转化为热能，使水吸热蒸发；而中压电极锅炉则是将中压交流电通过三相电极直接接入含有电解质的水中，让电流在设定电导率的水中流过，使水快速蒸发形成蒸汽。

2 指标体系的建立

建立一套具有实用价值的指标体系需要遵循一定的原则。根据实践经验的总结，构建指标体系一般需要遵循系统性原则、可比性原则、科学性原则、实用性原则、层次性原则和简易性原则［1-2］。

按照系统工程的一般原理，评估指标体系通常具有递阶层次结构［3］。根据蒸汽预热供汽系统的研制目标，其评估指标体系可以采用3 层结构，各阶层目标的涵义和内容如下：

1）第1 层为目标层，给出蒸汽预热供汽方案综合评估的总体目标，即以最低的风险和费用获得系统效能最高的蒸汽预热供汽系统。

2）第2 层为准则层（或分目标层），给出对蒸汽预热供汽方案进行综合评估的准则，即系统效能、费用和风险。

系统效能和费用是系统分析的两个核心要素。系统效能是效果好坏和价值大小的表征准则，费用是资源投入和代价大小的表征准则。由于蒸汽预热供汽系统属新研设备，投入预定的经费，达到预想的效能，都存在一定的不确定性；因此，综合评估准则还应综合考虑风险因素，并将风险作为评估准则。

3）第3 层为指标层，给出对蒸汽预热供汽方案进行综合评估的具体指标，即系统效能、费用和风险准则的分解。

根据评估指标体系构建的一般原则和方法，经综合分析，本文提出了蒸汽预热供汽方案评估指标体系，如图1 所示。

从评估指标体系的建立过程来看，图1 所示的评估指标体系是从使用者的角度出发，将使用者更为关心的蒸汽预热供汽系统能有效完成特定任务的总体能力（即“系统效能”）作为核心，同时综合考虑决策者所关心的费用和风险对备选方案优选的约束作用；然后，以科学的定义和方案阶段的特点为依据，分别完成系统效能、费用和风险的进一步分解；因此，本文提出的指标体系能够更加全面和科学地描述蒸汽预热供汽方案评价因素的全貌。

图1 蒸汽预热供汽方案评估指标体系Fig.1 Evaluation index system for steam warm-up program

3 评估指标的处理

评估指标的处理包括定性指标的量化处理和定量指标的标准化处理两个方面。

一般来说，根据指标的性质，可以将评估指标分为定量指标和定性指标。定量指标的数值可以通过基础统计数据确定，而定性指标则很难用经典的数学语言来描述，具有一定的模糊性和不确定性，因此需要对其进行量化处理。

在蒸汽预热供汽方案评估指标体系中，“自动化程度”和“技术风险”为定性指标，其余为定量指标。在定性指标的量化处理上，常用的方法有等级法、标度法和模糊数法等，本文采用目前较为常用的标度法来量化定性指标。

针对“自动化程度”指标，本文采用1～9 标度对各备选方案的自动化程度进行量化，标度含义如表1 所示。

表1 分级指标及1～9 标度打分值Tab.1 Classification indexes and values of 1～9 scales

为准确评估技术风险，本文采用技术成熟度法（标度法的一种）对技术风险进行量化。技术成熟度法（TRL）发源于20 世纪80年代的美国国家航空航天局（NASA）。2001年，美国国防部（DoD）开始采纳TRL，并颁布TRL 军用标准指南草案，现在，美军要求将TRL 应用于所有重要的采办计划中。表2 为DoD 对TRL 的等级描述［4］。

参照表2 可以确定蒸汽预热供汽各备选方案的技术成熟度，技术成熟度越高，说明其技术风险越低。

综合各方案评估指标的量化结果，就可以得到方案评估指标的属性值。

评估指标的量化处理使所有的评估指标都得到了定量描述；但一般说来，不同评估指标的量纲和单位往往不一致，不具有可比性；因此需要采用合适的方法对评估指标进行标准化处理，消除各指标间的差异性。本文采用目前较为常用的线性比例变换法对评估指标进行标准化处理，具体处理方法可参见文献［5］，本文由于保密方面的原因，只给出标准化处理后的各方案评估指标属性值，如表3 所示。

表2 DoD 对TRL 的等级描述Tab.2 Grade description of TRL from DoD

4 指标权重的确定

在评估指标体系中，各指标对目标的重要程度是不同的，当衡量各指标对目标的贡献时，应赋予不同的权重。目前，关于指标权重的确定方法大致可以分为主观赋权法、客观赋权法和综合赋权法3 种。其中，主观赋权法仍是综合评价中确定指标权重的主要方法。常用的主观赋权法有专家调查法、二项系数法和层次分析法（AHP）等，其中又以层次分析法应用最广，因此，本文采用层次分析法确定评估指标权重。

表3 蒸汽预热供汽备选方案评估指标属性值Tab.3 Values of evaluation index for steam warm-up program

层次分析法是通过构造判断矩阵和进行层次排序来确定评估指标权重。本文采用1～9 标度法来构造判断矩阵，标度含义如表4 所示。层次排序的具体实施过程参见文献［6-8］。

表4 判断矩阵标度及其含义Tab.4 Definition of judgment matrix scale

经计算，本文得到蒸汽预热供汽方案评估指标权重如表5 所示。

表5 蒸汽预热供汽方案评估指标权重Tab.5 Weight for each evaluation index of steam warm-up program

5 评估指标的集成

在评估对象和评估指标体系确定后，采用合适的指标集成方法，就可以得到科学、合理的评估结论。指标集成的方法很多，如加权算术平均、加权几何平均、主成分分析法、功效系数法和理想解法（TOPSIS）等。本文采用精度较高的理想解法来对评估指标进行集成，完成蒸汽预热供汽系统的多方案排序与优选。

理想解法的决策原理是基于最优方案，应该是距离理想解最近，同时距离负理想解最远的概念，假定每一属性是单调递增或递减，将偏好转化为欧几里德距离而加以计算和衡量，并根据方案评估值与理想解之间的相对接近度进行方案排序和优选。理想解法的具体实施步骤可参见文献［9-10］。

经计算，蒸汽预热供汽备选方案的排序结果如表6 所示。从表6 可以看到，中压电极锅炉方案为最优方案。

表6 蒸汽预热供汽备选方案评估结果Tab.6 Evaluation results of steam warm-up program

6 结 语

通过5 种蒸汽预热供汽方案排序过程，可知本文构建的综合评估体系是有效的，并可得到以下结论：

1）以“系统效能—费用—风险”为准则层的评估指标体系，克服了以技术特性为核心，评估指标体系不能充分体现蒸汽预热供汽系统的研制目标这一不足，使评估结果更加合理。

2）针对方案论证的特点，直接采用技术成熟度法对蒸汽预热供汽备选方案评估指标体系中的定性指标进行量化，不仅可操作性强，而且量化结果也更加准确。

3）采用理想解法对量化后的评估指标属性值进行综合集成，可以从理论上提高蒸汽预热供汽方案的排序精度，使评估结果更加可信。

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