天然气冷热电联供系统综合评判

代宪亚， 茅大钧

(上海电力学院 自动化工程学院， 上海 200090)



天然气冷热电联供系统综合评判

代宪亚， 茅大钧

(上海电力学院 自动化工程学院， 上海 200090)

从天然气冷热电联供(CCHP)系统的经济性、节能性、环保性、技术先进性、可靠性和安全性等6个方面，建立了CCHP系统评价指标体系。结合1-9权重标度方法、层次分析法、专家打分法、半梯形模糊隶属度函数等评价方法，建立了CCHP系统模糊综合评价模型。以上海闵行某冷热电联供能源站为例，对提出的方法进行实例分析,研究结果与该能源公司的最终确定方案一致，直接验证了该研究方法和结果是可行的。

天然气； 冷热电联供； 综合评判； 评价指标； 权重标度

天然气冷热电联供(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)是国内近年来兴起的、利用燃机设备向用户提供能源供应的新的能源利用模式。与传统的发电系统和能源供应系统相比，天然气CCHP系统更加接近用户端，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电，可大大减少线损，节省输配电建设投资费用[1-3]。另外，随着人们对环境保护意识的增强，作为清洁能源的天然气资源越来越得到能源产业的青睐。并且，天然气CCHP系统在发电的同时，充分利用发电余热来制冷、制热，实现能源的梯级利用，使能源利用效率从常规发电系统的40%提高到80%左右[4-5]。

天然气CCHP系统是一个能量形式多输入多产出的复杂系统，对其进行比较及优化的评价准则成为目前研究的热点与难点。文献中，建立了一套多层次CCHP系统综合评价指标体系对其进行综合评价。文献中通过计算系统的经济效率来评价CCHP系统的优越性。文献中提出一种采用混合多层次灰色关联方法对CCHP系统进行综合评价。文献中采用直接给出法确定了指标权重系数。但从目前的研究现状看，大多数研究者还是把经济性作为考虑的因素，很少有学者能够对评价指标体系做出多方面的综合考虑。另外，在评价指标体系中，不同指标的权重和评价矩阵的确定方法普遍采用的是经验公式或专家投票打分的方法，存在着主观性较强、客观性差的缺陷，缺乏科学性和合理性。

本文综合考虑天然气CCHP系统的经济性、节能性、环保性、技术先进性、安全性和可靠性等6个方面，全面考虑它们的评价指标，建立了CCHP系统模糊综合评判模型；结合层次分析法、专家打分法、模糊综合评判等评价方法，充分考虑了专家们的主观经验，又利用模糊分析和隶属度函数的建立提高评价的客观性，从而增强了评价结果的可信度，对天然气CCHP系统的综合评判研究具有重要意义。

1 CCHP系统评价指标体系

对CCHP系统的评价属于多目标决策优化问题。为使评价结果更加具有科学性和合理性，需要利用层次分析原理对系统进行分析研究。同时，建立合理的指标体系是进行综合评价的前提基础，是使评价结果具有科学性和可靠性的首要条件[10-11]。

表1给出了CCHP系统评价指标体系。本文将经济性、环保性、节能性、技术先进性、可靠性和安全性等6个方面作为CCHP系统综合评价总指标的一级指标，然后，针对各级一级指标外延出相对应的二级指标。其中，不同的一级指标外延出的二级指标有所重叠，如环保性u2下有余热回收率u21，节能性下也有余热回收率u34，这是由于余热回收率既影响着环保性也影响着节能性，但是在不同的一级指标下面，它被赋予的权重值是不同的，需要与同组的二级指标进行相互权衡、比较。

表1 CCHP系统评价指标体系Tab.1 Evaluation index of CCHP system

2 CCHP系统模糊综合评判模型

模糊综合评判就是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则[12-13]进行系统评价。考虑与被评价的CCHP系统综合性能指标所相关的各个因素，将每一项指标进行量化，然后根据不同指标对评判对象的影响程度来分配权重。在CCHP系统中，相关测控参数或技术监督指标可直接或间接地反映系统的相关性能；然后，合理利用这些数据，通过搭建模糊综合评判模型来对CCHP系统进行评判。

2.1 确定评价指标体系各指标权重

由于CCHP系统评价指标体系中的各个子指标(包括一级和二级指标)对上一级指标的影响程度并不相同，因此，各指标在评价指标体系中所占的权重也是不同的。

美国著名运筹学家Saaty曾提出1-9比较标度法，构造了判断矩阵，重复进行两两比较的任务: 两个元素对上级指标哪个重要，重要多少，需要对重要程度进行1～9之间的赋值。该过程即为比例标度[12]。本文将1-9比较标度法合理地运用在确定CCHP系统评价指标体系的指标权重上。

对应表1的评价指标体系，构建权重判断矩阵。本文选择1～9及其倒数作为标度值，分别权衡各指标因素的相对重要性。表2给出了1-9标度代表的含义。其中，Axy为标度值，反映指标x、y的相对重要程度。

表2 1-9标度代表的含义Tab.2 Explanation of 1-9 weight scale

应用1-9比较标度法对CCHP系统评价指标体系各级指标进行两两之间的比较，构造出权重判断矩阵为

A=(Axy)n×n， x,y=1,2,…，n

(1)

然后，求出判断矩阵的最大特征根和与之对应的特征向量，即评价指标的重要性权重排序。权重判断矩阵的特征根与特征向量的求解可采用根方法进行计算，矩阵A的最大特征根和特征向量的步骤如下:

(1) 求出权重判断矩阵的每一行元素的乘积，再求n次方根，即

(2)

(3)

(3) 据此所得到的结果W=(w1w2…w6)，即为所求得的特征向量(权重向量)。计算判断矩阵最大特征根为

(4)

式中，Ax为A的第x行向量。

(4) 为检验各元素重要度之间的协调一致性，避免出现“A比B重要，B比C重要，而C又比A重要”的矛盾出现，需要对判断矩阵A进行一致性检验，使用一致性判断指标CI对A进行判断，

CI=(λ-n)/(n-1)

(5)

表3给出了判断矩阵的平均随机一致性指标RI。计算一致性比率

CR=CI/RI

(6)

若CR≤0.1，则认为权重判断矩阵A具有一致性，可作为决定评判指标的判断矩阵；否则，需要对A进行检查与调整，直到满足一致性要求为止。

表3 平均随机一致性指标Tab.3 Average random consistency index

2.2 确定模糊综合评判模型

设CCHP系统评价指标体系集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，其中ui(i=1,2,…,6)是一级指标中的第i个指标。本文建立了两级评价指标体系，其中，ui又包括其外延出的m个子指标，即ui={ui1,ui2,…,uim}。如表1所示，指标uij(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m)即为第i个指标的第j个子指标。

因此，利用1-9比较标度方法和层次分析法，确定了各指标对上一级指标的权重值。一级指标的权重为

W=[w1w2… w6]

(7)

式中，wi(i=1,2,…,6)为一级指标中的第i个指标ui对总指标U的权重值。二级指标权重为

Wi=[wi1wi2… wim]

(8)

式中，wij(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m)为指标ui的第j个子指标uij对ui的权重值。

确定了评价指标体系集和各指标的权重值后，还需要给出评价矩阵，才能给出系统评价结果。设评价对象集中有p个元素，即需对p个对象进行评价排序，选出性能最优的对象。评判矩阵为

(9)

式中，rijk(i=1,2,…,6；j=1,2,…,m；k=1,2,…,p)表示从子指标uij单方面来评价时，第k个评价对象“偏优”的隶属度。

(1) 隶属函数的选择与建立。评判矩阵的确定需要对原始数据进行隶属函数处理。隶属函数的选择是对CCHP系统进行综合评价的一个关键步骤。隶属函数反映的是不同的评判对象在同一评判指标下得到的评价结果的差异。常用的隶属函数确定方法有加权平均法、相对选择法、模糊统计法等。其中，模糊统计法是比较容易、且实用性较强的隶属函数确定方法，包括矩形分布、梯形分布、抛物线分布等，每种分布又包括偏大、偏小和中间型3种类型[14]。

隶属函数的选择要从实际出发，根据CCHP系统评价指标体系的指标性质进行确定，根据数据的特点分析其变化趋势，然后为数据确定合理的隶属函数模型[15-16]。不少学者选择专家投票打分的方法确定评判矩阵，但该方法主观性太强，评价结果不够科学、合理。对于CCHP系统，本文选取半梯形隶属函数来构造评判矩阵，根据指标体系中各指标的数据特点，分别选择偏大和偏小型两种隶属函数。表1中，u52、u44、u55、u21、u34、u31等指标都属于数值越大则系统越优，故选择偏大型隶属函数；u22、u23、u24、u16、u43等指标都属于数值越小则系统越优，故选择偏小型隶属函数。通过判断分析指标体系中各指标类型，决定选择隶属函数形式，然后计算出相应的隶属度，组成CCHP系统评判矩阵Ri。两种隶属函数形式如表4所示。其中，a、b分别为u的最小值和最大值。

表4 两种隶属度函数表达式和图像Tab.4 Expressions and images of two membership functions

(2) 两级模糊综合评判模型建立。当指标体系U中的元素较多时，为方便处理，可先按照某些属性进行分类，对每一类的子指标进行综合评判，即二级评判；然后，对二级评判的结果进行一级综合评判。

为充分考虑所有指标对评价对象CCHP系统的影响，计算二级模糊综合评判集，得

(10)

由式(8)～(10)，得

(11)

本文采用两级评价指标层次，由于一级模糊综合评判是对一级指标ui(i=1,2,…,6)的综合评判，故二级模糊综合评判的结果可作为一级模糊综合评判的评判输入矩阵(R)6×p为

(12)

一级模糊综合评判集为

B=WR=[b1b2… bp]

(13)

则

(14)

通过比较b1～bp的大小，即可得到待评价对象集中综合指标最高的对象。

3 CCHP系统评价应用分析

3.1 确定评价指标权重

根据本文提出的指标权重的确定方法，先求出表1所示的CCHP指标体系中各指标的权重值。通过专家评审小组，利用1-9比较标度方法确定权重判断矩阵，则得出一级指标的权重判断矩阵为

A=(Axy)n×n=

由式(2)、(3)得出一级指标权重值为

W=[0.183 0.096 0.107 0.063 0.121 0.430]

由式(4)求得A的最大特征根为

由式(5)求得

CI=(λ-6)/(6-1)=0.0354

6阶矩阵的RI为1.24，故由式(6)求得

CR=CI/RI=0.0285<0.1

则权重判断矩阵A满足一致性要求。

同理，可求出各二级指标的权重如表5所示。

表5 CCHP各二级评价指标权重Tab.5 Weight of the second evaluation index of CCHP

得到各二级指标的权重矩阵为

3.2 确定评价矩阵

本文以上海闵行某冷热电联供能源站为例，对提出的方法进行实例分析。该能源站主要为周边工业园区供应冷热电能源。在能源站建设初期需要确定能源供应方式，公司前期主要给出了3种方案。

(1) 燃气-蒸汽联合循环供能系统(燃气轮机+ 蒸汽轮机+余热锅炉+辅助锅炉+吸收式制冷机等)。天然气进入燃气轮机，在燃烧室中燃烧，产生的高温烟气进入透平做功，带动发电机组发电；透平排气则被余热锅炉充分利用，产生的高温、高压蒸汽又带动蒸汽轮机做功，然后由发电机产生电能。从蒸汽轮机中抽取低温、低压蒸汽，一部分用于热交换，为用户提供热能；另一部分被吸收式制冷机组利用，产生冷负荷以满足用户需求。生产的电力可入网也可以并网。

(2) 天然气CCHP系统(燃气轮机+余热补燃吸收式制冷机+余热锅炉等)。天然气进入燃气轮机，在燃烧室中燃烧，产生的高温烟气进入透平做功，带动发电机组发电；透平排气则被余热锅炉充分利用，产生的蒸汽一部分用于热交换，为用户提供热能；另一部分被吸收式制冷机组利用，产生冷负荷以满足用户需求。生产的电力可入网也可并网。

(3) 冷热电分供系统。该方案不需要天然气发电，用户所需电力直接由电网端供应，工业园区的供热与供冷均由燃气锅炉和吸收式制冷机组供应。

该能源公司对3种方案的各指标进行了仿真预判，本文依照文中提出的评价指标集，选取CCHP系统评价需要的各种指标，具体参数如表6所示，其中，u44、u53、u62、u63、u64均为公司内部计算指标。

表6 CCHP系统评价指标参数Tab.6 Parameters of evaluation index of CCHP

利用本文提出的CCHP系统评价方法，根据半梯形隶属度函数，依照表6提供的指标参数，求出评价矩阵。如投资回收期u12指标越小越好，则选择偏小型隶属度函数，即

由此得

由式(10)得

故由u1单方面来看，方案3略优于方案1。同理可依次求出B2、B3、B4、B5和B6。

前文所述，二级模糊综合评判的结果即可作为一级模糊综合评判的评判输入矩阵，故由式(12)可得到一级模糊综合评判的评判输入矩阵为

由上述计算结果可见，方案1在环保性和节能性方面表现最优；方案2在技术先进性和安全性方面表现最好；方案3在经济性和可靠性方面表现最优。但评价结果需要综合所有的指标，故由式(13)可得

B=W·R=[b1b2b3]=

[0.6849 0.5507 0.5330]

由计算结果可见，方案1的综合指标值最高，其次是方案2，方案3略低于方案2。因此，本文确定采取方案1作为能源站的建议方案，这与该能源公司的最终确定方案一致，直接验证了本文研究方法的可行性。

需要说明的是，一级模糊综合评判的结果和综合评价结果中的数值都不具有实际意义，数值的大小只是为了比较并得出待评价对象集中综合评价指标最高的对象。如一级模糊综合评判的环保性结果B2显示出方案3的评价结果是0，但这并不说明方案3不环保；事实上天然气发电相比于其他燃煤的火力发电系统具有更好的环保性，评价结果0只是表明在待评价的这3种CCHP供能方式中，方案1、2远优于方案3。

4 结 语

本文建立了全面的评价指标体系，分别从经济性、环保性、节能性、技术先进性、可靠性和安全性等6个方面进行了综合评价，使得评价结果更加全面综合，优化了其他学者在评价体系方面只重视经济性的不足。本文使用1-9比较标度方法确定评价指标元素的权重值，并结合专家打分法、层次分析法、半梯形模糊隶属度法，建立了CCHP系统模糊评价模型，既考虑了专家的主观意见，又综合了CCHP系统运行的实际指标参数。主观意见与客观数据有效结合，使得评价结果更加科学合理，改变了传统评价方法主观性太强的缺点。

通过CCHP系统评价应用分析，结合实际应用，以上海闵行某冷热电联供能源站为例，对本文中提出的方法进行了实例分析，研究结果与该能源公司的最终确定方案一致，直接验证了本文研究方法的可行性。

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Comprehensive Assessment of Natural Gas CCHP System

DAI Xianya, MAO Dajun

(College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Economy index, energy conservation index, environmental protection index, technical advancement, reliability and security are analyzed and taken into account in assessment of the combined cooling heating and power (CCHP) system of natural gas. The original 1-9 method for weight scale, analytic hierarchy process, expert scoring method, and half-trapezoid fuzzy membership degree function contribute to the establishment of CCHP assessment model. Taking the example of a natural gas CCHP energy station in Minhang, Shanghai, the assessment results agree with the final scheme of the energy station. It shows that the CCHP system assessment model is feasible and the results are reliable.

natural gas; combined cooling heating and power (CCHP); comprehensive assessment; evaluation index; weight scale

2016 -07 -05

代宪亚(1992 -)，男，硕士生，主要研究方向为天然气冷热电联供能源系统运行优化, E-mail: dxy05162012@126.com

2095 - 0020(2016)05 -0271 - 07

TK 123

A