燃氣電廠性能指標綜合評價模型

付忠廣，劉炳含，王鵬凱，劉 璐

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燃氣電廠性能指標綜合評價模型

付忠廣1，劉炳含1，王鵬凱1，劉 璐2

（1. 華北電力大學電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京 102206； 2.華北電力大學可再生能源學院，北京 102206）

為解決燃氣電廠節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟運行及綜合管理等問題，在分析燃氣電廠運行與管理方式的基礎(chǔ)上，綜合考慮環(huán)保性、可靠性、設(shè)備管理、經(jīng)濟性和技術(shù)性5個方面，建立燃氣電廠綜合評價指標體系；利用向量夾角余弦法計算指標權(quán)重，并與主成分分析法相結(jié)合應(yīng)用于燃氣電廠綜合評價；建立綜合評價模型，計算燃氣電廠不同級別指標權(quán)重和排名。以某企業(yè)6個不同級別燃氣電廠為例進行驗證分析，結(jié)果表明本文綜合評價模型所得結(jié)果穩(wěn)健合理，可為燃氣電廠生產(chǎn)對標管理及電廠機組間競賽提供指標及方法支持。

燃氣電廠；指標體系；綜合評價；向量夾角余弦法；主成分分析法

近年來，為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電網(wǎng)調(diào)峰需求，我國燃氣電廠裝機容量迅速增長[1-3]。燃氣電廠具有建設(shè)周期短、可靠性高、環(huán)境污染小及能源轉(zhuǎn)換效率高等特點，隨著我國天然氣設(shè)施布局日益完善，技術(shù)創(chuàng)新和裝備自主化取得突破性進展，體制機制改革取得階段性成果[4-5]，天然氣發(fā)展將迎來新的發(fā)展態(tài)勢。

燃氣電廠作為天然氣消費的主要部分，不僅能夠提高能源利用率，還有利于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整[6]。但由于我國依煤而生的資源結(jié)構(gòu)，雖然燃氣電廠污染物排放較少，但發(fā)電的高成本使燃氣電廠的效益整體較低；同時，隨著環(huán)境保護政策逐年收緊，國家對燃氣電廠污染物排放提出了嚴格要求。

目前，燃氣電廠的綜合指標評價體系及評估方法的研究較少。而針對火電機組的經(jīng)濟性、安全性及可靠性的評價體系及方法的研究已較多：文獻[7]針對火電機組的多指標綜合性能評價問題，提出了采用優(yōu)劣解距離法、熵值法及層次分析法確定評價指標的組合權(quán)重，并構(gòu)建了機組可靠性、經(jīng)濟性及環(huán)保性的綜合評價模型；文獻[8]將最大熵與投影尋蹤方法相結(jié)合，得到指標最佳投影方向與投影函數(shù)，對火電機組進行節(jié)能減排評價；文獻[9]利用主成分分析法約簡火電機組評價指標體系，然后通過多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法建立綜合評價指標模型，從經(jīng)濟性、技術(shù)性、可靠性對火電機組進行綜合評價。同時，很多學者也在風電機組運行狀態(tài)[10]、水電項目綜合評價[11]做了相關(guān)研究。

機組綜合評價分析研究發(fā)展迅速，分析效果顯著，但還存在一些缺陷：1）指標體系建立不全面，當前電廠機組綜合評價指標多以經(jīng)濟性、環(huán)保性及可靠性為主體指標，而未涉及安全性、設(shè)備管理等方面的指標體系，設(shè)備管理指標是機組經(jīng)濟安全運行的保障，是電力企業(yè)實現(xiàn)行業(yè)競爭、增強核心競爭力必不可少的指標；2）綜合評價分析思路多注重一級指標權(quán)重對評價結(jié)果的影響分析，對二級小指標權(quán)重對評價結(jié)果的影響分析考慮不足；3）對燃氣電廠的綜合評估，尤其是不分等級、不分類型的綜合評價比較少。

本文建立基于向量夾角余弦法與主成分分析法相結(jié)合的燃氣電廠綜合評價模型。首先，從不同方向不同角度建立完善、全面的燃氣電廠綜合評價指標體系。其次，采用向量夾角余弦法計算指標權(quán)重，將其與主成分分析法相結(jié)合，以不同級別燃氣電廠指標數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定各級指標權(quán)重，客觀分析不同指標對燃氣電廠影響，實現(xiàn)對不同級別燃氣電廠的不同角度橫向綜合評價。

1 燃氣電廠綜合評價主要理論基礎(chǔ)

1.1 向量夾角余弦法

綜合評價[12-15]是使用系統(tǒng)、規(guī)范的方法對電廠或機組從不同角度不同方面進行優(yōu)劣評判。指標權(quán)重是指某一指標相對于被評價對象的重要程度，其確定方法主要包括以模糊綜合評價、層次分析法為主的主觀賦權(quán)法以及以熵權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)法等為主的客觀賦權(quán)法[16]。主觀賦權(quán)法更多地依賴人為因素確定指標權(quán)重，帶有主觀意愿性，在指標較少時評價結(jié)果較為可靠合理，但當指標較多或者指標區(qū)分度較小時，主觀賦權(quán)法將很難做到公平準確。而客觀賦權(quán)法主要根據(jù)指標數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，在保留原始數(shù)據(jù)屬性的情況下確定指標權(quán)重，評價結(jié)果更加穩(wěn)健合理。

向量夾角余弦法在水文預(yù)報[17]、工程項目評標[18]、混沌預(yù)測[19]等方面得到廣泛的應(yīng)用。向量夾角余弦法利用兩向量夾角余弦值衡量向量間的變異程度，夾角越小，余弦值越大，相關(guān)性越高。由此可以根據(jù)指標分布情況構(gòu)造最優(yōu)指標序列和最劣指標序列，客觀確定指標權(quán)重。

1.2 主成分分析法

主成分分析法[20-22]是多指標綜合評價的一種重要統(tǒng)計方法，通過少數(shù)幾個主成分來表達多個變量間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其降維思想可將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低維數(shù)據(jù)處理分析，使數(shù)據(jù)處理問題簡單、直接，故主成分分析法在眾多領(lǐng)域的評價分析中得到廣泛應(yīng)用。在綜合評價中，可通過計算方差大小來確定主成分變化方向，由此得到主成分的權(quán)重，所得權(quán)重即作為對應(yīng)主成分的方差貢獻率。主成分所反映的信息越多，其對應(yīng)的權(quán)重越大。

2 燃氣電廠綜合評價指標體系

圖1為燃氣電廠綜合評價指標體系。

圖1 燃氣電廠綜合評價指標體系

燃氣電廠指標眾多，各個指標之間相互制約，為突出綜合評價的全面性及有效性，本文選取指標涉及經(jīng)濟技術(shù)性、可靠性、環(huán)保性及維護管理等不同方面。其中包括5類二級指標環(huán)保性指標Ⅰ、可靠性指標Ⅱ、設(shè)備管理指標Ⅲ、主要經(jīng)濟技術(shù)指 標Ⅳ、主要運行小指標Ⅴ，這5類二級指標又分為21個三級指標。

隨著我國燃氣電廠的不斷建設(shè)、裝機容量的不斷擴充，環(huán)保措施的不斷完善，人們環(huán)保意識不斷增強，大氣污染、噪聲污染等環(huán)境污染問題成為燃氣電廠必須解決的問題[23-24]。環(huán)保指標Ⅰ作為評價燃氣電廠環(huán)保標準的體系指標，分為4個三級指標。

燃氣電廠可靠性指標反映電廠運營現(xiàn)狀及綜合能力，與電廠效益緊密結(jié)合在一起，高標準的可靠性是電廠在市場競爭中獲勝的主要因素?？煽啃灾笜刷蛑饕姀S運行狀態(tài)及發(fā)電設(shè)備狀態(tài)的一些指標，分為5個三級指標。

完善的設(shè)備管理指標體系可為燃氣電廠實行設(shè)備管理的科學化、標準化提供依據(jù)，促進提高設(shè)備管理現(xiàn)代化水平和設(shè)備管理效益，是完成發(fā)電任務(wù)的保障。設(shè)備管理指標Ⅲ主要包括檢修及管理過程中的一些小指標，分為3個三級指標。

我國的能源資源以煤炭資源為主，燃氣資源匱乏。降低生產(chǎn)運營成本，挖潛增效，是燃氣電廠增收發(fā)展的重要保障。主要經(jīng)濟技術(shù)指標Ⅳ包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)指標和運營環(huán)節(jié)指標，分為5個三級指標。

主要運行小指標是電廠生產(chǎn)運行節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)的保障，指標大小直接關(guān)系電廠運行優(yōu)化狀況和經(jīng)濟效益。主要運行小指標Ⅴ包括生產(chǎn)過程中的一些運行指標，分為4個三級指標。

3 燃氣電廠綜合評價模型的建立

本文利用向量夾角余弦法計算三級指標權(quán)重值，利用線性賦權(quán)法構(gòu)造二級指標值矩陣，然后通過主成分分析法對指標矩陣計算特征向量提取主成分，實現(xiàn)對燃氣電廠的綜合評價，得到綜合評價排名。

3.1 基于向量夾角余弦法的二級指標評價模型

對個機組的二級指標采用向量夾角余弦法建立評價模型，分別得到個機組的二級指標排名，每個二級指標包含個三級指標，二級指標計算步驟如下。

1）每個二級指標(=1,2,…,)包含個樣本機組，個三級屬性指標構(gòu)成三級指標矩陣

2）為消除評價指標之間的量綱差異，對指標數(shù)據(jù)采用均值化處理。指標數(shù)據(jù)均值化是指利用原始指標數(shù)據(jù)去除各原始指標數(shù)據(jù)的平均值得到新序列矩陣，均值化處理得到的新序列矩陣為

3）指標均值化處理后，所有指標為正類屬性，其指標值越大機組性能越優(yōu)。選取各序列的最大值為最優(yōu)參考序列，選取各序列的最小值為最劣序列。得到最優(yōu)序列和最劣序列分別為：

4）根據(jù)確定的最優(yōu)、最劣序列，確定最優(yōu)偏差值矩陣A、最劣偏差值矩陣A，即：

5）根據(jù)均值化數(shù)據(jù)及最優(yōu)、最劣偏差值，確定最優(yōu)、最劣偏差率矩陣分別為：

權(quán)重越大，表示在個屬性指標中屬性指標對二級指標的影響程度越大，對機組評價貢獻度越大。

7）計算二級指標評價值

8）計算二級指標矩陣

3.2 基于主成分分析法的一級指標綜合評價模型

1）計算二級指標矩陣的相關(guān)系數(shù)矩陣

5）計算個機組樣本的主成分

6）計算一級指標評價值

對F進行排序，即可得到機組綜合評價排名。

4 燃氣電廠綜合評價應(yīng)用實例

4.1 評價對象

本文選取某集團6個燃氣電廠作為評價對象，電廠編號為1—6，其中1號電廠為純凝基荷F級，2號電廠為供熱基荷F級，3號電廠為純凝基荷E級，4號電廠為純凝調(diào)峰E級，5號電廠為供熱基荷F級，6號電廠為純凝調(diào)峰F級。所有建模指標數(shù)據(jù)均為各電廠上報集團的電廠運營管理相關(guān)指標數(shù)據(jù)，且審查數(shù)據(jù)無誤。

4.2 電廠樣本數(shù)據(jù)選取

選取的6個評價對象指標數(shù)據(jù)見表1—表5。

表1 安全環(huán)保指標

Tab.1 The indicators of environmental protection

表2 可靠性指標

Tab.2 The indicators of reliability

表3 設(shè)備管理指標

Tab.3 The indicators of equipment management

表4 主要經(jīng)濟技術(shù)指標

Tab.4 The main economic and technical indicators

表5 主要運行小指標

Tab.5 The main small operation indicators

4.3 基于向量夾角余弦法二級指標評價結(jié)果

根據(jù)本文3.1章節(jié)內(nèi)容得到各二級指標中的三級指標的權(quán)重值及各電廠樣本的二級指標評價值及排名，結(jié)果見表6—表7。

表6 三級指標權(quán)重值

Tab.6 Weight values of the third level indicators

表7 二級指標評價值及排名

Tab.7 Evaluation results and rankings of the secondary level indicators

1）安全環(huán)保指標中，所有指標均為負類屬性指標，指標值越小電廠越優(yōu)。由表6可知，設(shè)備噪聲最大值指標2權(quán)重值最大，故其對評價結(jié)果的影響最大。4號電廠雖然設(shè)備噪聲最大值不是最優(yōu)，但其他指標較好，且煙氣NO排放質(zhì)量濃度和廠界噪聲（夜間）表現(xiàn)最優(yōu)，故其環(huán)保指標最優(yōu)。而 3號電廠的煙氣NO排放質(zhì)量濃度、設(shè)備噪聲最大值、廠界噪聲（日間）指標均最差，廠界噪聲（夜間）也較差，故其環(huán)保指標排名最差。電廠環(huán)保指標優(yōu)劣排名為4、1、5、2、6、3。

2）可靠性指標中，機組跳閘次數(shù)、非計劃停運小時數(shù)為負類屬性指標，指標值越小電廠越優(yōu)。由表6可知，發(fā)電利用小時數(shù)權(quán)重最大，其對評價結(jié)果影響較大。1號電廠雖然發(fā)電利用小時數(shù)最好，但機組等效可用系數(shù)、機組跳閘次數(shù)、非計劃停運小時數(shù)并不佳，導(dǎo)致1號電廠可靠性排名最差。從表7可知各電廠可靠性指標優(yōu)劣排名為4、3、5、2、6、1。

3）設(shè)備管理指標中，3個指標均為正類屬性指標。由表3可知，2號電廠設(shè)備管理指標最優(yōu)，故其設(shè)備管理指標排名第一。1號電廠表現(xiàn)次之，排名第二。3號電廠由于關(guān)鍵設(shè)備完好率指標最差，且該指標權(quán)重值最大，使其在設(shè)備管理指標評價的排名最后。4號電廠設(shè)備消缺率指標最差，6號電廠的計劃檢修實施率最差。通過表7可知，2個電廠二級指標評價值相差甚微。

4）主要經(jīng)濟技術(shù)指標中，發(fā)電量、負荷率為正類屬性指標，其他指標為負類屬性指標。由表4可知，1號—3號電廠發(fā)電量數(shù)值均較好，1號電廠最好。負荷率指標1號、2號電廠最優(yōu)，且與其他電廠相差較大。1號、2號電廠其他指標表現(xiàn)均良好，故1號電廠主要經(jīng)濟技術(shù)指標排名第一，2號電廠次之。6號電廠在發(fā)電量、負荷率、發(fā)電氣耗率指標的表現(xiàn)均最差，因此在主要經(jīng)濟技術(shù)指標排名最后。

5）主要運行小指標評價中，汽水品質(zhì)合格率、油氣品質(zhì)合格率為正類屬性指標，其他為負類屬性指標。通過表5可知，5號電廠指標值在主要運行小指標的表現(xiàn)優(yōu)于其他電廠，故其排名第一。由于各電廠的汽水品質(zhì)合格率及油氣品質(zhì)合格率相差不大，故主要依靠補水率、發(fā)電耗淡水率進行判斷。3號電廠發(fā)電耗淡水率小于6號電廠，但其他指標均較差，使6號電廠在主要運行小指標評價排名第二。1號、2號電廠補水率、發(fā)電耗淡水率均較差，尤其發(fā)電耗淡水率指標值較大，使其主要運行小指標評價排名靠后。

4.4 基于主成分分析法的一級指標評價結(jié)果

根據(jù)基于主成分分析法的一級指標評價模型，對二級指標提取主成分并進行一級指標評價分析，同時，采用模糊綜合評價法和信息熵法對6個電廠指標數(shù)據(jù)進行綜合評價，評價結(jié)果見表8。

表8 綜合評價結(jié)果

Tab.8 The comprehensive evaluation results

將本文綜合評價結(jié)果與企業(yè)實際競賽結(jié)果進行對比，結(jié)果一致，說明本文方法合理有效。

由表8可知，信息熵法與本文方法的評價 結(jié)果相同，模糊綜合評價法的結(jié)果與其他稍有 差異。本文方法不僅可以計算綜合評價排名，還可以計算二級指標排名，可為電廠機組單項指標評比提供依據(jù)。

由綜合評價結(jié)果可知。

1）1號、2號電廠雖然在可靠性和主要運行小指標方面表現(xiàn)不佳，但由于其在主要經(jīng)濟技術(shù)指標表現(xiàn)突出，使其綜合評價靠前，說明經(jīng)濟性指標在綜合評價中起主導(dǎo)作用。由于選取指標數(shù)據(jù)為非供暖期，2號電廠雖然為供熱電廠，但其綜合排名位于1號電廠之后。

2）E級電廠（3號、4號電廠）雖然在設(shè)備管理和主要經(jīng)濟技術(shù)指標不及F級電廠，但環(huán)保指標、可靠性指標和主要運行小指標方面卻并不落后于F級電廠，甚至超過F級電廠。因此，在電廠實際競賽及對標管理時應(yīng)從不同角度對電廠進行綜合評估。

3）4號、6號電廠為調(diào)峰電廠，發(fā)電量較少，使其在主要經(jīng)濟技術(shù)指標不及基荷電廠，其他方面也有待提高，尤其是設(shè)備管理指標。6號電廠雖然為F級調(diào)峰電廠，但環(huán)保指標和可靠性指標卻不及4號E級調(diào)峰電廠。故6號電廠在綜合運營管理方面有待加強。

5 結(jié) 論

1）從環(huán)保性、可靠性、設(shè)備管理、主要經(jīng)濟技術(shù)和主要運行小指標5個方面不同角度建立燃氣電廠綜合評價指標體系，為燃氣電廠綜合評價提供基礎(chǔ)。

2）采用向量夾角余弦法和主成分分析法，構(gòu)建燃氣電廠綜合評價模型，依靠指標數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，通過向量余弦法客觀賦權(quán)，對某企業(yè)6個不同級別燃氣電廠進行綜合評價，評價結(jié)果與實際電廠競賽結(jié)果一致，其中F級綜合性高于E級，基荷電廠優(yōu)于調(diào)峰電廠，說明本文方法合理有效，可為企業(yè)電廠間對標管理及競賽提供支持。

3）綜合評價結(jié)果表明，E級電廠雖然在經(jīng)濟性指標落后于F級電廠，但在環(huán)保性、可靠性等指標評價中并不落后于F級，甚至會優(yōu)于F級電廠。因此，在綜合評價中，還應(yīng)從不同角度做出評價，以確保綜合評價的公平合理。

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A comprehensive evaluation model for performance indexes of gas-fired power plants

FU Zhongguang1, LIU Binghan1, WANG Pengkai1, LIU Lu2

(1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Ministry of Education, Beijing 102206, China; 2. Renewable Energy School, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Aiming at solving the problems of energy-saving, environmental protection, economical operation and comprehensive management for gas-fired power plants, this paper builds up an evaluation index system based on comprehensive consideration of environmental protection, reliability, equipment management, production economy and production technology after analyzing the operation and management methods of gas-fired power plants. The vector angle cosine method is applied to calculate the index’s weight, and combining with the principal component analysis method, it is used to carry out comprehensive evaluation for gas-fired power plants. A comprehensive evaluation model is established so that the weights and rankings of the indexes at different levels are also calculated. Taking 6 gas-fired power plants of an enterprise as the examples for verification analysis, the result demonstrates that this method is valid and feasible, which can provide indexes and method support for gas-fired power plants’ production benchmarking management and power plant unit competitions.

gas-fired power plant, index system, comprehensive evaluation, vector angle cosine method, principal component analysis

Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018MS034, 2016XS20)

付忠廣(1963—)，男，博士，教授，主要研究方向為電站機組運行優(yōu)化與復(fù)雜熱力系統(tǒng)建模等，fzg@ncepu.edu.cn。

TM621

A

10.19666/j.rlfd.201806106

付忠廣, 劉炳含, 王鵬凱, 等. 燃氣電廠性能指標綜合評價模型[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 7-13. FU Zhongguang, LIU Binghan, WANG Pengkai, et al. A comprehensive evaluation model for performance indexes of gas-fired power plants[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 7-13.

2018-06-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2018MS034, 2016XS20)

劉炳含(1990—)，男，博士研究生，liubh1018@sina.com。

（責任編輯 杜亞勤）