基于集對分析的天然氣分布式能源系統(tǒng)適用性評估研究

畢傲睿，黃舒雅，張雯雯，蔣陳雨，江 松

(1. 淮陰工學院 管理工程學院，江蘇 淮安 223003；2. 西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055；3. 淮安天山外國語學校，江蘇 淮安 223300；4. 西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

0 引 言

天然氣分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)系統(tǒng)是在采用清潔能源和提高常規(guī)能源利用率的背景下提出的一種供能技術(shù)[1]，在發(fā)達國家使用較早，而在國內(nèi)處于戰(zhàn)略規(guī)劃和推廣應(yīng)用的階段。由于目前我國一次能源消費仍以煤炭為主，清潔能源消費比例還較低[2-3]，為抑制環(huán)境惡化和維護經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[4-5]，使用天然氣分布式能源系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義，因此天然氣分布式能源系統(tǒng)在國內(nèi)具備較大的開發(fā)潛力[6]。

目前，國內(nèi)對天然氣分布式能源已進行了部分研究。張濤等[7]調(diào)研了不同地區(qū)、不同建筑的能源負荷需求，獲得了影響分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟學的因素。晁亮亮等[8]以內(nèi)部收益率為指標建立了天然氣分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟評價模型并分析了在有無補貼政策下系統(tǒng)的投資回報。王雁凌等[9]研究了天然氣分布式能源項目的補貼機制，提出了基于內(nèi)部收益率的分階段補貼測算模型，并分析了獲益情況。吳凱檳等[10]重點研究了分布式能源在環(huán)保方面的敏感性問題，分析了CO2、NOx等的減排對收入和環(huán)境的影響。張吉等[11]綜合比較了天然氣分布式能源系統(tǒng)與火力發(fā)電廠的優(yōu)勢以及對區(qū)域大氣環(huán)境的影響。李波等[12]基于不同市場類別研究了天然氣分布式能源的開發(fā)條件，提出地市級大型早期市場應(yīng)推廣分布式能源項目的結(jié)論等。雖然目前天然氣分布式能源系統(tǒng)在技術(shù)層面已成熟，但在應(yīng)用層面還需給出綜合性意見以便推廣使用，因此本文針對天然氣分布式系統(tǒng)的整體適用性進行評估方法的研究。

天然氣分布式系統(tǒng)的適用性需要針對使用對象考慮多方面因素，并結(jié)合定量準則進行綜合性評估,但分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，其能效、經(jīng)濟、環(huán)保等特性交互影響使得實現(xiàn)精確評估較為困難。因此，本文從經(jīng)濟性、能效性、環(huán)境性、可靠性、能質(zhì)性5個維度出發(fā)，構(gòu)建適用性評估體系，考慮指標間互相關(guān)性的影響，應(yīng)用集對分析理論建立天然氣分布式能源系統(tǒng)的適用性評估模型，為天然氣分布式能源系統(tǒng)的實際推廣建設(shè)提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

陜西省天然氣資源豐富，隨著“氣化陜西”工程等行動的推進，需要利用天然氣代替部分煤炭供能，天然氣分布式能源系統(tǒng)正是重點推行的解決方式。西安某星級酒店占地面積1.5萬m2，建筑面積12.4萬m2，現(xiàn)為節(jié)能減排、緩解用電緊張以及改善投資效益，擬對其進行天然氣分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃改造。

根據(jù)該酒店歷史能耗數(shù)據(jù)及設(shè)備運行記錄繪制不同時節(jié)單日冷熱電負荷示意曲線如圖1所示。

圖1 單日冷熱電負荷曲線Fig.1 Curves of cooling electric load and thermal electric load

已有研究表明熱電比大于1.5時宜采用燃氣輪機與蒸汽余熱鍋爐形式[13]，因此對該酒店采用燃氣輪機、余熱鍋爐和吸收式制冷機組的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作運行流程示意圖和設(shè)備性能參數(shù)分別如圖2和表1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 分布式能源系統(tǒng)適用性評估體系

(1) 評估指標

從天然氣分布式能源系統(tǒng)的物質(zhì)流、資金流和能量流進行考慮，確定影響適用性的因素，建立系統(tǒng)評估指標體系如圖3所示。

圖2 天然氣分布式能源系統(tǒng)工作示意圖Fig.2 Flow diagram of the natural gas distributed energy system

表1 設(shè)備性能參數(shù)

圖3 天然氣分布式能源系統(tǒng)適用性評估指標Fig.3 Applicability evaluation indexs of the natural gas distributed energy system

一級指標中，經(jīng)濟性指標集是從資金流的角度體現(xiàn)天然氣分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備投資、能耗成本等信息。能效指標集是從能量流的角度體現(xiàn)系統(tǒng)熱力學性能，反映了系統(tǒng)主要流程、相關(guān)設(shè)備的能源利用情況及能效水平。環(huán)境性指標集體現(xiàn)了國家環(huán)保政策對系統(tǒng)排污量的強制性控制程度?？煽啃灾笜思疾榱讼到y(tǒng)能源供給的可靠性。能質(zhì)性指標集從熱力學第二定律考查系統(tǒng)能量的可利用程度。

(2) 評估等級

普通人進行判別時有效區(qū)別的數(shù)量在5～9之間[14]，基于《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》以及《中國節(jié)能減排行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及十四五規(guī)劃建議報告》等資料將分布式能源系統(tǒng)的適用性評估結(jié)果分為5個等級，語言表達分別為：

I級：特別適合，與傳統(tǒng)供能方式相比節(jié)能減排效果、經(jīng)濟效益可觀(例如標煤節(jié)能15%以上，投資回收期5 a以下)；

II級：比較適合，與傳統(tǒng)供能方式相比節(jié)能減排效果可觀、經(jīng)濟效益可取(例如標煤節(jié)能15%以上，投資回收期5 a以上)；

III級：適合，與傳統(tǒng)供能方式相比節(jié)能減排效果、經(jīng)濟效益可取(例如標煤節(jié)能0～15%，投資回收期5 a以上)

IV級：不太適合，與傳統(tǒng)供能方式相比節(jié)能減排效果、經(jīng)濟效益無明顯優(yōu)勢(例如標煤節(jié)能0～5%，投資回報率低)，需要不斷政策性補貼進行維持。

V級：特別不適合，節(jié)能減排效果、經(jīng)濟效益遠不如傳統(tǒng)供能方式。

1.2.2 分布式能源系統(tǒng)適用性評估模型

(1) 集對分析理論

基于評估指標和評估等級，采用集對分析理論建立評估模型[15]，針對系統(tǒng)適用性評估指標和評估等級之間的復雜關(guān)系，集對分析建模如下：

① 存在集合A，B是一個集對，此時A和B為適用性評估指標和評估等級，A、B的聯(lián)系度μ計算如下：

(1)

式(1)中：N為集對包含的特征總數(shù)；S、P、Fm分別為兩個集合共同特征數(shù)、對立特征數(shù)以及既不共同也不對立的特征數(shù)，S/N、Fm/N、P/N分別稱作集對的同一度、差異度、對立度；i為差異度系數(shù)，取值[-1,1]，j為對立度系數(shù)。

② 由于系統(tǒng)包含多個評估指標，而各指標的影響效果各不相同，因此需要對各評估指標作集對分析，得到第n項指標的聯(lián)系度μn。為綜合反映所有評估指標的影響，需要考慮各評估指標聯(lián)系度的權(quán)重以計算平均聯(lián)系度μa：

(2)

式(2)中：n為特征數(shù)量，wn為μn的權(quán)重。

(2) 指標權(quán)重確定

由式(2)可知計算μa的關(guān)鍵是指標權(quán)重wn，權(quán)重關(guān)系到最終評估結(jié)果的可靠性，本文應(yīng)用AHP法計算權(quán)重[16]。

①構(gòu)造判斷矩陣

(3)

式(3)中：H為判斷矩陣，xij為指標xi相對于xj的相對重要性值，i、j=1, 2, 3, …,n。

②計算重要性排序

根據(jù)判斷矩陣求最大特征根對應(yīng)的特征向量：

H·w=λmax·w

(4)

式(4)中：λmax為最大特征根，w為對應(yīng)特征向量，w通過歸一化為各評估指標的權(quán)重分配，即權(quán)值。

③ 一致性檢驗

得到的權(quán)值是否合理需要進一步對判斷矩陣進行一致性檢驗：

CR=CI/RI

(5)

式(5)中：CR為判斷矩陣的一致性比值；CI為一般一致性指標：CI=(λmax-n)/(n-1)；RI為平均隨機一致性指標，查表得到。

(3) 級別判斷方法

使用級別特征值來判斷適用性等級，計算方法如下：

s=∑[a·1+b1·2+b2·3+…+
bK-2·(K-1)+c·K]

(6)

式(6)中：a、(b1,b2,b3,…,bK-2)、c為最終聯(lián)系度中的同一度、差異度和對立度。可知特征值范圍為[1,K]，1表示最好情況，K表示最壞情況，因此特征值對應(yīng)級別的認定方式如下：1級：[1, 1.5)，2級：[1.5, 2.5)，…，K-1級：[K-1.5,K-0.5)，K級：[K-0.5,K]。

2 結(jié)果與分析

由圖2可知，燃氣輪機通過消耗天然氣輸出機械功帶動發(fā)電機組發(fā)電，所發(fā)電負荷滿足酒店自耗，不足電量從電網(wǎng)購買；余熱鍋爐回收燃氣輪機排出熱量并將產(chǎn)生的蒸汽用于冬季直接供暖和作為夏季蒸汽型溴化鋰制冷機組的驅(qū)動熱源；當余熱不足時，可由燃氣鍋爐補足。從圖1中可知，酒店內(nèi)冬季典型日用電最高負荷為3 750 kW，夏季用電最高負荷為5 000 kW，因此需要2臺燃氣輪機設(shè)備，發(fā)電量能夠全部被酒店自耗，無需蓄能設(shè)備。具體運行時晝?nèi)招栝_啟燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽溴化鋰機組和燃氣鍋爐各2臺，夜晚只需開啟1臺燃氣輪機和1臺余熱鍋爐即可滿足負荷需求；在某些高峰時段還需開啟1臺燃氣鍋爐提供額外的蒸汽需求。

2.1 指標權(quán)重賦值

邀請專家給出指標相對重要性值見表2。計算一級指標層各權(quán)重值分別為：0.295 3、0.071 9、0.379 9、0.090 5、0.162 4；一致性比例值：CR=0.084 7<0.1，滿足一致性檢驗[17]，說明權(quán)重有效可取，最終求得權(quán)值見表3。

表2 一級指標層相對重要性

2.2 計算評估結(jié)果

對指標進行評估等級劃分?？紤]到實際合理性，設(shè)初期設(shè)備投資、投資回收期、財務(wù)內(nèi)部收益率符合為高斯分布，分別以(0, 0.022 7]、(0.022 7, 0.157 6]、(0.157 6, 0.840 2]、(0.840 2, 0.976 1]、(0.976 1,1]區(qū)間劃分為5個等級；其余指標則均勻劃分。此外，需注意初期設(shè)備投資、投資回收期、CO2排放、NOx排放、計劃停運系數(shù)、非計劃停運系數(shù)、等效降低出力系數(shù)屬于成本型指標，其他指標屬于效益型指標。

表3 指標權(quán)值

各指標實際值和歸一化值見表4。其中初期投資參考相關(guān)案例設(shè)定最大心理數(shù)額為4 000萬元，投資回收期一般為4～10 a，財務(wù)內(nèi)部收益率以保守經(jīng)驗值設(shè)最大為10%，CO2和NOx以常規(guī)燃煤火力發(fā)電的排放量為基準：CO2最大為813 g/(kW·h)，NOx最大為2.68 g/(kW·h)。

表4 指標實際值和歸一化值

基于各指標值和評估等級，建立指標聯(lián)系度：

(7)

式(7)中，S1、S2、S3、S4、S5分別為1到5級分級的極限值，x為指標實際值。根據(jù)式(1)和(2)以及指標權(quán)重計算得聯(lián)系度：ua=0.178i+0.353 2i1+0.362 2i2+0.178 2i3+0j。進一步由式(6)計算得到判斷結(jié)果為：s=2.683 8，為III級適合。

2.3 結(jié)果分析

該酒店進行天然氣分布式能源適用性評估結(jié)果為：2.683 8級適合，可認為從節(jié)能減排、投資收益等角度值得投資改造。同時從權(quán)值分析發(fā)現(xiàn)對適用性影響較大的指標集為經(jīng)濟性和環(huán)境性，分析如下：

(1)環(huán)境性指標權(quán)值最大，表明分布式系統(tǒng)在該酒店的運行以節(jié)能減排為重，由前述數(shù)據(jù)計算可得該分布式系統(tǒng)的年有效發(fā)電時間為6 214.56 h，有效年發(fā)電量2 304.36萬(kW·h)，年供飽和蒸汽8萬t，熱電比為2.42，計算出耗能數(shù)據(jù)見表5?？芍撓到y(tǒng)可以減小1 735.26噸標準煤(tce)，節(jié)能率為12.35%，相當于減排CO24 811.00 t，NOx65.07 t，SO2：131.4 t，環(huán)保效益顯著。

表5 能耗數(shù)據(jù)

(2)經(jīng)濟性一般包含：初投資年等值費用、耗能費用和維護費用。取年利率為0.07，設(shè)備使用年限為15 a，西安市天然氣均價約2.3元/Nm3，電價0.714 6元/(kW·h)。根據(jù)冷熱電負荷估算傳統(tǒng)單獨供能方式需費用3 530.53萬元，計算各項費用具體見表6，可以看出分布式能源系統(tǒng)的年度運行費用低于傳統(tǒng)供能方式，簡單投資回收期約6.61 a，經(jīng)濟效益可觀。

同時需要注意的是對于經(jīng)濟效益，本文相關(guān)指標數(shù)據(jù)是在假設(shè)不含政府投資獎勵、優(yōu)惠貸款、減免稅收以及溫室氣體減排政策支持的前提下得到的。因此若包含上述各項優(yōu)惠政策，最終適用性評估結(jié)果必然更加可取，也表明初期推廣天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用需要各級政府在法律法規(guī)、融資補貼等方面給予一定支持。

表6 分布式系統(tǒng)年運行費用

3 結(jié) 論

在推廣建設(shè)清潔能源供能系統(tǒng)的背景下，本文研究了天然氣分布式能源的適用性評估模型，通過實例計算與分析得到以下結(jié)論：

(1)建立了天然氣分布式能源系統(tǒng)適用性評估體系，包含經(jīng)濟性、能效性、環(huán)境性、可靠性、能質(zhì)性5方面特性的指標集，有效反映了使用天然氣分布式能源系統(tǒng)時需要關(guān)注的影響因素。

(2)集對分析理論能夠處理分布式系統(tǒng)指標間互相關(guān)性的影響，級別特征值考慮了所有隸屬單位對聯(lián)系度的貢獻度，精確了系統(tǒng)整體適用性評估的結(jié)果。

(3)環(huán)境性和經(jīng)濟性對系統(tǒng)適用性的推廣建設(shè)具有較大影響，與傳統(tǒng)供能相比天然氣分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率為12.35%，年度運行費用減少508.61萬元，簡單投資回收期6.61 a。