基于ANP-優(yōu)序圖的硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選方法

周小松，孫高博，劉 衛(wèi)，申 律，黃康康

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710043）

壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種高效的能源存儲(chǔ)技術(shù)，它可以將過(guò)剩的電能用于壓縮空氣并儲(chǔ)存起來(lái)，然后在電能供應(yīng)緊張時(shí)，再將空氣勢(shì)能釋放以驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的調(diào)度和平衡[1]。由于具有儲(chǔ)能規(guī)模大、充放電時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)及建設(shè)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)家能源轉(zhuǎn)型及“雙碳”政策的背景下，壓縮空氣儲(chǔ)能正被迅速推廣和應(yīng)用。而且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CAES的系統(tǒng)效率已由最初的30%提升至70%左右，建設(shè)成本也逐步降低，這都為其走向商業(yè)化，成為抽水蓄能的重要補(bǔ)充形式提供了良好的基礎(chǔ)[2]。目前國(guó)內(nèi)的大規(guī)模CAES 項(xiàng)目主要依托鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行，但我國(guó)的“三北”地區(qū)，鹽礦資源以湖鹽為主[3-4]，缺少建設(shè)地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的客觀條件，而這些地區(qū)又恰恰是“棄風(fēng)”“棄光”現(xiàn)象最突出的區(qū)域[5-8]，存在強(qiáng)烈的發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能需求。硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)因不受地理?xiàng)l件限制，在有建庫(kù)需求的地區(qū)一般都能找到適宜建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的地層[9]，因此，硬巖CAES 必將越來(lái)越受到重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)硬巖CAES 市場(chǎng)項(xiàng)目現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)人工硐室CAES 市場(chǎng)項(xiàng)目現(xiàn)狀（不完全統(tǒng)計(jì)）

選址是一個(gè)項(xiàng)目建設(shè)首先應(yīng)考慮的問(wèn)題，也是整個(gè)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，一個(gè)優(yōu)良站址的選擇將體現(xiàn)出較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)的選址面臨著一系列的挑戰(zhàn)，如影響因素多、相互作用復(fù)雜、尚不能直接對(duì)影響因素的優(yōu)劣進(jìn)行數(shù)值上的劃分等。為了有效解決硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)選址困難的問(wèn)題，本文從理論層面分析了ANP+優(yōu)序圖法在硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選應(yīng)用中的適用性，并通過(guò)綜合分析得到了優(yōu)選站址的排序，此研究可為硬巖地區(qū)建設(shè)CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)的選址決策提供了良好的支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)方法的選擇

1.1 評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

在儲(chǔ)氣庫(kù)選址優(yōu)選方面，常見(jiàn)的有多目標(biāo)決策分析、模糊綜合評(píng)價(jià)、綜合賦權(quán)法和層次分析法等幾種方法。巴靖煜等[10]采用綜合賦權(quán)法對(duì)京津冀圈閉儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址的優(yōu)選進(jìn)行研究，所得結(jié)果得到了專家驗(yàn)證；李健等[11]提出了在資料較少條件下，含水圈閉儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址的“二步篩選法”，并為環(huán)渤海地區(qū)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的選址提供參考和理論支撐；井文君等[12]基于層次分析法，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)選址評(píng)價(jià)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了目標(biāo)庫(kù)址綜合建庫(kù)適宜值P的計(jì)算公式；門慧娟[13]在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站選址決策研究時(shí)，通過(guò)引入概率語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集和賦權(quán)模型，提出了擴(kuò)展的TODIM 方法，并進(jìn)行了選址決策案例的驗(yàn)證和分析。但目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選領(lǐng)域的研究很少，金維平等[14]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外工程案例的分析，提出了硬巖CAES儲(chǔ)氣庫(kù)選址的整體原則，并嘗試采用層次分析法建立了選址綜合評(píng)價(jià)體系；蔣中明等[9]分析了我國(guó)適宜建造硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)的地層分布及特點(diǎn)，并以廣東省為例探討了大規(guī)模CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)選址的思路和方法；Gao等[15]提出了一種基于概率語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集（PLTS）和后悔理論方法，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)所建立的科學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了驗(yàn)證。

然而，對(duì)于硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選的分析，以上方法并不能完全適用，本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者及對(duì)影響因素研究的基礎(chǔ)上，對(duì)“ANP+優(yōu)序圖法”在選址綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用作了探索，成為硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選方法的重要補(bǔ)充。

1.2 ANP 的原理與特點(diǎn)

ANP 是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty 于1996 年提出的一種多準(zhǔn)則決策分析方法，是在AHP 的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，不僅可以處理各準(zhǔn)則的相對(duì)重要性，還可以考慮各元素間的依賴關(guān)系，適用于具有因素交互和相互影響的復(fù)雜決策問(wèn)題，其網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1 所示。

圖1 ANP 的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型示意圖

該方法將復(fù)雜問(wèn)題層次化處理，同時(shí)能夠考慮因素之間的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合定性和定量分析，使得權(quán)重的計(jì)算更為科學(xué)、可靠。

1.3 優(yōu)序圖法的原理與特點(diǎn)

優(yōu)序圖法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單且靈活的，基于粗糙集理論的多準(zhǔn)則決策分析方法，主要通過(guò)構(gòu)建優(yōu)勢(shì)關(guān)系來(lái)進(jìn)行決策，多用于候選方案的比選和排序。該方法基于這樣的假定：2 個(gè)方案的直接比較是最簡(jiǎn)單、最精確的方法[16]?，F(xiàn)階段硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)選址研究成果少，無(wú)法直接對(duì)各個(gè)影響因素的優(yōu)劣進(jìn)行數(shù)值上的劃分，見(jiàn)表2。

表2 人口密度的量化指標(biāo)評(píng)分表（數(shù)值僅為示例）

因此，對(duì)于硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址的優(yōu)選來(lái)說(shuō)，采用優(yōu)序圖法直接對(duì)候選站址同一因素對(duì)比分析，進(jìn)行站址的優(yōu)選是非常合適的。

2 候選站址優(yōu)選

采用“ANP+優(yōu)序圖法”對(duì)硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，首先應(yīng)對(duì)選址決策有影響的因素進(jìn)行綜合分析，并完成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，然后再分別采用ANP 法、優(yōu)序圖法開(kāi)展站址優(yōu)選工作，其基本步驟如圖2 所示。

圖2 ANP+優(yōu)序圖法硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選步驟

2.1 建立指標(biāo)體系

考慮到現(xiàn)階段硬巖CAES 項(xiàng)目十分有限，可先參考天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)，風(fēng)電、光伏、水電和鹽穴CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)選址經(jīng)驗(yàn)，在總結(jié)選址影響因素研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)各因素間的層次結(jié)構(gòu)和相互作用關(guān)系，建立硬巖CAES儲(chǔ)氣庫(kù)選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在指標(biāo)體系建立的過(guò)程中，除領(lǐng)域?qū)＜液蜎Q策者外，可邀請(qǐng)利益相關(guān)者參與，共同討論和確定最終的指標(biāo)，且應(yīng)考慮項(xiàng)目不同階段、不同地區(qū)對(duì)影響因素的側(cè)重情況。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

1）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)：通過(guò)將復(fù)雜決策問(wèn)題分解化、層次化，并系統(tǒng)地分析各因素間的相互作用關(guān)系，形成一個(gè)如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型。

2）計(jì)算各個(gè)因素權(quán)重：根據(jù)層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建判斷矩陣，并采用問(wèn)卷調(diào)查和專家打分的方法，從網(wǎng)絡(luò)層開(kāi)始逐層向上計(jì)算權(quán)重，從而得到各因素權(quán)重值的大小。

3）結(jié)果可靠度的一致性檢驗(yàn)：為評(píng)價(jià)專家打分結(jié)果的邏輯合理性和數(shù)據(jù)有效性，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性比例CR越小，說(shuō)明評(píng)價(jià)或數(shù)據(jù)的可信度越高，當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，即為通過(guò)檢驗(yàn)。

由于ANP 的人工計(jì)算過(guò)程十分繁瑣，涉及超級(jí)矩陣、超級(jí)加權(quán)矩陣等的眾多運(yùn)算，實(shí)際上常采用專業(yè)決策分析軟件，如Super Decision 輔助計(jì)算，輸入專家評(píng)分結(jié)果，選擇好標(biāo)度即可自動(dòng)計(jì)算得出各指標(biāo)的權(quán)重[17]。

2.3 站址排序綜合分析

優(yōu)序圖法對(duì)因素進(jìn)行排序的基本步驟大致如下：先確定評(píng)估指標(biāo)，對(duì)站址優(yōu)選研究來(lái)說(shuō)即確定影響選址的各因素；構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣，即制作各候選站址的同一因素直接進(jìn)行兩兩比較的打分表；專家投票打分，通過(guò)直接對(duì)比，專家對(duì)每個(gè)因素情況進(jìn)行投票；計(jì)算得分及排序，對(duì)評(píng)價(jià)矩陣中的各因素投票情況進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，確定各因素的權(quán)數(shù)得分。

為了說(shuō)明優(yōu)序圖法的應(yīng)用，現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)人口密度為例，對(duì)A、B、C、D 4 個(gè)候選站址的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)9 位專家參與投票打分，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出候選站址A、B、C、D 的人口密度的相對(duì)權(quán)數(shù)分別為17/54、13/54、9/54、15/54。然后依次對(duì)其他因素進(jìn)行投票分析，即可得到各候選站址影響因素的相對(duì)權(quán)數(shù)。

表3 優(yōu)序圖法專家投票情況示例

最后，將各影響因素的ANP 計(jì)算權(quán)重分別與對(duì)應(yīng)的相對(duì)權(quán)數(shù)相乘，即可得到候選站址A、B、C、D 的總評(píng)分和排序，從而實(shí)現(xiàn)站址的優(yōu)選。

2.4 討論

綜合以上分析，可知“ANP+優(yōu)序圖法”可以有效解決硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選的問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程清晰明確、切實(shí)合理。在此基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)建和開(kāi)發(fā)一個(gè)硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)快速選址平臺(tái)，以便更好地提供高效、全面的選址決策支持。基于本研究中的理論和分析方法，僅需在平臺(tái)上輸入不同參數(shù)和條件，便可快速評(píng)估并比較出不同站址方案的優(yōu)劣，從而大大提高選址決策的可靠性和效率。但實(shí)際操作中，還需注意以下幾點(diǎn)。

1）層次結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確性：構(gòu)建準(zhǔn)確、邏輯合理且符合實(shí)際的層次結(jié)構(gòu)模型，是權(quán)重正確計(jì)算的前提，層次結(jié)構(gòu)和因素間的相互關(guān)系均應(yīng)通過(guò)專家的評(píng)估和判斷。

2）數(shù)據(jù)收集的全面性：所搜集的候選站址條件，如地質(zhì)、環(huán)境、交通等數(shù)據(jù)，應(yīng)確保其準(zhǔn)確性和全面性，以便于專家評(píng)分過(guò)程中有更多參考，給出合理性評(píng)估結(jié)果。

3）專家水平要求較高：該方法主觀性較強(qiáng)，對(duì)專家水平要求較高，結(jié)果易受到專家主觀意見(jiàn)的影響。所選專家應(yīng)在相關(guān)領(lǐng)域具備豐富的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并能夠避免個(gè)人偏見(jiàn)，保持中立和客觀的態(tài)度來(lái)投票打分。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)“ANP+優(yōu)序圖法”對(duì)硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址優(yōu)選進(jìn)行嘗試，以及對(duì)該方法的適用性和不足進(jìn)行討論，主要有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和收獲。

1）ANP+優(yōu)序圖法能夠綜合考慮多個(gè)準(zhǔn)則，以及各因素間的相互關(guān)系和重要性，并可以很好地處理因素間比選問(wèn)題，對(duì)硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)站址的優(yōu)選具有較好的應(yīng)用能力，該方法可為實(shí)際決策提供思路和指導(dǎo)。

2）研究成果可為硬巖CAES 儲(chǔ)氣庫(kù)選址綜合評(píng)價(jià)體系的建立，甚至為快速選址平臺(tái)的搭建提供理論基礎(chǔ)，這些都有助于硬巖CAES 得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

3）為減少主觀性的影響，可考慮將ANP-優(yōu)序圖法與其他方法相結(jié)合，綜合運(yùn)用不同方法的優(yōu)勢(shì)，提高硬巖CAES 站址優(yōu)選結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。