劉心喜 阮慧鋒 張志勇 張鐘平 徐荻森

摘要：指出了天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合評價對分布式能源的各環(huán)節(jié)具有重要影響。運用yaahp軟件，采用層次分析法從能效性、能質(zhì)性、可靠性、環(huán)境性和經(jīng)濟性5個方面建立了層次結(jié)構(gòu)模型，并依據(jù)此模型對4個天然氣分布式能源站進行了綜合評價。通過結(jié)果分析，闡述了該方法的可行性，并對天然氣分布式能源發(fā)展提出了建議和意見。

關(guān)鍵詞：分布式能源；層次分析法；綜合評價；yaahp軟件

中圖分類號：TK01

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10014804

1 引言

分布式能源系統(tǒng)是指將系統(tǒng)安裝在用戶側(cè)，根據(jù)用戶能源需求進行冷熱電供給的高效能源利用系統(tǒng)[1]。分布式能源系統(tǒng)將發(fā)電、輸配電、熱網(wǎng)、建筑釆暖和供冷等多種系統(tǒng)組合起來，是多輸入、多能聯(lián)供的復(fù)雜系統(tǒng)。在我國能源和環(huán)境危機的雙重背景下，分布式能源系統(tǒng)逐漸發(fā)展，并成為當前研究熱點[2，3]。然而目前天然氣分布式能源項目的評估并沒有統(tǒng)一的或公認的標準、規(guī)范或方法。

天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合評價是綜合熱力學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、系統(tǒng)論、控制論等多門學(xué)科的系統(tǒng)評價分析，其評價的指標體系是一個多層次、多目標的評價指標集合[4]。在分布式能源目不斷增多的情況下，對其進行綜合評價的工作有利于總結(jié)已建項目的經(jīng)驗教訓(xùn)，其成果作為規(guī)劃制定、項目審批、投資決策、項目管理的重要參考依據(jù)。因此，對天然氣分布式能源項目進行綜合評價，科學(xué)合理評價各指標，查找存在的某些共性問題，為現(xiàn)運行或擬建項目提供一定支持，并為提高的項目運行技術(shù)水平及經(jīng)濟可靠性提供技術(shù)支持，這對分布式能源健康可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

2 研究方法

2.1 研究步驟

分布式能源系統(tǒng)綜合評價方法用于分布式能源站，具體步驟如下：①調(diào)研并分析能源站運行數(shù)據(jù)及用戶側(cè)負荷，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②解析能源站各子系統(tǒng)，提取建模素材。③按多目標評價方法各子目標對應(yīng)的評價指標對數(shù)據(jù)的要求，在能源站各子系統(tǒng)布置測點，進行全廠對應(yīng)各評價指標的參數(shù)測試。④根據(jù)測試數(shù)據(jù)，按各評價指標的計算模型計算指標參數(shù)。⑤將指標參數(shù)按多目標評價方法體系輸入綜合評價模型進行計算，得出評價結(jié)果。⑥根據(jù)判定準則給出能源站的綜合評價等級。

2.2 指標篩選

（1）系統(tǒng)性。在選擇后評價指標的過程中，應(yīng)該從整體角度出發(fā)，根據(jù)項目建設(shè)時預(yù)期到達的目標、效果，全面評價所達到的效果及產(chǎn)生的各種影響。

（2）實用性。該指標體系的建立意在為后期分布式能源項目后評價工作提供一定的可借鑒性，指標的選擇在具各系統(tǒng)全面特性的基礎(chǔ)上，要突出分布式能源項目的特點，便于對此類項目在日后后評價中具有現(xiàn)實可操作性。

（3）層次性和獨立性。指標的選取必須遵循層次分明且各個指標相互獨立的特點。各指標在橫縱向上要達到類別清晰，盡量縮小指標間的關(guān)聯(lián)程度，避免指標性評價效果相互交叉，才能確保指標評價減少重復(fù)計算的情況。

（4）定量與定性相結(jié)合。綜合評價具有一定的復(fù)雜性，其中某些指標是可量化得出，某些指標，必須依靠一些具備相應(yīng)經(jīng)驗及閱歷的專家進行主觀判斷得到。因此，在實際評價過程中，指標的選取往往需要采取復(fù)合方法將定量與定性指標結(jié)合選取。

2.3 層次分析法

層次分析法（AHP）是將與總評價有關(guān)的元素分解目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的綜合評價方法[5]。關(guān)鍵在于不割斷各個因素對結(jié)果的影響，而層次分析法中每一層的權(quán)重設(shè)置最后都會直接或間接影響到結(jié)果，而且在每個層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的。條理清晰、方法明確，特別適用對于無結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng)評價以及多目標、多準則、多時期等的系統(tǒng)評價。層次分析法大體分為以下步驟：①構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)；②構(gòu)造判斷矩陣；③判斷矩陣的一致性檢驗；④層次單排序；⑤總層次排序。

2.4 yaahp軟件

Yaahp軟件是一款層次分析法可視化建模與計算輔助軟件，為使用層次分析法的評估決策過程提供模型構(gòu)造、計算和分析等方面的幫助[6]。可以非常直觀方便使用yaahp繪制層次模型、生成判斷矩陣、兩兩比較數(shù)據(jù)輸入、排序權(quán)重計算、計算數(shù)據(jù)導(dǎo)出及靈敏度分析。

由于客觀事物的復(fù)雜性以及人的主觀性，很難一次就構(gòu)造出滿足一致性要求的判斷矩陣，可利用軟件提供的實時一致性比例計算功能方便掌握情況，對不一致判斷矩陣進行人工調(diào)整。通過靈敏度分析，決策者可以掌握屬性權(quán)重變化對決策結(jié)果的影響及影響程度，還可以動態(tài)地觀察要素權(quán)重變化對備選方案權(quán)重的影響，從而幫助決策者在更高的層次做出正確的判斷。

3 評價模型

3.1 評價指標數(shù)據(jù)

選取較為典型的四個能源站，能源站1和3是以燃氣內(nèi)燃機為原動機機組，能源站2和4是以燃氣輪機為原動機機組。數(shù)據(jù)性能測試數(shù)據(jù)或現(xiàn)場運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相應(yīng)經(jīng)濟性指標來源于科研報告，經(jīng)過整理計算，匯總?cè)绫?。

3.2 層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

應(yīng)用層次分析法評價問題，首先要明確綜合評價的問題，使之條理層次化，建立遞進式結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型由目標層、指標層和方案層共3個層級構(gòu)成。

（1）目標層：天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合評價，也即評價問題的預(yù)定目標。

（2）指標層：指影響目標層評價的指標，這一層可設(shè)置多個子指標層。綜合已有資料，將評價指標劃分為能效性、能質(zhì)性、可靠性、環(huán)境性和經(jīng)濟性5個方面：

①能效性：包括一次能源利用率、余熱回收效率和相對節(jié)能率。

②能質(zhì)性：此指標層主要從熱力學(xué)第二定律考查系統(tǒng)能量的可利用程度，包括火用效率、余熱利用火用效率。分布式電源向當?shù)刎撦d或上網(wǎng)發(fā)送電能的質(zhì)量，應(yīng)滿足相關(guān)的國家標準，將電能質(zhì)量也歸為能質(zhì)性指標。

③可靠性：主要考查系統(tǒng)能源供給的可靠性，包括計劃停運系數(shù)、非計劃停運系數(shù)、機組降出力系數(shù)和等效可用系數(shù)。

④環(huán)境性：天然氣分布式能源項目多集中于負荷中心，對環(huán)境要求更嚴格。因燃料主要為天然氣，粉塵排放量可忽略不計，SO2排放幾乎沒有，環(huán)境性主要考慮NOx、CO、CO2和噪音。

⑤經(jīng)濟性：主要考查系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，包括靜態(tài)單位投資、投資回收期和項目資本金內(nèi)部收益率。

（3）方案層：指目標層的評價對象，選取較為典型的的四個分布式能源站進行綜合評價。

綜合以上分析，依據(jù)獨立性、實用性、可操作性構(gòu)建系統(tǒng)綜合評價模型如圖1。

3.3 判斷矩陣錄入

采用1—9標度法進行指標層進行指標間的兩兩比較，對子指標則根據(jù)四個能源站性能測試或運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得出的計算值進行比較。因方案層四個能源站投產(chǎn)時間不久，部分指標需長年統(tǒng)計值，可靠性、環(huán)境性指標未能得到，矩陣錄入時認為同等重要，經(jīng)濟性指標采用項目可研報告數(shù)值。由于錄入判斷矩陣較多，只列舉兩張代表性的矩陣截圖，見圖2、3。

4 結(jié)果與討論

4.1 計算結(jié)果

天然氣分布式能源具有清潔環(huán)保、能效高、削峰填谷、經(jīng)濟效益好等諸多優(yōu)點，但也注意到其貼近用戶側(cè)且多種能源輸出講究就近消納，我國天然氣分布式能源在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)核心區(qū)域發(fā)展較快，這對環(huán)境性需要很高的要求。天然氣分布式能源在我國近幾年快速發(fā)展，但原動機設(shè)備如燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機等還需進口，無論是設(shè)備購置，還是運行維保均需大量費用，加之天然氣價格，電力上網(wǎng)價格等多方面因素，經(jīng)濟性指標將是較重要的評價方面。分布式能源系統(tǒng)遵循溫度對口、梯級利用的原則實現(xiàn)能源的多級利用[7]，國家發(fā)改委將一次能源利用率確定為70%以上，能效性指標是個相對重要的方面。能量存在著質(zhì)量上的區(qū)別，電力跟冷熱能從能的質(zhì)量上面來說并不一樣的。能源站1和3是以燃氣輪機為原動機的區(qū)域型分布式能源站，能源站2和4是以燃氣內(nèi)燃機為原動機的樓宇型分布式能源站。在設(shè)計過程中也遵循著“以熱定電、欠匹配”的原則，因此能質(zhì)性評估比重相對較低。綜合以上所述，得到兩級指標層的權(quán)重（表2和表3）。

根據(jù)表4結(jié)果顯示，整體而言方案層中四個能源站的權(quán)重相差不大，說明評價結(jié)果四個能源站并無絕對的優(yōu)劣。具體來看能源站1和能源站3權(quán)重更大，能源站2和能源站4則稍偏小。最終評價的結(jié)果是能源站1為最佳，究其原因主要是除去暫未統(tǒng)計到的環(huán)境性可靠性指標，經(jīng)濟性指標權(quán)重為0.2970，而能質(zhì)性能效性指標權(quán)重較?。ū?）。在經(jīng)濟性指標中能源站1和3靜態(tài)單位投資比能源站2和4低很多，在投資回收期及項目資本金財務(wù)內(nèi)部收益率亦更優(yōu)。

4.2 靈敏度分析

明顯，天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合評價會隨時空的變化而變化。通過對其進行靈敏度分析，可以動態(tài)地掌握指標權(quán)重變化對結(jié)果的影響，從而為更高層面上的決策作出支持。分析得知，僅改變能質(zhì)性、環(huán)境性和可靠性指標權(quán)重，對評價的最終結(jié)果排序結(jié)果并無明顯改變。而當能效性指標權(quán)重大于0.4698時（圖4），最終結(jié)果能源站2將優(yōu)于能源站1，此指標權(quán)重越大，程度越明顯。

進行靈敏度分析，指標權(quán)重越大，說明指標的變化對綜合評價結(jié)果的影響越大，因此在進行二級指標計算或者賦值時得尤其謹慎[5]。提高經(jīng)濟性指標權(quán)重，結(jié)果中能源站1和3優(yōu)于能源站2和4的程度更大。因此現(xiàn)階段天然氣分布式能源投資、建設(shè)、運營及維保等多方面，尤其要注重提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。

4.3 分析與建議

天然氣分布式在我國建設(shè)和運行經(jīng)驗均不夠成熟。通過系統(tǒng)綜合評價，明確經(jīng)濟性指標是最重要的方面，其次為能效性指標，結(jié)合實際生產(chǎn)運營經(jīng)驗，提出以下建議。

在項目前期工作中對冷熱負荷的測算至關(guān)重要，直接影響到裝機規(guī)模的大小以及設(shè)備的選型，應(yīng)貫徹以“冷（熱）定電、欠匹配”的原則，并合理確定調(diào)峰方式（燃氣鍋爐、熱泵、電制冷/蓄冷、直燃機等），以實現(xiàn)能源梯級利用及綜合能源利用效率最大化。

目前國內(nèi)天然氣價格持續(xù)上漲成為影響經(jīng)營成本居高不下的關(guān)鍵因素，作為生產(chǎn)運營主要成本的天然氣價格在決定企業(yè)盈利能力方面起到重要作用，如果燃氣單價在合理的范圍內(nèi)，則發(fā)電成本將為營業(yè)利潤提供較好的支持。建議建立LNG與管道天然氣雙氣源供應(yīng)，可提高生產(chǎn)期燃料的安全性和經(jīng)濟性。

國家鼓勵發(fā)展天然氣分布式能源的配套政策文件一直沒有落實，造成地方行政審批及驗收手續(xù)與電力行業(yè)有較大差異；天然氣價格較高，地方政府無力承擔(dān)更多的二次能源價格補貼，電價無法疏導(dǎo)和消納，其他冷熱能源價格優(yōu)勢不明顯甚至沒有價格優(yōu)勢，建設(shè)區(qū)域分布式能源仍然面臨著較大的困難。相關(guān)部門要推動國家出臺具體的扶持政策。

5 結(jié)語

隨著“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念在“十三五”時期落地，以及國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃的推進，環(huán)保政策及能源體制改革的紅利將集中釋放，推進天然氣在分布式能源的大規(guī)模應(yīng)用勢在必行。天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合評價顯得尤為重要，利用yaahp軟件進行層次分析操作簡便，模型清晰，結(jié)論客觀可靠。但因缺乏相應(yīng)指標數(shù)據(jù)略有不足，今后研究應(yīng)從指標層的深度與寬度上進一步發(fā)掘，為天然氣分布式能源發(fā)展提供更多技術(shù)支持。

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