秦鋒，徐立昊，秦亞迪，付忠廣

1.中海石油氣電集團有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心；2.中國海油能源經(jīng)濟研究院；3.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

0 引言

根據(jù)《中國天然氣發(fā)展報告（2021）》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年中國天然氣消費為3 280×108m3，同比增長6.9%［1］，IEA（國際能源署）預(yù)測2025年中國天然氣消費將超過4 500×108m3，成為天然氣消費大國［2］。陸家亮等［3］分析國產(chǎn)天然氣產(chǎn)量 2025年達到2 100×108～2 450×108m3，國產(chǎn)天然氣可長期滿足民生、公服及關(guān)鍵工業(yè)用氣的“底線需求”。在“低碳”發(fā)展目標下，朱興珊等［4］認為天然氣發(fā)電應(yīng)作為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中的主力調(diào)峰電源。李富春等［5］對天然氣發(fā)電與新能源融合發(fā)展技術(shù)做了深入研究。王世宏等［6-7］認為鑒于天然氣具備清潔、高效、低碳的優(yōu)勢，應(yīng)在“十四五”期間大力發(fā)展天然氣發(fā)電。為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，近年來國內(nèi)燃氣電廠裝機容量增長迅速［8-9］。目前已投產(chǎn)的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠大多采用F級燃氣輪機機組，產(chǎn)品多來自美國通用電氣公司（簡稱GE）、德國西門子股份公司（簡稱西門子）和日本三菱集團（簡稱三菱）［10-11］。

電廠對標管理工作的目的是找出機組之間的差距并通過有效的措施加以改進，使機組更加安全高效地運行［12-13］，但如何綜合評價不同品牌、不同級別的燃氣發(fā)電機組是氣電企業(yè)對標管理工作的一大難點。有學者通過組合權(quán)重［14］、模糊評判［15-17］、主成分分析［18-19］等方法建立了火電機組的綜合評判模型，可再生能源發(fā)電機組如風電、水電的綜合評價也得到了相應(yīng)研究［20-21］，但針對燃氣電廠的經(jīng)濟性、安全性及可靠性的評價方法及評價體系的研究較少。為促進燃氣電廠挖潛增效、節(jié)能降耗、機組優(yōu)化運行工作，迫切需要建立一套適于燃氣電廠的綜合評價體系。

本文擬研究制定一套可以實現(xiàn)不同機組橫向?qū)Ρ鹊娜細怆姀S綜合評價方法。通過建立燃氣電廠綜合評價指標體系，采用信息熵-主成分分析模型［22］，以多項指標（環(huán)保、安全、生產(chǎn)運營、設(shè)備管理等）數(shù)據(jù)為評價依據(jù)，進行燃氣電廠綜合評價分析，驗證綜合評價方法的有效性，并給出相關(guān)建議。

1 綜合評價指標體系構(gòu)建

1.1 指標體系建立的原則

燃氣電廠綜合評價指標體系是對標管理電廠綜合評估的基礎(chǔ)，指標體系的建立必須遵循一定的原則，以真實準確反映燃氣電廠管理運行、挖潛增效、節(jié)能優(yōu)化的目標構(gòu)建。

一是一致性原則，即評價指標在分析上與評價體系一致，評價指標體系在設(shè)計上與評價目標一致。二是系統(tǒng)性原則，即應(yīng)以實現(xiàn)整體綜合評價功能大于各項指標描述為前提。三是獨立性原則，即同層次的指標應(yīng)盡量避免交叉和互相包含。四是可操作性原則，即所確立的指標實際值應(yīng)容易獲取。五是真實性原則，即數(shù)據(jù)的采集和測算要以真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

1.2 評價指標體系構(gòu)建

電廠關(guān)鍵運行參數(shù)及指標眾多，指標之間還可能存在相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。對燃氣電廠進行綜合評價時選取的指標應(yīng)能體現(xiàn)電廠核心競爭力，并體現(xiàn)綜合評價的全面性、有效性。在充分調(diào)研某集團各燃氣電廠對標管理指標，以及借鑒全國燃氣機組技術(shù)交流協(xié)作會對電廠的對標評比工作基礎(chǔ)上，擬定了該集團燃氣發(fā)電業(yè)務(wù)對標體系的指標范圍、名稱、定義以及計算方法，即從安全環(huán)保、可靠性、設(shè)備管理、技術(shù)經(jīng)濟、主要運行5方面建立二級指標，同時5個二級指標又細分為多個三級指標，從而構(gòu)建了燃氣電廠對標管理綜合評價指標體系。

安全環(huán)保指標：安全環(huán)保指標反映電廠在安全管理、噪聲控制、大氣污染物控制、污水處理等方面的運行水平，作為評價燃氣電廠安全系數(shù)與環(huán)保標準的體系指標。

可靠性指標：燃氣電廠可靠性指標反映電廠運營現(xiàn)狀及綜合運營能力，高標準的可靠性是電廠在市場競爭中獲勝的主要因素。

設(shè)備管理指標：設(shè)備管理指標是設(shè)備管理的科學化、標準化的依據(jù)，促進提高設(shè)備管理現(xiàn)代化水平和設(shè)備管理效益。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。

技術(shù)經(jīng)濟指標：主要技術(shù)經(jīng)濟指標包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)指標和運營環(huán)節(jié)指標，直接關(guān)系到電廠的生存與發(fā)展。

主要運行指標：主要運行指標代表了電廠安全生產(chǎn)運行、節(jié)能降耗管理水平，指標大小直接關(guān)系到電廠運行優(yōu)化狀況和經(jīng)濟效益。

各指標域下包含的子指標如表1所示。

表1 燃氣電廠對標管理綜合評價指標體系

2 綜合評價應(yīng)用

2.1 綜合評價模型

熵是熱力學中微觀狀態(tài)多樣性或者均勻性的一種度量，表征系統(tǒng)的無序程度。在信息論中，信息源可視為一組隨機事件的集合，其不確定度與熱力學中微觀態(tài)的無序程度類似。1948年，香農(nóng)將熱力學熵的概念引申到信道通信過程中，并創(chuàng)立了“信息論”這門學科。信息熵表示信息的不確定度，信息熵越大，表明信息的不確定度越高，信息的貢獻越??；信息熵越小，則表明信息的不確定度越低，信息的貢獻越大。本文參考齊敏芳等［22］開發(fā)的基于信息熵與主成分分析的燃煤發(fā)電機組評價模型，將該模型應(yīng)用于本次燃氣電廠綜合評價。

主成分分析是一種多元統(tǒng)計分析方法。該方法通過構(gòu)造原變量的一系列線性組合形成新變量，使這些新變量在彼此互不相關(guān)的前提下盡可能多地反映原變量的信息。數(shù)據(jù)信息主要反映在數(shù)據(jù)變量的方差上，方差越大，包含信息越多，通常用累計方差貢獻率來衡量。主成分分析綜合評價法是從原始數(shù)據(jù)所給定的信息直接確定權(quán)重，進而進行評價的方法。在進行主成分分析時，所取權(quán)重直接為對應(yīng)主成分的方差貢獻率，某個主成分在綜合評價時所能反映的信息越多，相應(yīng)的權(quán)重也就越大。

將主成分分析用于燃氣電廠綜合評價時，首先需基于指標體系建立二級指標下不同機組的三級指標矩陣；根據(jù)專業(yè)知識與機理分析將指標定義為正類或者負類屬性指標并進行規(guī)范化，形成二級指標決策矩陣；然后基于決策矩陣計算指標熵值及信息偏差度，從而根據(jù)信息偏差度確定指標權(quán)重；根據(jù)指標權(quán)重及決策矩陣可以計算二級指標評價值；最后，對二級指標評價值進行主成分分析，得到機組的綜合評價值，綜合評價值排序即代表機組對標評比的排名。

2.2 被評價燃氣發(fā)電機組基本信息

本文選取了某集團下屬5家電廠的15套燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其中E級機組4套，F(xiàn)級機組11套，進行綜合評價（見表2）。

表2 綜合評價燃氣發(fā)電機組基本信息

2.3 指標數(shù)據(jù)

以2017年4月份指標數(shù)據(jù)為例進行綜合評價計算。各項指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表 3～表7所示。指標屬性為負的值越小電廠越優(yōu)，正屬性指標反之。

表3 安全環(huán)保指標

表4 可靠性指標

表5 設(shè)備管理指標

表6 技術(shù)經(jīng)濟指標

表7 主要運行指標

2.4 綜合評價結(jié)果及分析

權(quán)重值表示在評價過程中，對被評價對象的不同指標的重要程度進行定量分配，權(quán)重越大，則該指標對二級指標的影響越大，對電廠評價的貢獻越大。

根據(jù)信息熵-主成分分析模型對指標體系中各指標進行權(quán)值計算，權(quán)值結(jié)果如表8所示，綜合評價結(jié)果如表9所示。

表8 綜合評價指標權(quán)值匯總

表9 綜合評價排名匯總

2.4.1 信息熵二級指標結(jié)果分析

由安全環(huán)保指標來看，評價排名為電廠1（二期）、電廠1（三期）、電廠4、電廠5、電廠3、電廠2。通過指標權(quán)重值可知，除廠界噪聲（夜間）權(quán)重值較小外，其他指標權(quán)重值均較大，設(shè)備噪聲最大值權(quán)重值最大，說明該指標在安全環(huán)保指標評價中的貢獻較大。通過指標數(shù)據(jù)可知，電廠 1（二期）設(shè)備噪聲最大值雖然不是最低，但其氮氧化物濃度及廠界噪聲（日間）指標表現(xiàn)均為優(yōu)異，故其在安全環(huán)保指標評價中排名第一。電廠4設(shè)備噪聲最大值最低，但廠界噪聲（日間及夜間）值不及電廠1（二期）、電廠1（三期），故排名第三。電廠5雖然污水排放量為零，但其他指標值處于中下等級，排名在中位，說明一個指標處于最優(yōu)或與其他電廠指標數(shù)量級相差很大，并不會對最終評價結(jié)果產(chǎn)生決定性作用。

從可靠性指標分析，由指標權(quán)重值可知機組等效可用系數(shù)及發(fā)電利用小時數(shù)權(quán)重值最大，發(fā)電計劃完成率及計劃停運小時數(shù)權(quán)較大。電廠 1（三期）雖然發(fā)電計劃完成率、發(fā)電利用小時及計劃停運行小時數(shù)數(shù)不是最好的，但其他指標均為最優(yōu)，因此排名第一。電廠3雖然等效可用系數(shù)及年利用小時數(shù)不是最優(yōu)，但其他指標均為最優(yōu)，故排名第二。電廠5發(fā)電計劃完成率、機組等效可用系數(shù)、發(fā)電利用小時數(shù)均最差，故其可靠性指標排名最差。

從設(shè)備管理指標分析，由權(quán)重值結(jié)果可知備件庫存資金周轉(zhuǎn)率權(quán)重值最大，維修材料消耗費用次之，維修人員比例、庫存維修材料權(quán)重隨后。電廠 1（三期）、電廠 1（二期）備件庫存資金周轉(zhuǎn)率指標值最優(yōu)，與其他電廠數(shù)量級相差較大，電廠 1（三期）因關(guān)鍵設(shè)備臺時率優(yōu)于電廠 1（二期），因此以較弱優(yōu)勢排名第一，電廠1（二期）排名第二。電廠5備件庫存資金周轉(zhuǎn)率指標值較差，其他指標也并不樂觀，如設(shè)備消缺及時率、設(shè)備消缺率，尤其是庫存維修材料指標值最差，與其他電廠相差數(shù)量級很大，其設(shè)備管理指標排名最差。

從技術(shù)經(jīng)濟指標分析，由權(quán)重值結(jié)果可知，發(fā)電量的權(quán)重值最大，其對評價結(jié)果的貢獻最大，負荷率權(quán)重值次之，發(fā)電標煤耗權(quán)重值第三，是電廠經(jīng)濟性最重要的3個指標。由各電廠指標值可知，電廠1（三期）負荷率雖然不是最優(yōu)，但是其發(fā)電量大，氣耗率低，且其他指標值也位于優(yōu)先行列，故其技術(shù)經(jīng)濟指標最優(yōu)。電廠1（二期）相對于電廠1（三期）技術(shù)經(jīng)濟指標次之，排名第二。而電廠2平均負荷、負荷率、單位產(chǎn)量生產(chǎn)運營成本、發(fā)電氣耗率及發(fā)電廠用電率均為最差值，且其他指標數(shù)值也不樂觀，技術(shù)經(jīng)濟指標最差。通過對電廠機組情況的調(diào)查分析可知，電廠5雖為F級機組，但由于機組專門用于調(diào)峰，其運行工況受電網(wǎng)調(diào)動影響頗大，位居第四。電廠2和電廠3為E級燃氣輪機，由于燃燒室燃燒溫度較低，發(fā)電氣耗明顯較高，進而單位產(chǎn)量生產(chǎn)運營成本高，在技術(shù)經(jīng)濟性上本身存在相對劣勢。

從主要運行指標分析，汽水品質(zhì)合格率、油氣品質(zhì)合格率指標值相差不大，評價結(jié)果基本由其他指標決定。由指標值權(quán)重值可知，除鹽水產(chǎn)水率的權(quán)重值最大，發(fā)電耗淡水率權(quán)重值次之，補水率權(quán)重值第三。電廠4除鹽水產(chǎn)率最高，補水率、發(fā)電耗淡水率指標值均最優(yōu)或者次優(yōu)，且其他指標值均較好，故其主要運行指標最優(yōu)。電廠5各項指標僅稍次于電廠4，故其主要運行指標排名第二。電廠 1（二期）和電廠 1（三期）因發(fā)電耗淡水率遠高于其他電廠，排名最差。

2.4.2 主成分一級指標結(jié)果分析

由主成分計算結(jié)果可知，電廠綜合評價排名為電廠1（三期）、電廠1（二期）、電廠4、電廠3、電廠5、電廠2。通過評價結(jié)果可知，電廠1（二期）、電廠 1（三期）雖然主要運行小指標的評價排名并不理想，但其設(shè)備可靠性指標、設(shè)備管理指標、技術(shù)經(jīng)濟指標的排名最優(yōu)，且這幾項指標在主成分分析過程中模型計算得到的權(quán)重較大，最終使得這兩套機組在綜合評價排名中位居前兩名。從電廠管理、運行及經(jīng)營之間的關(guān)系分析，設(shè)備管理指標較優(yōu)說明設(shè)備管理工作到位，設(shè)備管理工作直接影響設(shè)備運行狀況及可靠性，因此也會在機組可靠性指標方面有所體現(xiàn)，設(shè)備可靠性高為機組經(jīng)濟、良好運行創(chuàng)造條件，保證機組有能力按計劃完成各項經(jīng)營目標，實現(xiàn)較優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標，整個機組綜合評價處于優(yōu)秀水平。此外評價結(jié)果也與進行綜合評價的各電廠實際機組運行狀況、盈利情況相契合，從側(cè)面驗證了評價方法的科學性以及評價結(jié)果的合理性、客觀性。

2.4.3 綜合評價結(jié)果

從對標分析結(jié)果看，在安全環(huán)保工作方面電廠通常能夠很好地控制氮氧化物及污水等污染物排放，但往往忽視噪聲的控制；在可靠性工作方面，電廠應(yīng)做好機組的檢修計劃，提高機組等效可用系數(shù)，減少計劃停運小時數(shù)，以提高發(fā)電計劃完成率；在設(shè)備管理工作方面，發(fā)電集團下屬各個電廠如使用同一品牌及型號機組，可以考慮高價值零部件的聯(lián)合供備來減少備件庫存資金的占用；主要運行指標對標結(jié)果表明電廠應(yīng)采用技術(shù)先進的除鹽水生產(chǎn)設(shè)備，提高除鹽水產(chǎn)率是各項節(jié)水工作中相對更為重要的一項工作。

3 結(jié)論及建議

本文在分析燃氣電廠運行與管理方式的基礎(chǔ)上，從安全環(huán)保指標、可靠性指標、設(shè)備管理指標、技術(shù)經(jīng)濟指標和主要運行指標5個方面建立了燃氣電廠綜合評價指標體系，同時，從客觀賦權(quán)角度出發(fā)，以電廠指標數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系為基礎(chǔ)，采用信息熵-主成分分析綜合評價模型，進一步將理論算法與實際電廠相結(jié)合，驗證了綜合評價方法在不同品牌及不同級別燃氣發(fā)電機組上的適用性，結(jié)果表明本文建立的指標體系以及采用的綜合評價方法可以作為電廠對標管理工作的評價工具使用。

本文所述評價方法可以客觀計算二級指標下各三級指標的權(quán)重，權(quán)重大小反映了該三級指標對評價二級指標優(yōu)劣的重要性，同時也反映了該三級指標及對應(yīng)具體管理工作在電廠相應(yīng)分類管理工作中的重要程度，為電廠確定分類管理工作中各事項的優(yōu)先次序及工作重點提供了參考。

目前燃氣電廠綜合評價指標體系及評價方法僅在有限的范圍和時間內(nèi)進行了測試與驗證，還需在日后推廣應(yīng)用中進一步對指標體系及評價方法進行檢驗、優(yōu)化及完善（比如三級指標采用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法等），通過評價方法及計算模型的改進使評價結(jié)果更加客觀、公正。該方法已用于某集團部分燃氣電廠及生產(chǎn)部門的日常對標管理工作，并取得良好效果。該方法可推廣應(yīng)用于行業(yè)競賽及企業(yè)內(nèi)部管理中，客觀準確地評定燃氣電廠的優(yōu)勢與不足。電廠管理人員還可以根據(jù)自身電廠的管理特點及個性化需求，對評價指標進行調(diào)整，依據(jù)評價結(jié)果找到電廠管理工作的改進方向，切實提高電廠管理水平。