本發明涉及一種綜合評價方法，尤其是涉及一種用于天然氣冷熱電聯供系統的綜合評價方法。
背景技術：
：隨著人們對環境保護意識的增強，作為清潔能源的天然氣資源越來越得到能源產業的青睞。天然氣冷熱電聯供(CombinedCoolingHeatingandPower，CCHP)是國內近年來興起的利用燃機設備向用戶提供能源供應的新的能源利用模式。與傳統的發電系統和能源供應系統相比，天然氣冷熱電聯供系統更加接近用戶端，不需要建設大電網進行遠距離高壓或者超高壓輸電，可大大減少線損，節省輸配電建設投資費用。從目前的研究現狀來看，對天然氣冷熱電聯供系統的主要還是把經濟性作為考慮的因素，很少有學者能夠對評價指標體系做多方面的綜合考慮。另外，在評價指標體系的不同指標的權重和評價矩陣的確定方法上，目前普遍是經驗公式或者專家評投票打分方法，存在主觀性較強、客觀性差的缺陷，欠缺科學合理性。技術實現要素：本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用于天然氣冷熱電聯供系統的綜合評價方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種用于天然氣冷熱電聯供系統的綜合評價方法，用于對多個天然氣冷熱電聯供系統方案進行綜合評價，該方法包括如下步驟：(1)建立分層評價模型，包括總目標層、一層指標層和二層指標層，所述的總目標層為待評價的系統方案的總目標，所述的一層指標層為與總目標對應的多個一層指標，每個一層指標對應包括一組二層指標，所有二層指標組成二層指標層；(2)確定一層指標權重矩陣以及每組二層指標的二層指標權重矩陣；(3)獲取待評價的系統方案中各二層指標的指標值，根據模糊法確定每組二層指標對應的二層指標評價矩陣；(4)根據每組二層指標權重矩陣和與之對應的二層指標評價矩陣得到一級模糊綜合評判集，進而得到一層指標評價矩陣；(5)根據一層指標權重矩陣和一層指標評價矩陣求取二級模糊綜合評判集，二級模糊綜合評判集中為待評價的系統方案的綜合評價值。選取二級模糊綜合評判集中綜合評價值最高的待評價的系統方案并確定為最優方案。步驟(2)具體為：(201)分別對一層指標和每組二層指標采用1～5標度方法構建一層權重判斷矩陣和二層權重判斷矩陣；(202)根據一層權重判斷矩陣求取一層權重矩陣W＝[ω1ω2…ωn]，矩陣W中元素記作ωi，ωi表示第i個一層指標對總目標的權重，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數；(203)分別根據第i個一層指標對應的二層權重判斷矩陣求取第i個一層指標下的二層指標的權重矩陣Wi＝[ωi1ωi2…ωim]，矩陣Wi中的元素記作ωij，ωij表示第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數。步驟(3)具體為：對于第i個一層指標，對比各待評價的系統方案中第i個一層指標下的m個二層指標，采用半梯形隸屬度函數建立第i個一層指標對應的二層指標評價矩陣Ri：Ri=Ri1Ri2...Rim=ri11ri12...ri1pri21ri22...ri2p......rim1rim2...rimp;]]>矩陣中的元素記作rijk，rijk表示第k個待評價的系統方案中i個一層指標下的第j個二層指標的隸屬度值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數。步驟(4)具體為：(401)根據下式計算第i個一層指標的一級模糊綜合評判集Bi：Bi＝Wi·Ri＝[bi1bi2…bip]；其中，Wi為第i個一層指標下的二層指標的權重矩陣，Wi為m維行向量，Wi中第j個元素記作ωij，ωij表示第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，Ri為第i個一層指標對應的二層指標評價矩陣，Ri為m×p維向量，其中第j行第p列元素記作rijk，rijk表示第k個待評價的系統方案中i個一層指標下的第j個二層指標的隸屬度值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數；矩陣Bi中的元素記作bik，bik表示第k個待評價的系統方案中第i個一級指標的一級指標評價值，具體地：bik=Σj=1m(ωijrijk);]]>(402)獲取一層指標評價矩陣R：R＝[B1B2…Bn]T。步驟(5)具體為：根據下式計算二級模糊綜合評判集B：B＝W·R＝[b1b2…bp]，其中，W為一層權重矩陣，W為n維行向量，矩陣W中第i個元素記作ωi，ωi表示第i個一層指標對總目標的權重，R為一層指標評價矩陣，R為n×p維矩陣，矩陣R中第i行第p個元素記作bik表示第k個待評價的系統方案中第i個一層指標的一級指標評價值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數；進而，矩陣B中的元素記作bk，bk表示第k個待評價的系統方案的綜合評價值，具體地：bk=Σi=1n(ωibik).]]>與現有技術相比，本發明具有如下優點：(1)本方法建立分層評價模型并采用層次分析法確定各層的權重矩陣，另外通過模糊法確定評價矩陣，將待評價的天然氣冷熱電聯供系統進行分層評價，最后獲取綜合評價值，評價過程客觀可靠，評價結果可信度高，實現了多個待評價的天然氣冷熱電聯供系統的最優選取；(2)本發明建立的分層評價模型可以根據需要設定多個一層指標，同時在每個一層指標下設定若干二層指標，實現對天然氣冷熱電聯供系統的全面評價，評價結果更具有參考意義；(3)本發明采用1～5標度方法進行權重矩陣的判定，簡單易學，實用性強，同時客觀性強，更加科學合理。附圖說明圖1為本發明用于天然氣冷熱電聯供系統的綜合評價方法的流程框圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例如圖1所示，一種用于天然氣冷熱電聯供系統的綜合評價方法，用于對多個天然氣冷熱電聯供系統方案進行綜合評價并確定最優方案，該方法包括如下步驟：步驟1：建立分層評價模型，包括總目標層、一層指標層和二層指標層，所述的總目標層為待評價的系統方案的總目標，所述的一層指標層為與總目標對應的多個一層指標，每個一層指標對應包括一組二層指標，所有二層指標組成二層指標層；本實施例綜合考慮經濟性、環保性、節能性、技術先進性、可靠性和安全性等六個方面作為天然氣冷熱電聯供(CCHP)系統綜合評價總指標的一級指標，然后針對各個第一層指標外延出相對應的第二層次指標。如表1所示，為本實施例建立的CCHP系統分層評價模型。在具體應用過程中，該指標體系可以根據冷熱電聯供能源站的實際情況進行增刪指標。步驟2：確定一層指標權重矩陣以及每組二層指標的權重矩陣。步驟2具體為：(201)分別對一層指標和每組二層指標采用1～5標度方法構建一層權重判斷矩陣和二層權重判斷矩陣；(202)根據一層權重判斷矩陣求取一層權重矩陣W＝[ω1ω2…ωn]，矩陣W中元素記作ωi，ωi表示第i個一層指標對總目標的權重，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數；(203)分別根據第i個一層指標對應的二層權重判斷矩陣求取第i個一層指標下的二層指標的權重矩陣Wi＝[ωi1ωi2…ωim]，矩陣Wi中的元素記作ωij，ωij表示第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數。表1CCHP系統分層評價模型具體地：利用1～5標度方法來構造判斷矩陣，重復進行兩兩比較的任務：兩個元素對上層指標哪個重要，重要多少，需要對重要程度進行1～5之間的賦值，這個過程即為比例標度。將1～5代表的含義羅列如表2所示。表21～5標度代表的含義標度值aij(相對重要程度)定義含義1同樣重要指標i和j同樣重要2稍微重要指標i比j稍微重要3比較重要指標i比j重要4相當重要指標i比j相當重要5絕對重要指標i比j絕對重要應用1～5標度方法對CCHP指標體系各層次指標進行兩兩之間的比較，進行構造出權重判斷矩陣，如公式(1)：A＝(aij)n×n(1)針對構造好的權重判斷矩陣，然后求出判斷矩陣的最大特征根和與之對應的特征向量，即是評價指標的重要性權重排序。求解權重判斷矩陣的特征根與特征向量的方法可采用跟方法進行計算，矩陣A的最大特征根和特征向量的步驟如下：首先求出權重判斷矩陣的每一行元素的乘積，再進行求n次方根，如公式(2)：ωi~=Πj=1naijn---(2)]]>其中：i,j＝1,2,…,n。將進行歸一化處理，得到ωi，如公式(3)：ωi=ωi~Σi=1nωi~---(3)]]>其中：i＝1,2,…,n。據此所得到的結果W＝[ω1ω2…ωn]即為所求得的特征向量(權重向量)，計算判斷矩陣最大特征根的方法如公式(4)：λ=1nΣi=1nAiWTωi---(4)]]>式中Ai表示矩陣A的第i行向量。為了檢驗各元素重要度之間的協調一致性，避免出現“A比B重要，B比C重要，而C又比A重要”這樣的矛盾情況出現，則需要對判斷矩陣A進行一致性檢驗。作為矩陣A的一致性判斷指標，可用公式(5)進行判斷：CI=λ-nn-1---(5)]]>表3平均隨機一致性指標階數RI階數RI1061.242071.3230.5881.4140.991.4551.12如表3所示，為判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI。判斷矩陣的一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI之比，如公式(6)，稱之為一致性比率：CR=CIRI---(6)]]>如果CR≤0.1，則認為權重判斷矩陣A具有一致性，可作為決定評判指標的判斷矩陣，否則需要進行判斷矩陣的檢查與調整，直到滿足一致性要求為止。通過前面詳細闡述，設CCHP系統的評價指標體系集U＝{u1,u2,u3,u4,u5,u6}，其中ui(i＝1,2,…,6)是第i個一層指標。本方法建立了兩層評價模型，其中ui又包括其外延出的m個二層指標，即ui＝{ui1,ui2,…,uim}。如表1所示，二層指標uij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,…,m)即為第i個一層指標的第j個二層指標。利用1～5標度方法和層次分析法，確定了各指標對上層指標的權重值。第一層次的指標權重如公式(7)所示：W＝[ω1ω2…ωn](7)矩陣W中元素記作ωi，ωi表示第i個一層指標對總目標的權重，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，該實施例中n＝6；分別根據第i個一層指標對應的每組二層指標判斷矩陣求取每組指標的二層指標權重矩陣如式(8)所示：Wi＝[ωi1ωi2…ωim](8)矩陣Wi中的元素記作ωij，ωij表示第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數。步驟3：獲取待評價的系統方案中各二層指標的指標值，根據模糊法確定每組二層指標對應的二層指標評價矩陣。步驟3具體為：對于第i個一層指標，對比各待評價的系統方案中第i個一層指標下的m個二層指標，采用半梯形隸屬度函數建立第i個一層指標對應的二層指標評價矩陣Ri：Ri=Ri1Ri2...Rim=ri11ri12...ri1pri21ri22...ri2p......rim1rim2...rimp---(9)]]>矩陣中的元素記作rijk，rijk表示第k個待評價的系統方案中i個一層指標下的第j個二層指標的隸屬度值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數。一級指標的評價矩陣的確定需要對原始數據進行隸屬函數處理，隸屬度函數的選擇與建立是在CCHP系統評價過程中的一個關鍵步驟。對于CCHP系統，本方法選取半梯形隸屬函數進行構造評判矩陣，根據指標體系中各指標的數據特點，分別選擇偏大和偏小型兩種隸屬函數：繼保動作正確率、維護方便性、故障排查及時性、余熱回收率、能源利用率等指標都屬于數值越大則系統越優，所以選擇偏大型隸屬函數；NOX排放、CO排放、年能耗費用、噪聲等指標都屬于數值越小則系統越優，所以選擇偏小型隸屬函數。然后計算出相應的隸屬度，組成CCHP系統評判矩陣Ri。步驟4：根據每組二層指標權重矩陣和與之對應的二層指標評價矩陣得到一級模糊綜合評判集，進而得到一層指標評價矩陣。步驟4具體為：(401)根據下式計算第i個一層指標的一級模糊綜合評判集Bi：Bi＝Wi·Ri＝[bi1bi2…bip](10)其中，Wi為第i個一層指標下的二層指標的權重矩陣，Wi為m維行向量，Wi中第j個元素記作ωij，ωij表示第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，Ri為第i個一層指標對應的二層指標評價矩陣，Ri為m×p維向量，其中第j行第p列元素記作rijk，rijk表示第k個待評價的系統方案中i個一層指標下的第j個二層指標的隸屬度值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，j＝1,2……m，m為第i個一層指標下的二層指標的個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數；矩陣Bi中的元素記作bik，bik表示第k個待評價的系統方案中第i個一級指標的一級指標評價值，具體地：bik=Σj=1m(ωijrijk)---(11)]]>(402)獲取一層指標評價矩陣R：R＝[B1B2…Bn]T(12)矩陣Wi通過步驟2中方法計算得到，矩陣Ri通過步驟3中方法獲得。步驟5：根據一層指標權重矩陣和一層指標評價矩陣求取待評價的系統方案的二級模糊綜合評判集，二級模糊綜合評判集中為待評價的系統方案的綜合評價值。步驟5具體為：根據下式計算二級模糊綜合評判集B：B＝W·R＝[b1b2…bp](13)其中，W為一層權重矩陣，W為n維行向量，矩陣W中第i個元素記作ωi，ωi表示第i個一層指標對總目標的權重，R為一層指標評價矩陣，R為n×p維矩陣，矩陣R中第i行第p個元素記作bik表示第k個待評價的系統方案中第i個一層指標的一級指標評價值，i＝1,2……n，n為一層指標的總個數，k＝1,2……p，p為待評價的系統方案的總個數；進而，矩陣B中的元素記作bk，bk表示第k個待評價的系統方案的綜合評價值，具體地：bk=Σi=1n(ωibik)---(14)]]>最后，根據矩陣B中的元素bk獲取最大值，該最大值對應的待評價的系統方案的為最優方案。本實施例中，根據步驟2中權重的確定方法，首先求出表1所示的CCHP指標體系中的各個指標的權重值。首先通過專家評審小組，利用1～5標度方法確定權重判斷矩陣，得出綜合權重判斷矩陣如公式(15)所示：根據公式(2)和(3)，得出一層權重矩陣如公式(16)所示：W＝[0.1830.0960.1070.0630.1210.43](16)由公式(4)求得A的最大特征根為：λ=16Σi=16AiWTωi=6.177---(17)]]>由公式(5)求得：CI=λ-66-1=0.0354---(18)]]>則由公式(6)求得一致性比率：CR=CIRI=0.0285<0.1---(19)]]>則權重判斷矩陣A滿足一致性要求。同理，可求出第i個一層指標下第j個二層指標對第i個一層指標的權重，如表4所示，則二層指標權重矩陣如公式(20)所示：表4CCHP系統各二層指標權重二層指標權重值二層指標權重值初投資u110.327繼保動作正確率u410.305投資回收期u120.188熱工保護投入率u420.305凈現值u130.188噪聲特性u430.109總費用年值u140.099維護方便性u440.109年維護費用u150.099社會使用壽命u450.109年能耗費用u160.099自動化程度u460.062余熱回收率u210.455冗余設計u510.082NOX排放u220.263繼保動作正確率u520.148CO排放u230.141防腐性u530.082CO2排放u240.141故障診斷準確性u540.148一次能源利用率u310.167故障排查及時性u550.27制冷(熱)效率u320.167運行穩定性u560.27發電效率u330.167風險性u610.334余熱回收率u340.167停機迅速u620.334發電綜合耗水率u350.166防腐性u630.111年能耗費用u360.166防雷抗震性u640.111運行暴露性u650.111W1=0.3270.1880.1880.0990.0990.099W2=0.4550.2630.1410.141W3=0.1670.1670.1670.1670.1660.166W4=0.3050.3050.1090.1090.1090.062W5=0.0820.1480.0820.1480.270.27W6=0.3440.3440.1110.1110.111---(20)]]>本實施例以上海某冷熱電聯供能源站為例，對本發明提出的方法進行實例分析。該能源站主要為周邊工業園區進行冷熱電能源供應，能源站建設初期需要確定能源供應方式，公司前期主要給出了三種方案。分別是：(1)燃氣-蒸汽聯合循環供能系統(燃氣輪機+蒸汽輪機+余熱鍋爐+輔助鍋爐+吸收式制冷機等)：天然氣進入燃氣輪機，在燃燒室中進行燃燒，產生的高溫煙氣進入透平做功，帶動發電機組進行發電。透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產生的高溫高壓蒸汽又帶動蒸汽輪機進行做功，然后由發電機產生電能。從蒸汽輪機中抽取低溫低壓蒸汽，一部分用來進行熱交換，為用戶提供熱能；另一部分由吸收式制冷機組利用，產生冷負荷以滿足用戶需求。生產的電力可以上網也可以并網。(2)天然氣CCHP供能系統(燃氣輪機+余熱補燃吸收式制冷機+余熱鍋爐等)：天然氣進入燃氣輪機，在燃燒室中進行燃燒，產生的高溫煙氣進入透平做功，帶動發電機組進行發電。透平排氣則被余熱鍋爐充分利用，產生的蒸汽一部分用來進行熱交換，為用戶提供熱能；另一部分由吸收式制冷機組利用，產生冷負荷以滿足用戶需求。生產的電力可以上網也可以并網。(3)冷熱電分供系統：該方案不需要天然氣發電，用戶所需電力直接由電網端供應，工業園區的供熱與供冷均由燃氣鍋爐和吸收式制冷機組供應。該能源公司對三種方案的各個指標進行了仿真預判，依照本發明提出的評價模型，選取CCHP系統評價需要的各種指標，具體參數如表5所示。表5CCHP系統評價指標參數(1)表5CCHP系統評價指標參數(2)表中：初投資、總費用年值、凈現值、維護總費用和年能耗費用的單位為：元；投資回收期和使用壽命的單位為：年；氮氧化物、CO和CO2排放的單位均為：g/kWh；噪聲的單位為：dB；風險性、防腐性和停機迅速等均為公司內部計算的指標。符號“↗”表示該指標參數值越大越好，符號“↘”表示該指標參數值越小越好。根據上述評價方法，采用半梯形隸屬度函數，依照表5提供的二層指標的指標參數，求出評價矩陣。如投資回收期u12指標越小越好，則選擇偏小型隸屬度函數，即：R122=6.8-6.56.8-5.0=0.167,]]>從而則得出：R1=R11R12R13R14R15R16=00.434110.1670100.010.41010.29010.6101---(21)]]>從而，由公式(10)得出：B1＝W1·R1＝[0.50570.17330.6259](22)可以看出，從經濟性指標u1單方面來看，方案3略優于方案1。同理可以依次求出B2、B3、B4、B5和B6。根據公式(12)得出一層評價矩陣R為：R=B1B2B3B4B5B6=0.50570.17330.62590.85460.592100.97110.47480.33300.78100.85880.82800.58200.58200.75700.66700.66700.5560---(23)]]>于是根據公式(13)得出二級模糊綜合評判集B：B＝W·R＝[b1b2b3]＝[0.68490.55070.5330](24)根據二級模糊綜合評判集B可看出：方案一優于方案二，方案二優于方案三。單獨從經濟性或者可靠性指標來看，冷熱電分供系統的指標最高，性能最優；單獨從環保性或者節能性來看，燃氣-蒸汽聯合循環供能系統性能最優；方案二在技術先進性和安全性上表現最好。但評價結果需要綜合所有指標，從最終結果來看，燃氣-蒸汽聯合循環供能系統的綜合指標值最高，故該冷熱電聯供能源站應選擇方案一進行建設。在此需要聲明的是，一級模糊綜合評判的結果和最終二級模糊綜合評判結果中的數值，不具有實際意義，數值大小只是為了比較并得出待評價對象集中綜合指標最高的對象。如一級模糊綜合評判的環保性結果B2顯示出方案三的評價結果是0，但這并不說明方案三不環保，天然氣發電相比于其他燃燒燃煤進行火力發電的系統依然是環保性更好，評價結果0只是表明在待評價的這三種CCHP供能方式中，方案一和方案二遠優于方案三。當前第1頁1 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