CN108053109A - 一种分布式能源发电机组能效评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式能源发电机组能效评估方法，包括：根据机组实际运行因素分析确立能效评估指标体系，指标分为一级指标和二级指标；根据相对重要性的比例标度原则确定判断矩阵；对判断矩阵向量进行归一化处理，利用层次分析法确定指标权重，检验判断矩阵一致性；建立一阶综合评判矩阵和二阶综合评判矩阵；利用模糊综合评判方法评估机组能效。本发明评估指标体系包含机组全部信息避免评估结果局限性，引入层次分析法和模糊综合评判方法准确、适用，满足电力企业对机组能效评估的需求，为机组运行中诊断及改进提供准确依据，有效提高企业效益。
Description
技术领域
本发明涉及能源效率与评估领域，更具体说，涉及一种分布式能源发电机组的能效评估 方法。
背景技术
目前全球能源问题日显突出，主要表现在化石能源将面临枯竭、单位产值能耗高且生态 环境污染严重、能源供应形势严峻等方面。资源短缺与环境恶化已成为实施可持续发展战略 急需解决的问题。大力发展新能源和分布式能源，是保证能源供应安全、促进经济可持续发 展、建设资源节约型和环境型社会的必然选择。分布式能源发电是清洁新型能源利用的最重 要途径，通过相关技术将天然气、水能、风能、太阳能、生物质能、地热能等清洁可再生能 源转化为电能的技术称为分布式能源发电技术。随着分布式能源技术的不断进步，替代煤炭 和石油的清洁可再生能源增长极其迅速，煤炭、石油在世界一次能源总需求中的份额持续下 降，新兴可再生能源的份额则处于不断上升的状态。全球常规化石能源消费的高峰期将出现 在2020年到2030年之间。到2030年，替代能源尤其是新能源和分布式能源不仅将成为 不可或缺的重要能源，而且也会是降低温室气体排放的重要举措。
一般地,将能源利用过程中发挥作用的与实际消耗的能源量之比称之为能效。能效评估是 指对能源消耗量及其用能系统效率等指标进行计算，并给出其所处的水平。对分布式能源发 电机组的能效进行全面、合理、客观的评估，可以了解机组整体以及各个环节的能源消耗状 况，促使电厂对机组能源利用率低的环节进行改造，从而提高能源利用率。能效评估不仅可 以提高电厂的能源利用率和经济效益，也对我们建立节能、低碳社会具有重大意义。
一般地,将能源利用过程中发挥作用的与实际消耗的能源量之比称之为能效。能效评估是 指对能源消耗量及其用能系统效率等指标进行计算，并给出其所处的水平。对分布式能源发 电机组的能效进行全面、合理、客观的评估，可以了解机组整体以及各个环节的能源消耗状 况，促使电厂对机组能源利用率低的环节进行改造，从而提高能源利用率。能效评估不仅可 以提高电厂的能源利用率和经济效益，也对我们建立节能、低碳社会具有重大意义。
目前，分布式能源发电机组能效的评估都是针对其中的一部分，具有一定的局限性，不 能有效地对机组的运行状态进行定量和定性相结合的分析，无法得到一个整体的机组运行状 态评估结果。因此，研究开发一种可以了解机组的运行状态和能源消耗情况，进而了解整个 电厂的能源消耗水平和电厂各个生产环节的能源消耗状况的评估方法势在必行。
发明内容
针对目前分布式能源发电机组效能评估的局限性的问题，本发明提供一种分布式能源发 电机组新的能效评估方法，构建了全面的机组能效评估的指标体系，各项指标权重通过层次 分析法来确定，最后用模糊综合评判方法评估风力发电机组的能效。
为实现上述目的，本发明提供一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于包括 以下五个步骤：
步骤1：根据发电机组运行因素，确定机组综合能效评估指标体系，指标分为一级指标 和二级指标；
步骤2：根据相对重要性的比例标度原则确定判断矩阵；
步骤3：对判断矩阵中向量指标进行归一化处理，利用层次分析法确定指标权重，并检 验判断矩阵的一致性；
步骤4：建立一阶综合评判矩阵和二阶综合评判矩阵；
步骤5：利用模糊综合评判方法评估机组能效。
所述步骤2确定判断矩阵方法为：对机组的能效评估指标内的指标进行两两比较，比较 的原则根据九分位比例标度，判断结果由若干个专家完成。
所述步骤3对判断矩阵中向量指标进行归一化处理和确定指标权重方法如下：
权重向量是先几何判断矩阵A的每一行向量，之后对其进行归一化处理，利用AHP法的 具体步骤为：
判断矩阵的最大特征根λmax和其相应的特征向量W的方根法计算步骤：
计算Mi的n次方根
对向量归一化，
式1中Mi为判断矩阵的每行元素的乘积；式3中w为指标权重，W为特征向量；式4中A为判断矩阵。
所述步骤3检验判断矩阵的一致性方法：
CI＝(λmax-n)/(n-1) (5)
λmax是判断矩阵的最大特征根；计算出的CI的值要与平均随机一致性指标RI的相应值 进行比较，引入一致性比率，公式为：
CR＝CI/RI (6)
当CR<0.1时，则判断矩阵具有满意的一致性。
所述步骤4一阶综合评判矩阵是根据二级评估指标相应的隶属度函数确定，二阶综合评 判矩阵根据一级评估指标权重和一阶模糊综合判断矩阵确定。
所述步骤5模糊综合评判指标C＝B·VT，机组能效评估等级V分别为优、良、中、差。
本发明通过层次分析法，尽可能地将人们的主观判断转化为客观的描述，逐步筛选出主 体性，以形式化的方式表达和处理人的主观判断。客观成分所占比重的合理程度直接影响其 正确与成功。判断矩阵的一致性在AHP方法中是很重要的，直接影响到指标之间的客观排序。 因此要对判断矩阵做一致性检验至关重要，通过一致性指标判断矩阵的一致性是否满意。
附图说明
图1分布式能源发电机组评估流程图；
图2风力发电机组能效评估指标体系结构图；
图3是燃烧气轮机发电机组评估指标体系结构图；
图4是光伏能源发电机组评估指标体系结构图。
具体实施方式
下面对本发明具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施中的附图，对 本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种风力发电机组能效评估方法采用的技术方案主要包括以下五个步骤：
步骤1：根据发电机组运行因素，确定机组综合能效评估指标体系，指标分为一级指标 和二级指标；
步骤2：根据相对重要性的比例标度原则确定判断矩阵；
步骤3：对判断矩阵中向量指标进行归一化处理，利用层次分析法确定指标权重，并检 验判断矩阵的一致性；
步骤4：建立一阶综合评判矩阵和二阶综合评判矩阵；
步骤5：利用模糊综合评判方法评估机组能效。
所述步骤1中风电机组能效评估指标体系性能指标包括一级指标和二级指标。每个一级 指标都被分成若干个相关的二级指标，根据需要和实际情况可将指标分成多级指标。一级指 标主要包括综合盈利、功率特性、设备的可靠性、设备的消耗以及风的特性。综合盈利的二 级指标包括容量系数、上网电价、上网容量、发电成本；功率特性二级指标包括风轮功率风 能利用系数、风电机组传动系统、发电机的效率、发电机组运行方式；设备可靠性二级指标 包括：计划停运系数、非用系数、强迫停运系数、可用系数、等效可用系数、强迫停运率、 非计划停运率、等效强迫停运率；设备消耗二级指标包括：叶轮消耗、传动系统、发电机、 调向系统、控制系统、液压系统；风特性二级指标包括：风频特性、风向特性、风湍流。
1)综合盈利指标是在对机组进行能效评估常被忽略的一项重要指标，其包含的上网电价、 电量和发电成本指标都直接或间接体现机组的效益性能。
2)风电机组的功率特性够体现一台机组性能的优劣，是评估风电机组性能指标体系中， 其所占的权重比较大。每年发电量的多少直接由功率特性决定。当实际功率曲线与设计的功 率曲线相同时，实际发电量就能达到预期值。由于风场的建立，不能完全使得实际的环境条 件和风况与机组理想运行的设计条件想吻合，导致发电机组实际与设计的功率曲线不同，影 响机组的正常运行，发电量随之降低。在运行过程中，机组的结构参数和操作方式发生变化 等因素也会影响到功率特性。同时，对机组功率特性的准确检测与分析，不但可以验证设计 功率曲线的正确性，而且还可以预测功率曲线走向，机组的运行状况是可以通过其判断出来， 根据判断结果优化风力发电机组运行策略，科学准确维护风电机组。
3)机组设备的可靠性不单纯是技术问题，还直接影响到企业的利益和综合竞争能力。可 靠性中包含可预测的和不可预测两部分的故障情况，当发电机组发生故障时，设备会有一定 的损耗，更重要的是给企业带来经济损失。随着上网电价在不同时间内是不同的，那么不同 时间的事故对企业来说造成损失的程度也是不一样。
4)设备消耗在风力发电机组工作过程中是不可忽视的一部分，传动机构、风轮等设备在 运行过程中会产生不同程度的损耗，发电机组的工作效率和工作性能的高低也会受到设备消 耗的影响。
5)风的特性主要包括风频，风向和风湍流。发电机的直接驱动力是风力，风的各项指标 发生变化会对发电机组产生影响。风能是一种随着地域和季节变化而变的能源，其各项指标 在不同的季节，一天中不同的时间都是不同的。季节性的温差由于太阳和地球的的相对位置 在每个时节、季节不一样而产生，风向和风速随之改变。
构造判断矩阵
根据图1，风电机组的能效评估指标体系中的一层因素表示为：U＝{U1,U2,U3...,Un}； 每个第一层指标包含不同数量的二层指标，表示为Ui＝{Ui1,Ui2,Ui3...,Uim}。将第一层的各项指 标进行比两两比较构造出判断矩阵。(Uij)n×n(i＝1～n,j＝1～n)表示元素之间相对重要程度 比较的值，比较结果构成的判断矩阵如下。比较原则如表2的九分位比例标度。
表1相对重要性的比例标度
根据本实施例判断矩阵如下：
1)判断矩阵
2)判断矩阵一致性的检验
构造好判断矩阵之后，要对其进行一致性检验。层次分析法尽可能地将人们的主观判断 转化为客观的描述，逐步筛选出主体性，以形式化的方式表达和处理人的主观判断。客观成 分所占比重的合理程度直接影响其正确与成功。判断矩阵的一致性在AHP方法中是很重要的， 直接影响到指标之间的客观排序。通过一致性指标判断判断矩阵的一致性是否满意，引入一 致性检验指标CI，最终归结为求解判断矩阵最大特征及特征向量问题。
判断矩阵的最大特征根λmax和其相应的特征向量W的方根法计算步骤：
计算Mi的n次方根
对向量归一化，
式1中Mi为判断矩阵的每行元素的乘积；式3中w为指标权重，W为特征向量；式4中A为判断矩阵。
CI＝(λmax-n)/(n-1) (5)
λmax是判断矩阵的最大特征根；计算出的CI的值要与平均随机一致性指标RI的相应值 进行比较，引入一致性比率，公式为：
CR＝CI/RI (6)
当CR<0.1时，则判断矩阵具有满意的一致性。
计算出的CI的值要与对照表4中的平均随机一致性指标RI的相应值进行比较，根据矩 阵阶数不同，对应的RI值也不同。本实施例通过计算CR＝0.027<0.1，表明该矩阵具有令人 满意的一致性。
表2平均随机一致性指标RI值
在实施例中，按照步骤2中，利用层次分析法计算各指标权重系数。计算结果如表3所 示。
表3风力发电机组的指标权重系数表
在实施例中，按照步骤4建立一阶综合评判矩阵和二阶综合评判矩阵
由表1可知：
A1＝(0.37,0.18,0.17,0.28)
A2＝(0.36,0.25,0.27,0.12)
A3＝(0.16,0.08,0.12,0.18,0.04, 0.16,0.21,0.05)
A4＝(0.15,0.14,0.32,0.13,0.16,0.10)
A5＝(0.40,0.39,0.21)
A＝(0.14,0.37,0.30,0.12,0.07)
一阶模糊综合判断为：
B1＝A1·R1＝(0.39,0.30,0.24,0.07)
B2＝A2·R2＝(0.29,0.38,0.33,0)
B3＝A3·R3＝(0.38,0.32,0.25,0.05)
B4＝A4·R4＝(0.37,0.32,0.26,0.05)
B5＝A5·R5＝(0.30,0.38,0.32,0)
一阶综合评判矩阵为：
二阶模糊综合判断为：
B＝A·R＝(0.34,0.34,0.29,0.03)
评判等级设置为四个等级，分别为优、良、中、差，令V＝(9,7,5,3)，模糊综合评价如下： C＝B·VT＝6.98，7<6.98<5，从评判指标可以看出，风力发电机的综合能效介于良、中之间， 需要进一步改进。
实施例2
参照图3，燃气轮机发电机组的能效评估指标对整体评估起到关键的作用，评估指标不 但要能真正体现机组的效率和能源的消耗，还要对其性能、稳定性和维修性有评价。指标确 立时不能保证复杂全面，在燃气轮机发电机组运行的过程中，由于温度和机组构造的原因， 有许多因素数据是无法实际测量到的。但是如果指标选择的太少又不能全面反应机组的能效。 因此，根据燃气轮机发电机组的构造和工作特点选取如下五个指标，经济能效、技术能效、 稳定能效、维修能效和安全能效。
(1)经济能效，如今随着能源的紧张，人们越来越注重高效、节能的重要性，经济能耗 指标便成为评估燃气轮机组燃气轮机政绩评估的关键指标。功率越高，说明对能源的利用率 越高，即产能高。对于燃机来说，燃油消耗率计算公式为：
由此产能指标能够作为经济能效二级指标的一项。燃机通常处在紧急备用和调峰状态， 启动和停止较为频繁，对油耗影响严重，进而影响到成本，总体来说，燃气轮机启动一次， 大概要消耗10到20吨轻油，也就是大约要花费5到9万元左右。
(2)技术能效指标
1)性能参数，燃气轮机的技术能效指标从热力循环的角度包括热效率、燃机的出力、比 功率、压比和温比、燃料、环境因素等，其中主要的指标就是前三者。热效率是指机组的净 输出与燃料的比计算的比值。是衡量能量利用率高低的热力性能指标；出力是指机组输出功 率，即未扣燃机励磁系统与燃机变压器损耗前的出力；比功率是指燃机净输出功率与压气机 近期质量流量的比值。比功率越大，发出相同功率所需工质流量越少，尺寸越小。
2)主要参数，燃机机组的系统是燃气轮机和辅助系统，例如压气机、燃机透平、燃烧系 统、燃烧系统、进气系统、出气系统、润滑油系统、液压油系统、盘车系统、压气机水洗系 统、冷却水系统、润滑油系统、启动机系统、传动齿轮箱等。燃机在工作过程中所有系统的 参数变化都影响燃机的状态，主要参数包括发电机频率、压气机级数、压气机流量、流速、 透平级数、转速、排气系统中的排气流量、排气温度、叶顶速度、应力。
3)运行特性，由于外界需求负荷、环境温度等影响因素发生变化时，燃机的效率、出力 等性能指标也会随着发生变化，使得机组经常处于变工况运行状态。负荷特性是指燃机恒速 带负荷运行的稳态变工况特性，主要包括功率——环境温度特性，效率——环境温度特性。
(3)稳定性能效指标
1)稳定性指标，燃烧室是燃机的重要部件，为了保证燃机机组在运行过程中稳定可靠， 最关键的是确保燃烧室在不同情况下的正常燃烧。燃机的燃烧变化主要原因有燃气成分、燃 烧特性、控制策略、调节装置和环境变化，反应燃烧稳定性的因素主要有燃机排气温度与燃 烧室加速度信号上。燃气轮机轴承稳定性主要由等效刚度及界限涡动比的平方来决定。燃气 机涡轮叶片的强度及疲劳寿命问题的研究对确保设备的安全运行具有重要意义。
2)使用稳定性，燃机在工作过程中的使用稳定性能主要体现在运行时间、故障次数及两 次故障之间的平均间隔时间，每个部件的运行稳定性，例如压气机内部的旋转失速、喘振、 颤振，喷射噪声等都会影响到机组的运行稳定状态。
3)冗余设计，提高系统的稳定性可以采用并联冗余结构。
(4)维修性能效指标
1)可达性，可达性是指检修人员接近产品故障部位进行检查、维修操作、插入工具和更 换零件等维修作业的难易程度。
2)互换性，燃机机组部件在维修后可以重复使用，但寿命也在不断的减少，到了制定的 检修周期必须更换，否则对燃气轮机的安全运行产生重大影响。
3)维修性①可用维修的延续时间、工时、费用等参数来度量，最常用的是平均修复时间； ②拆卸、更换一台燃气机、动力涡轮、间冷器、回热器等部件的使用时间；③保护维修人员 的人次。
(5)安全性能效指标，低压压气机和高压压气机的喘振问题、动力涡轮入口温度过高都 会影响到燃气轮机组的工作安全。喘振是指在压气机正常工作的过程中，空气流量不断减少， 会发生沿压气机轴线方向的气流往复振动。会导致压气机叶片损坏，影响到燃机的安全性， 喘振裕度是主要安全性评定因素。机组在工作过程中燃烧室的出口温度最高，传感器一般无 法在高温下检测出数据，因此检测动力涡轮入口处的温度，来反应出高温区的温度变化，以 免发生安全危险。因此，影响燃机的安全性能效的因素考虑压气机喘振与动力涡轮入口温度。 其中任何一个指标不在安全范围，都会使燃机在运行中出现安全问题。
其余步骤同实施例1。
实施例3
参照图4，光伏能源发电机组指标体系包括：
(1)经济性能
1)上网容量
2)上网电价
3)发电成本。
(2)可靠性
1)光伏容量
2)天气变化
3)太阳电池板故障率
4)逆变器故障率
5)变压器故障率
6)电缆故障率。
(3)置信容量
1)出力特性
2)负荷特性
3)电源结构。
(4)功率特性
1)实际输出功率
2)电池组件温度
3)电池板倾斜角度
4)环境污染。
(5)光资源特性
1)太阳辐射量
2)太阳辐射时间
3)太阳位置。
其它步骤同实施例1。
Claims (6)
1.一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于包括以下五个步骤：
步骤1：根据发电机组运行因素，确定机组综合能效评估指标体系，指标分为一级指标和二级指标；
步骤2：根据相对重要性的比例标度原则确定判断矩阵；
步骤3：对判断矩阵中向量指标进行归一化处理，利用层次分析法确定指标权重，并检验判断矩阵的一致性；
步骤4：建立一阶综合评判矩阵和二阶综合评判矩阵；
步骤5：利用模糊综合评判方法评估机组能效。
2.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于：所述步骤2确定判断矩阵方法为：对机组的能效评估指标内的指标进行两两比较，比较的原则根据九分位比例标度，判断结果由若干个专家完成。
3.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于：所述步骤3对判断矩阵中向量指标进行归一化处理和确定指标权重方法如下：
权重向量是先几何判断矩阵A的每一行向量，之后对其进行归一化处理，利用AHP法的具体步骤为：
判断矩阵的最大特征根λmax和其相应的特征向量W的方根法计算步骤：
<mrow>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Pi;</mo>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msubsup>
<msub>
<mi>b</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
<mo>,</mo>
<mn>...</mn>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
计算Mi的n次方根
对向量归一化，
<mrow>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>n</mi>
</mfrac>
<msubsup>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msubsup>
<mfrac>
<msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>A</mi>
<mi>W</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>w</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式1中Mi为判断矩阵的每行元素的乘积；式3中w为指标权重，W为特征向量；式4中A为判断矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于：所述步骤3检验判断矩阵的一致性方法：
CI＝(λmax-n)/(n-1) (5)
λmax是判断矩阵的最大特征根；计算出的CI的值要与平均随机一致性指标RI的相应值进行比较，引入一致性比率，公式为：
CR＝CI/RI (6)
当CR<0.1时，则判断矩阵具有满意的一致性。
5.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于：所述步骤4一阶综合评判矩阵是根据二级评估指标相应的隶属度函数确定，二阶综合评判矩阵根据一级评估指标权重和一阶模糊综合判断矩阵确定。
6.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电机组能效评估方法，其特征在于：所述步骤5，将发电机机组能效评估评判等级V分别为优、良、中、差，通过模糊综合评判指标C＝B·VT确定机组能效水平。
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