CN113887992A - 一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法 - Google Patents

一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其包括以下步骤：步骤S1，获取钢铁企业指标数据，建立钢铁企业能效评价指标体系；步骤S2，采用层次分析法和熵权法分别计算指标的主观权重和客观权重，并通过权重分割系数确定指标的组合权重；步骤S3，根据钢铁企业能效评价指标体系和指标的组合权重，通过MABAC评价方法对钢铁企业能效进行综合评价。本发明解决了钢铁企业层面现有能效评价以单一技术指标进行考量，检测评价结果不够全面的问题，便于综合评估企业用能水平，为企业在节能、决策方面提供参考。

Description

一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法
技术领域
本发明涉及一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法,属于能效状态监测与评价技术领域。
背景技术
在能源革命的时代背景下，钢铁工业作为高耗能、高污染行业，节能潜力巨大。钢铁企业采取先进技术，开展节能降耗和综合利用，发展循环经济，优化企业的能效指标，以期达到能效最高，环保最优，对企业实现低碳高能效绿色发展具有重要意义。
我国在对能效水平的影响因素、研究方法以及模型等方面都有一定的分析和认识，文献[1]Rojas-Cardenas JC,Hasanbeigi A,Sheinbaum-Pardo C,et al.Energyefficiency in the Mexican iron and steel industry from an internationalperspective[J].Journal of Cleaner Production,2017在对影响能效水平因素进行分析时，考虑了边界指标因素，研究了工序能耗，文献[2]王玉洁，黎煜，张琦.钢铁企业能效分析及应用[J].冶金能源,2017,36(S2)中研究优化了工序能耗的计算。然而现有技术大多仅从技术指标进行考量，例如：“工序能耗”、“生产流程的总能效”、“吨钢产品能耗”等，这样并不全面，因此不能直接指导企业的节能决策。因此，为了提高钢铁企业资源利用、经济效益，保证整个钢铁企业安全稳定的运行，提出一种更加科学的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法是非常必要的。
发明内容
本发明提供了一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，以解决现有的钢铁企业能效评价指标单一，评价方法不够全面的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，建立钢铁企业能效评价指标体系，获取钢铁企业指标数据，该指标体系包括：主要生产系统工序能耗、辅助生产系统工序能耗、余热余能回收量；废液排放量、废气排放量、废渣排放量；产品产量、企业产值、万元产值综合能耗；新能源占比、碳排放同比减少量、余热余能回收同比增加量；
步骤S2，采用改进层次分析法和熵权法分别计算各指标的主观权重和客观权重，并通过权重分割系数确定指标的组合权重；
步骤S3，根据钢铁企业能效评价指标体系和指标的组合权重，通过多属性边界近似区域比较法MABAC计算出评价值对钢铁企业能效进行综合评价。
其中，步骤S2采用改进层次分析法计算指标的主观权重的方法为：
2.1.1、构造比较矩阵，即对每一层的各个因素之间的相对重要程度用矩阵的形式表达；比较矩阵中第i行j列元素aij的值，根据以下规则得到：
因素i与j相比不重要，则aij＝0；
因素i与j相比同样重要，则aij＝1；
因素i与j相比更重要，则aij＝2；
根据以上规则对步骤S1中建立的钢铁企业能效评价指标体系中的指标进行两两比较，最终得到比较矩阵A：
Figure BDA0003308025070000021
其中，A为12阶矩阵，aij＝0或1或2且aij+aji＝2，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n＝12为指标数；
2.1.2、在最大限度的保留比较矩阵A相关信息的基础上，对每个指标之间的重要程度进行协调，最终得到拟优化一致性矩阵；
拟优化一致性矩阵V为：
Figure BDA0003308025070000022
vij表示矩阵V的元素；
Figure BDA0003308025070000023
为排序指数，ri表示排序指数R中的第i行元素，同理上式中rk、rj表示排序指数R中的第k行、第j行元素，rmin表示排序指数中最小的元素值；
2.1.3确定各指标的主观权重:
Figure BDA0003308025070000024
其中，λi为式(2)所得的拟优化一致性矩阵V的特征向量。
其中，步骤S2采用熵权法计算指标的客观权重的方法为：
2.2.1指标矩阵标准化处理：运用极差标准化法对指标数据进行无刚量化处理，使各指标具有一个可比的尺度；
标准化数据为：
Figure BDA0003308025070000025
其中，xpj为指标数据，zpj为标准化处理后的样本数据，p＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m为样本数；
2.2.2确定指标客观权重为：
Figure BDA0003308025070000031
其中，
Figure BDA0003308025070000032
为指标的熵值，
Figure BDA0003308025070000033
为指标比重。
其中，步骤S2通过权重分割系数计算指标的组合权重的方法为：通过引入距离函数确定权重分割系数α，该权重分割系数考虑各个指标之间的关联；
Figure BDA0003308025070000034
设组合权重为wj，组合权重值为主观权重和客观权重的线性加权，表达式为：
wj＝αw′j+(1-α)w″j (7)。
步骤S3通过企业的加权评估信息值到边界估计区域的正负距离来衡量企业在各项指标下的优劣性。
步骤S3的MABAC评价值为：
Figure BDA0003308025070000035
其中，tpj＝wjzpj对标准化样本数据进行加权决策处理，dpj越大，表明第p个样本在第j个指标下的表现越优，反之越差。
区别于现有的技术，本发明对钢铁企业节能减排，经济效益和技术水平，进行了充分的考虑，提供了一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价指标体系；并改进了层次分析法，降低了确定主观权重的工作量，避免了传统层次分析法存在的盲目性，同时引入了熵权法确定客观权重，有效的减少了权重确定的主观性。本发明还将距离函数与权重分割系数的确定相结合，克服了主观权重的主观随意性和客观权重的绝对客观性。此外MABAC评价方法能够有效的对钢铁企业能效进行综合评价，对钢铁企业能效的提高提供指导，具有理论研究价值和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法的总体流程图。
图2为本发明的钢铁企业能效评价指标体系。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
参照图1所示，本发明提供一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取钢铁企业指标数据，建立钢铁企业能效评价指标体系；
步骤S2，采用层次分析法和熵权法分别计算指标的主观权重和客观权重，并通过权重分割系数确定指标的组合权重；
步骤S3，根据钢铁企业能效评价指标体系和指标的组合权重，通过MABAC评价方法对钢铁企业能效进行综合评价。
由于钢铁企业物质流、能量流耦合，贯穿于整个生产系统，本发明提供的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，能够利用能效评价更好地了解企业生产现状。综合主观和客观两方面的指标权重，是评价结构更加可靠，将MABAC评价方法应用于量化分析中，有效的保证了评价方法的稳定性，解决了钢铁企业层面现有能效评价以单一技术指标进行考量、检测评价结果不够全面的问题，便于综合评估企业用能水平，为企业在节能、决策方面提供参考。
步骤S1获取指标数据，根据指标数据种类从资源、环境、经济、技术四个方面建立钢铁企业能效评价指标体系。步骤S1中钢铁企业能效评价指标体系的建立是实现综合评价的关键，直接关系到评价的客观性和有效性。如图2所示，根据指标数据种类从资源、环境、经济、技术四个方面建立钢铁企业能效评价指标体系，该指标体系分为两级，一级指标包括4个，分别是：资源指标B1、环境指标B2、经济指标B3、技术指标B4。
其中资源指标B1包括3个二级指标，分别为：主要生产系统工序能耗C11、辅助生产系统工序能耗C12、余热余能回收量C13；
环境指标B2包括3个二级指标，分别为：废液排放量C21、废气排放量C22、废渣排放量C23；
经济指标B3包括3个二级指标，分别为：产品产量C31、企业产值C32、万元产值综合能耗C33；
技术指标B4包括3个二级指标，分别为：新能源占比C41、碳排放同比减少量C42、余热余能回收同比增加量C43。
即一共包含12个二级指标。
步骤S2中确定指标的组合权重具体包括以下步骤：
步骤S2.1，采用改进层次分析法计算指标的主观权重；按以下步骤采用改进层次分析法确定各指标的权重：
2.1.1、构造比较矩阵：
比较矩阵就是对每一层的各个因素之间的相对重要程度用矩阵的形式表达；
给出表1为比较矩阵因素比较尺度表，根据重要性得到aij，确定比较矩阵；
表1比较矩阵因素比较尺度表
重要程度尺度 因素i,j相比较
0 表示i与j相比不重要
1 表示i与j相比同样重要
2 表示i与j相比更重要
根据表1对步骤S1中建立的钢铁企业能效评价指标体系中的指标进行两两比较，最终得到比较矩阵A：
Figure BDA0003308025070000051
其中，A为12阶矩阵，aij＝0或1或2且aij+aji＝2，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n＝12为指标数。
2.1.2、构造拟优化一致性矩阵：
在最大限度的保留比较矩阵A相关信息的基础上，对每个指标之间的重要程度进行协调，最终得到拟优化一致性矩阵；
拟优化一致性矩阵V为：
Figure BDA0003308025070000052
其中，
Figure BDA0003308025070000053
为排序指数，ri为排序指数R中的第i行元素，rk为排序指数R中的第k行元素，rmin为排序指数中最小的元素值。
2.1.3、确定各指标的主观权重:
Figure BDA0003308025070000054
其中，λi为式(2)所得的拟优化一致性矩阵V的特征向量。
步骤S2.2采用熵权法计算指标的客观权重，方法如下：
2.2.1指标矩阵标准化处理：运用极差标准化法对指标数据进行无刚量化处理，使各指标具有一个可比的尺度；
标准化数据为：
Figure BDA0003308025070000055
其中，xpj为指标数据，zpj为标准化后数据，p＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m为样本数，n为指标数。
2.2.2确定指标客观权重为：
Figure BDA0003308025070000056
其中，
Figure BDA0003308025070000057
为指标的熵值，
Figure BDA0003308025070000058
为指标比重。
步骤S2.3通过权重分割系数计算指标的组合权重：
2.3.1引入距离函数确定权重分割系数：
Figure BDA0003308025070000061
其中，α为权重分割系数。
2.3.2确定组合权重；设组合权重为wj，组合权重值为主观权重和客观权重的线性加权，表达式为：
wj＝αw′j+(1-α)w″j (7)
其中，wj表示组合权重。
接下来，步骤S3所采用的MABAC(多属性边界近似区域比较法)综合评价方法如下：
采用MABAC评价方法进行能效评价，该方法通过企业的加权评估信息值到边界估计区域的正负距离来衡量企业在各项指标下的优劣性；
MABAC评价值为：
Figure BDA0003308025070000062
其中，zpj为熵权法中标准化处理后的样本数据，tpj＝wjzij对标准化样本数据进行加权决策处理，dpj越大，表明第p个样本在第j个指标下的表现越优，反之越差。
下面以某钢铁企业为评价对象，对其进行综合能效评价，进一步描述本发明提供的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法的具体实现过程。通过企业的Db2数据库管理系统获得各个设备的生产数据，通过对生产数据的整理得到评价指标值，如表2所示。
表2评价指标值
序号 指标名称 1月份数据 8月份数据
C11 主要生产系统工序能耗(千克标煤/吨) 519.3654 513.0235
C12 辅助生产系统工序能耗(千克标煤/吨) 65.5377 72.7313
C13 余热余能回收量(万吨标煤) 12.8629 13.3585
C21 废液排放量(万吨) 0.0362 0.0285
C22 废气排放量(万吨) 0.1455 0.1164
C23 废渣排放量(万吨) 0.0617 0.0484
C31 产品产量(万吨) 141.0454 139.3439
C32 企业产值(万元) 712321.8 688490.2
C33 万元产值综合能耗(吨标煤/万元) 1.16 1.19
C41 新能源占比 0.04 0.05
C42 碳排放同比减少量(万吨标煤) 0.0169 0.0245
C43 余热余能回收同比增加量(万吨标煤) 0.2964 0.3329
依据表2所示的指标值，确定主观权重和客观权重，然后获得组合权重，具体步骤如下：
一、计算表2的各个指标的主观权重。根据式(1)，对能效指标两两对比得到比较矩阵
Figure BDA0003308025070000071
然后，根据式(2)得到拟优化一致性矩阵；
Figure BDA0003308025070000072
最后,根据式(3)得到主观权重；
w′j＝[0.2314 0.0301 0.1863 0.0183 0.0183 0.0183 0.0446 0.0446 0.06650.0985 0.1132 0.1297]
二、计算客观权重。
将表2的各个指标值结合该企业的历史指标数据(比如读取100组样本)，根据式(4)(5),通过熵权法计算指标的客观权重:
w″j＝[0.3408 0.3972 0.2061 0.0079 0.0039 0.0095 0.0001 0.0001 0.00010.0116 0.0175 0.0051]
三、计算组合权重。
通过根据式(6)确定权重分割系数α＝0.6533，最后根据式(7)计算组合权重：
wj＝[0.2694 0.1574 0.1932 0.0147 0.0133 0.0152 0.0291 0.0292 0.04350.0684 0.0800 0.0865]
四、根据式(8)的MABAC评价方法，通过表2的指标值，结合上面得到的组合权重，对该企业1月数据和8月份数据进行综合能效评价。评价值如表3所示。
表3对该企业的综合能效评价
Figure BDA0003308025070000081
上表中，一级指标权重反映该一级指标对于整体的重要程度，通过组合权重中该一级指标所包含的所有二级指标权重累加得到。表中的二级指标权重反映该二级指标对于一级指标的重要程度，对组合权重中与该二级指标同属于一个一级指标的所有二级指标的权重进行归一化处理得到。能效综合评价值为该月各个指标评价值之和。
从一级指标权重上来看，资源指标>技术指标>经济指标>环境指标。其中资源指标约占60％，符合当下对能效水平分析主要以资源利用为主的研究背景。在钢铁企业生产过程中，主生产工序是主要的耗能点，相应的主要生产系统工序能耗C11相比于辅助生产系统工序能耗C12权重要高的多。钢铁工业正加速向低碳化、智能化和高端化转型，在评价指标体系中引入技术指标，有利于对能效水平的分析从支撑保障型提升至指导评价型。经济指标支撑着企业的生存和发展，同样不可忽视。而环境指标权重过低仅有4％，钢铁行业作为高污染高排放行业，对环境的影响也较大，需要企业对环境引起足够的重视。
从能效综合评价结果来看，1月份综合评价值为0.1217，高于8月份，即该企业1月份能效水平整体上要优于8月份。但是1月份，技术指标评价值较低甚至产生负值，说明该企业在这个时间段重视生产，相应的对技术发展关注不足。而同年8月份，对于资源、环境、经济的评价结果较差，仅技术指标相对较高，说明该企业的8月份为生产淡季。
1月份企业产量较高，在保证生产的基础上，需要提高技术发展进程。8月份为该企业生产淡季，需要克服客观因素提高整体能效水平。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，建立钢铁企业能效评价指标体系，获取钢铁企业指标数据，该指标体系包括：主要生产系统工序能耗、辅助生产系统工序能耗、余热余能回收量；废液排放量、废气排放量、废渣排放量；产品产量、企业产值、万元产值综合能耗；新能源占比、碳排放同比减少量、余热余能回收同比增加量；
步骤S2，采用改进层次分析法和熵权法分别计算各指标的主观权重和客观权重，并通过权重分割系数确定指标的组合权重；
步骤S3，根据钢铁企业能效评价指标体系和指标的组合权重，通过多属性边界近似区域比较法MABAC计算出评价值对钢铁企业能效进行综合评价。
2.根据权利要求1所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，步骤S2采用改进层次分析法计算指标的主观权重的方法为：
2.1.1、构造比较矩阵，即对每一层的各个因素之间的相对重要程度用矩阵的形式表达；比较矩阵中第i行j列元素aij的值，根据以下规则得到：
因素i与j相比不重要，则aij＝0；
因素i与j相比同样重要，则aij＝1；
因素i与j相比更重要，则aij＝2；
根据以上规则对步骤S1中建立的钢铁企业能效评价指标体系中的指标进行两两比较，最终得到比较矩阵A：
Figure FDA0003308025060000011
其中，A为12阶矩阵，aij＝0或1或2且aij+aji＝2，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，n＝12为指标数；
2.1.2、在最大限度的保留比较矩阵A相关信息的基础上，对每个指标之间的重要程度进行协调，最终得到拟优化一致性矩阵；
拟优化一致性矩阵V为：
Figure FDA0003308025060000012
vij表示矩阵V的元素；
Figure FDA0003308025060000013
为排序指数，ri表示排序指数R中的第i行元素，同理上式中rk、rj表示排序指数R中的第k行、第j行元素，rmin表示排序指数中最小的元素值；
2.1.3确定各指标的主观权重:
Figure FDA0003308025060000021
其中，λi为式(2)所得的拟优化一致性矩阵V的特征向量。
3.根据权利要求2所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，步骤S2采用熵权法计算指标的客观权重的方法为：
2.2.1指标矩阵标准化处理：运用极差标准化法对指标数据进行无刚量化处理，使各指标具有一个可比的尺度；
标准化数据为：
Figure FDA0003308025060000022
其中，xpj为指标数据，zpj为标准化处理后的样本数据，p＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m为样本数；
2.2.2确定指标客观权重为：
Figure FDA0003308025060000023
其中，
Figure FDA0003308025060000024
为指标的熵值，
Figure FDA0003308025060000025
为指标比重。
4.根据权利要求3所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，步骤S2通过权重分割系数计算指标的组合权重的方法为：通过引入距离函数确定权重分割系数α，该权重分割系数考虑各个指标之间的关联；
Figure FDA0003308025060000026
设组合权重为wj，组合权重值为主观权重和客观权重的线性加权，表达式为：
wj＝αw′j+(1-α)w″j (7)。
5.根据权利要求4所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，步骤S3通过企业的加权评估信息值到边界估计区域的正负距离来衡量企业在各项指标下的优劣性。
6.根据权利要求4所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，步骤S3的MABAC评价值为：
Figure FDA0003308025060000027
其中，tpj＝wjzpj对标准化样本数据进行加权决策处理，dpj越大，表明第p个样本在第j个指标下的表现越优，反之越差。
7.根据权利要求1所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，所述主要生产系统工序能耗、辅助生产系统工序能耗、余热余能回收量共同组成一级指标：资源指标。
8.根据权利要求1所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，所述废液排放量、废气排放量、废渣排放量共同组成一级指标：环境指标。
9.根据权利要求1所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，所述产品产量、企业产值、万元产值综合能耗共同组成一级指标：经济指标。
10.根据权利要求1所述的耦合资源环境和经济技术的钢铁企业能效评价方法，其特征在于，所述新能源占比、碳排放同比减少量、余热余能回收同比增加量共同组成一级指标：技术指标。
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