基于综合权重+TOPSIS的百万机组热电解耦改造综合评价研究

基于综合权重+TOPSIS的百万机组热电解耦改造综合评价研究

岳博

天津国投津能发电有限公司  天津市滨海新区 300480

摘要

在“双碳”改革的大背景下，热电机组通过热电解耦改造，能够在保证供热能力充足的前提下，提高电负荷调节能力，为电网提供更好的调峰服务，帮助电网消纳更多的新能源发电。同时，热电机组可以从中获得更多经济补偿，从而提高火电厂对未来电力市场的适应性。本文以华北地区百万级别热电机组为对象，选择了热泵回收余热、低压缸近零出力、旁路供热改造三种可行方案开展综合评价。首先建立热电解耦改造的综合评价指标体系，其次构建了基于综合赋权+TOPSIS综合评价模型，运用AHP+熵权法和TOPSIS方法得出了各方案综合排名。结果显示低压缸近零出力改造是适应于百万机组热电解耦改造的最优方案，其次是旁路供热方案，最后是热泵回收余热方案，为百万机组热电解耦改造方案选择提供了重要参考。

1热电解耦改造的背景和意义

热电联产机组的供热能量来自于汽轮机自身抽汽，抽汽量的大小取决于电负荷的高低，因此热电联产机组的供热能力大小与电负荷高低变化趋势一致，两者存在耦合现象。热电解耦是指破解热电机组的热电捆绑关系，一定程度实现发电负荷和供热负荷的独立调节和供应。热电解耦改造可以通过来储存或提高机组的供热能力，帮助热电机组实现深度调峰，从而为新能源机组电能消纳腾出空间；同时能够提高热电机组最大供热能力，为居民采暖需求提供有力保障。另外，还能帮助机组够获得电网调峰收益，提高了热电厂的经济效益。因此，热电解耦改造对热电厂未来的生存发展有重大意义，也是热电机组在能源新形势、经济新常态下的必然选择。

2热电解耦技术方案介绍

热电解耦的常见技术方案有电锅炉储能技术、热泵回收余热技术、低压缸近零出力技术和旁路供热改造技术等等。由于各个地区政策不同和发电机组的规模、特性不同，不同热电机组可选择的技术路线和方案差别很大。以华北地区为例，该区域发电厂的上网电价远高于东北和西北地区，并且低谷时段用电优惠政策也未落实，电锅炉技术路线不适合华北地区热电机组用来进行热电解耦改造。经对比分析发现，热泵回收余热、低压缸近零出力、旁路供热改造三种技术可以适用于华北地区百万机组进行热电解耦改造。

3指标识别与体系构建

火电厂热电解耦改造评价涉及的指标和因素众多，科学合理的指标选择和体系建设是评价工作获得成功的重要前提。本文对指标体系进行了分层搭建，将评价指标分为两级。结合工程项目评价方法，从经济效益、社会和环境影响、节能减排、资源消耗等角度选择一级评价指标，力争全方位反映热电解耦改造技术取得的综合成效。其次，充分考虑热电解耦改造对电厂运营、管理等各环节的影响，对指标进行分解细化，确定二级评价指标。

4基于T0PSIS法的综合评价模型

热电解耦方案评价受到各类不同因素的影响，如果各个指标权重计算方法可靠性不高，会导致后续评价结果不准确。权重计算方法中主观法和客观法都有一定的局限性，为兼顾决策者的主观意愿，同时又要求减少赋权的主观随意性，本文采用了主观与客观相结合的综合赋权法, 该方法所得出的指标权重更加可靠，目前成为了主流的综合评价权重计算方法[1]。TOPSIS法是一种通过计算指标几何距离并对其进行排序的研究方法，通常用于多目标复杂决策问题的研究。本文构建了综合权重与TOPSIS相结合的评价模型，对不同热电解耦改造方案进行综合评价，通过对各个指标进行量化分析和统一量纲处理，可以解决指标之间的不相容和不确定性问题。首先确定热电解耦相关评价指标所对应的理想解集合；接着比较各改造项目技术路线的指标对应的数据与其理想解集之间的几何距离，按照几何距离的远近，对各类火电热电解耦相关改造路线方案的综合效益进行评价，其中距离理想解集最近的改造路线其综合效益相对最好，几何距离最远的改造路线其综合效益相对最差[2]。

4.1数据预处理

假设有i个评价对象，有j个评价指标，则定义原始数据矩阵 X 如下:

                             X =

矩阵X中的为第 i 个评价对象在第 j 项指标下的原始数据取值。

评价指标映射了不同的评价角度，其应用场景、数据单位、取值范围等千差万别，无法直接比较。因此需要对评价数据进行预处理，建立统一的参考体系，对原始数据进行无量纲化处理，求取标准化矩阵。

1） 区间化处理

                     （4-1）

2）正向化处理

                        （4-2）

3）逆向化处理

                      （4-3）

4）归一化处理

                         （4-4）

4.2 指标赋权模型

1）主观权重计算

主观赋权法就是决策者根据自身认识和判断进行定量化赋权的方法。本文中主观赋权法选取了层次分析法（AHP）。根据总目标进行分层管理，根据指标之间的隶属关系，建立多层次的分析结构

，使用模糊量化法计算每层各个指标的权重，然后得到总权重[2]。在确定各层次各因素的权重时，必须对各个因素进行定量标度，通过采用相对尺度的方法，实现了不同性质因素重要程度的相互比较。实际应用中为了避免计算误差及逻辑矛盾，需要进行一致性检验。

2）客观权重计算

熵权法是一种客观赋权方法。熵的本质意义是指事物内在的混乱程度，对于某项指标而言，熵值的大小也说明某个指标的离散程度和无序性，也就是说其信息熵值越大，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响（即权重）就越大。因此利用信息熵可以计算出各个指标的权重，为多指标综合评价提供依据[3]。第j个指标信息熵的公式如下：

                     （4-5）

式中 -第j个评价指标的熵值；

k-玻尔兹曼常数；

。

然后计算第j个指标熵值权重：

                           （4-6）

3）综合权重计算

综合客观可以使用乘法加成法，将主观权重和客观权重相乘，然后进行求和归一化处理就可以得到综合权重结果。

4.3 TOPSIS评价法

1）计算加权标准化矩阵Ｚ的正负理想解，公式如下：

标准矩阵Ｚ的正理想解：            （4-7）

标准矩阵Ｚ的负理想解：（4-8）

2）计算各评价集合与正、负理想解之间的欧式距离。代表各评价目标与最优目标的接近程度，代表各评价目标与最劣目标的接近程度。

                  （4-9）

                  （4-10）    

式中 i-1，2，3..n；

-第j个目标到最优目标的距离；

-第j个目标到最劣目标的距离；

-第i个目标第j个评价指标的权重规格化值。

3）计算评价目标与理想解集合的贴近度公式如下：

                      （4-11）

式中i-1,2,3…n；

-评价集合与正理想解欧氏距离；

-评价集合与负理想解欧氏距离。

根据理想解的贴近度大小进行排序。排序结果贴近度值越大,该目标越优,值最大的为最优评标目标[4]。

5实例分析

以华北地区某百万热电机组为研究对象，对热泵回收余热、低压缸近零出力、旁路供热改造三种技术进行技术经济指标分析。通过运用运筹学的统计分析方法，结合热电机组运行原理，建立了热电机组变工况运行模型和能耗计算模型，得出三种方案的热电解耦效果、市场调峰收益、机组能耗和环保排放的影响。利用经济学原理，结合项目整个周期现金流量情况，计算了各个投资方案的净现值、动态回收周期、内部收益率。

对原始数据进行预处理，并对预处理的数据进行综合赋权，可以得出赋权后的指标数据。将赋权后指标数据进行欧氏距离计算，并最终求得各个热电解耦方案与理想指标集合的接近程度，完成对各个热电解耦方案的TOPSIS综合评价。

根据各方案与理想指标集合的接近度计算结果，对各个方案优劣进行排序，结果显示低压缸近零出力改造方案距离理想指标接近度最高为0.836，所以该方案的综合评价结果最优，其次是旁路供热方案，最后是热泵回收余热方案。

5.3评价结论

从相关影响因素的强弱来看，在热电解耦评价指标体系中，一级指标中的财务指标、热电解耦指标所占权重较高，在各影响因素中排在了前两位；二级指标中的内部收益率、动态回收周期，新增调峰能力，技术适用性等指标所占权重较大，对热电解耦改造的影响较大。

通过各个热电解耦方案对比分析发现：在经济评价方面，低压缸近零出力方案的内部收益率和动态回收周期指标最优，该项目建设期投资为8700万元，按照设备使用周期15年计算，项目净现值为39021万元，动态回收期为0.7年，内部收益率为154%，说明该方案具有非常好的经济性。在技术评价方面，低压缸近零出力方案的热电解耦效果以及技术适用性指标最好，在满足供热抽汽750t/h的条件下，机组最小运行负荷由434.8MW可以降至201.5MW，从而为新能源消纳提供了233.3MW的发电空间，该方案的节能降耗和污染物排放属于水平中等，但是安全性得分最低，所以在选择该方案时，应重点考虑采取相关措施，消除对安全运行的不利影响。

本文利用综合权重+TOPSIS评价法进行实例分析，并通过不同的数据预处理方法验证，得出低压缸近零出力改造方案最优的结论，可以为百万机组进行热电解耦方案选择决策提供参考。

参考文献：

[1]冷亚军,岳鑫,卢毅勤,等.基于最小叉熵与前景理论的综合能源系统评价方法[J].综合能源系统:2021,49(6):40-45.

[2]许树柏.实用决策方法:层次分析法原理[M].天津:天津大学出版社, 1988:34-38.

[3] Ishak Aulia, Wanli. Evaluation and Selection of E-commerce Service Quality Using Fuzzy AHP Method[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 1003(1):15-18.

[4] 张伟宏.大型桥梁项目社会稳定风险评估理论方法与实践[M].北京:知识产权出版社,2018:40.