毕傲睿，黄舒雅，张雯雯，蒋陈雨，江 松

(1. 淮阴工学院 管理工程学院，江苏 淮安 223003；2. 西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055；3. 淮安天山外国语学校，江苏 淮安 223300；4. 西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055)

0 引 言

天然气分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)系统是在采用清洁能源和提高常规能源利用率的背景下提出的一种供能技术[1]，在发达国家使用较早，而在国内处于战略规划和推广应用的阶段。由于目前我国一次能源消费仍以煤炭为主，清洁能源消费比例还较低[2-3]，为抑制环境恶化和维护经济的可持续发展[4-5]，使用天然气分布式能源系统有着重要的现实意义，因此天然气分布式能源系统在国内具备较大的开发潜力[6]。

目前，国内对天然气分布式能源已进行了部分研究。张涛等[7]调研了不同地区、不同建筑的能源负荷需求，获得了影响分布式能源系统经济学的因素。晁亮亮等[8]以内部收益率为指标建立了天然气分布式能源系统的经济评价模型并分析了在有无补贴政策下系统的投资回报。王雁凌等[9]研究了天然气分布式能源项目的补贴机制，提出了基于内部收益率的分阶段补贴测算模型，并分析了获益情况。吴凯槟等[10]重点研究了分布式能源在环保方面的敏感性问题，分析了CO2、NOx等的减排对收入和环境的影响。张吉等[11]综合比较了天然气分布式能源系统与火力发电厂的优势以及对区域大气环境的影响。李波等[12]基于不同市场类别研究了天然气分布式能源的开发条件，提出地市级大型早期市场应推广分布式能源项目的结论等。虽然目前天然气分布式能源系统在技术层面已成熟，但在应用层面还需给出综合性意见以便推广使用，因此本文针对天然气分布式系统的整体适用性进行评估方法的研究。

天然气分布式系统的适用性需要针对使用对象考虑多方面因素，并结合定量准则进行综合性评估,但分布式能源系统的设备结构复杂，其能效、经济、环保等特性交互影响使得实现精确评估较为困难。因此，本文从经济性、能效性、环境性、可靠性、能质性5个维度出发，构建适用性评估体系，考虑指标间互相关性的影响，应用集对分析理论建立天然气分布式能源系统的适用性评估模型，为天然气分布式能源系统的实际推广建设提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

陕西省天然气资源丰富，随着“气化陕西”工程等行动的推进，需要利用天然气代替部分煤炭供能，天然气分布式能源系统正是重点推行的解决方式。西安某星级酒店占地面积1.5万m2，建筑面积12.4万m2，现为节能减排、缓解用电紧张以及改善投资效益，拟对其进行天然气分布式能源系统规划改造。

根据该酒店历史能耗数据及设备运行记录绘制不同时节单日冷热电负荷示意曲线如图1所示。

图1 单日冷热电负荷曲线Fig.1 Curves of cooling electric load and thermal electric load

已有研究表明热电比大于1.5时宜采用燃气轮机与蒸汽余热锅炉形式[13]，因此对该酒店采用燃气轮机、余热锅炉和吸收式制冷机组的热电联供系统，系统的工作运行流程示意图和设备性能参数分别如图2和表1所示。

1.2 分析方法

1.2.1 分布式能源系统适用性评估体系

(1) 评估指标

从天然气分布式能源系统的物质流、资金流和能量流进行考虑，确定影响适用性的因素，建立系统评估指标体系如图3所示。

图2 天然气分布式能源系统工作示意图Fig.2 Flow diagram of the natural gas distributed energy system

表1 设备性能参数

图3 天然气分布式能源系统适用性评估指标Fig.3 Applicability evaluation indexs of the natural gas distributed energy system

一级指标中，经济性指标集是从资金流的角度体现天然气分布式能源系统的设备投资、能耗成本等信息。能效指标集是从能量流的角度体现系统热力学性能，反映了系统主要流程、相关设备的能源利用情况及能效水平。环境性指标集体现了国家环保政策对系统排污量的强制性控制程度。可靠性指标集考查了系统能源供给的可靠性。能质性指标集从热力学第二定律考查系统能量的可利用程度。

(2) 评估等级

普通人进行判别时有效区别的数量在5～9之间[14]，基于《“十四五”节能减排综合工作方案》以及《中国节能减排行业发展战略及十四五规划建议报告》等资料将分布式能源系统的适用性评估结果分为5个等级，语言表达分别为：

I级：特别适合，与传统供能方式相比节能减排效果、经济效益可观(例如标煤节能15%以上，投资回收期5 a以下)；

II级：比较适合，与传统供能方式相比节能减排效果可观、经济效益可取(例如标煤节能15%以上，投资回收期5 a以上)；

III级：适合，与传统供能方式相比节能减排效果、经济效益可取(例如标煤节能0～15%，投资回收期5 a以上)

IV级：不太适合，与传统供能方式相比节能减排效果、经济效益无明显优势(例如标煤节能0～5%，投资回报率低)，需要不断政策性补贴进行维持。

V级：特别不适合，节能减排效果、经济效益远不如传统供能方式。

1.2.2 分布式能源系统适用性评估模型

(1) 集对分析理论

基于评估指标和评估等级，采用集对分析理论建立评估模型[15]，针对系统适用性评估指标和评估等级之间的复杂关系，集对分析建模如下：

① 存在集合A，B是一个集对，此时A和B为适用性评估指标和评估等级，A、B的联系度μ计算如下：

(1)

式(1)中：N为集对包含的特征总数；S、P、Fm分别为两个集合共同特征数、对立特征数以及既不共同也不对立的特征数，S/N、Fm/N、P/N分别称作集对的同一度、差异度、对立度；i为差异度系数，取值[-1,1]，j为对立度系数。

② 由于系统包含多个评估指标，而各指标的影响效果各不相同，因此需要对各评估指标作集对分析，得到第n项指标的联系度μn。为综合反映所有评估指标的影响，需要考虑各评估指标联系度的权重以计算平均联系度μa：

(2)

式(2)中：n为特征数量，wn为μn的权重。

(2) 指标权重确定

由式(2)可知计算μa的关键是指标权重wn，权重关系到最终评估结果的可靠性，本文应用AHP法计算权重[16]。

①构造判断矩阵

(3)

式(3)中：H为判断矩阵，xij为指标xi相对于xj的相对重要性值，i、j=1, 2, 3, …,n。

②计算重要性排序

根据判断矩阵求最大特征根对应的特征向量：

H·w=λmax·w

(4)

式(4)中：λmax为最大特征根，w为对应特征向量，w通过归一化为各评估指标的权重分配，即权值。

③ 一致性检验

得到的权值是否合理需要进一步对判断矩阵进行一致性检验：

CR=CI/RI

(5)

式(5)中：CR为判断矩阵的一致性比值；CI为一般一致性指标：CI=(λmax-n)/(n-1)；RI为平均随机一致性指标，查表得到。

(3) 级别判断方法

使用级别特征值来判断适用性等级，计算方法如下：

s=∑[a·1+b1·2+b2·3+…+
bK-2·(K-1)+c·K]

(6)

式(6)中：a、(b1,b2,b3,…,bK-2)、c为最终联系度中的同一度、差异度和对立度。可知特征值范围为[1,K]，1表示最好情况，K表示最坏情况，因此特征值对应级别的认定方式如下：1级：[1, 1.5)，2级：[1.5, 2.5)，…，K-1级：[K-1.5,K-0.5)，K级：[K-0.5,K]。

2 结果与分析

由图2可知，燃气轮机通过消耗天然气输出机械功带动发电机组发电，所发电负荷满足酒店自耗，不足电量从电网购买；余热锅炉回收燃气轮机排出热量并将产生的蒸汽用于冬季直接供暖和作为夏季蒸汽型溴化锂制冷机组的驱动热源；当余热不足时，可由燃气锅炉补足。从图1中可知，酒店内冬季典型日用电最高负荷为3 750 kW，夏季用电最高负荷为5 000 kW，因此需要2台燃气轮机设备，发电量能够全部被酒店自耗，无需蓄能设备。具体运行时昼日需开启燃气轮机、余热锅炉、蒸汽溴化锂机组和燃气锅炉各2台，夜晚只需开启1台燃气轮机和1台余热锅炉即可满足负荷需求；在某些高峰时段还需开启1台燃气锅炉提供额外的蒸汽需求。

2.1 指标权重赋值

邀请专家给出指标相对重要性值见表2。计算一级指标层各权重值分别为：0.295 3、0.071 9、0.379 9、0.090 5、0.162 4；一致性比例值：CR=0.084 7<0.1，满足一致性检验[17]，说明权重有效可取，最终求得权值见表3。

表2 一级指标层相对重要性

2.2 计算评估结果

对指标进行评估等级划分。考虑到实际合理性，设初期设备投资、投资回收期、财务内部收益率符合为高斯分布，分别以(0, 0.022 7]、(0.022 7, 0.157 6]、(0.157 6, 0.840 2]、(0.840 2, 0.976 1]、(0.976 1,1]区间划分为5个等级；其余指标则均匀划分。此外，需注意初期设备投资、投资回收期、CO2排放、NOx排放、计划停运系数、非计划停运系数、等效降低出力系数属于成本型指标，其他指标属于效益型指标。

表3 指标权值

各指标实际值和归一化值见表4。其中初期投资参考相关案例设定最大心理数额为4 000万元，投资回收期一般为4～10 a，财务内部收益率以保守经验值设最大为10%，CO2和NOx以常规燃煤火力发电的排放量为基准：CO2最大为813 g/(kW·h)，NOx最大为2.68 g/(kW·h)。

表4 指标实际值和归一化值

基于各指标值和评估等级，建立指标联系度：

(7)

式(7)中，S1、S2、S3、S4、S5分别为1到5级分级的极限值，x为指标实际值。根据式(1)和(2)以及指标权重计算得联系度：ua=0.178i+0.353 2i1+0.362 2i2+0.178 2i3+0j。进一步由式(6)计算得到判断结果为：s=2.683 8，为III级适合。

2.3 结果分析

该酒店进行天然气分布式能源适用性评估结果为：2.683 8级适合，可认为从节能减排、投资收益等角度值得投资改造。同时从权值分析发现对适用性影响较大的指标集为经济性和环境性，分析如下：

(1)环境性指标权值最大，表明分布式系统在该酒店的运行以节能减排为重，由前述数据计算可得该分布式系统的年有效发电时间为6 214.56 h，有效年发电量2 304.36万(kW·h)，年供饱和蒸汽8万t，热电比为2.42，计算出耗能数据见表5。可知该系统可以减小1 735.26吨标准煤(tce)，节能率为12.35%，相当于减排CO24 811.00 t，NOx65.07 t，SO2：131.4 t，环保效益显著。

表5 能耗数据

(2)经济性一般包含：初投资年等值费用、耗能费用和维护费用。取年利率为0.07，设备使用年限为15 a，西安市天然气均价约2.3元/Nm3，电价0.714 6元/(kW·h)。根据冷热电负荷估算传统单独供能方式需费用3 530.53万元，计算各项费用具体见表6，可以看出分布式能源系统的年度运行费用低于传统供能方式，简单投资回收期约6.61 a，经济效益可观。

同时需要注意的是对于经济效益，本文相关指标数据是在假设不含政府投资奖励、优惠贷款、减免税收以及温室气体减排政策支持的前提下得到的。因此若包含上述各项优惠政策，最终适用性评估结果必然更加可取，也表明初期推广天然气分布式能源系统的应用需要各级政府在法律法规、融资补贴等方面给予一定支持。

表6 分布式系统年运行费用

3 结 论

在推广建设清洁能源供能系统的背景下，本文研究了天然气分布式能源的适用性评估模型，通过实例计算与分析得到以下结论：

(1)建立了天然气分布式能源系统适用性评估体系，包含经济性、能效性、环境性、可靠性、能质性5方面特性的指标集，有效反映了使用天然气分布式能源系统时需要关注的影响因素。

(2)集对分析理论能够处理分布式系统指标间互相关性的影响，级别特征值考虑了所有隶属单位对联系度的贡献度，精确了系统整体适用性评估的结果。

(3)环境性和经济性对系统适用性的推广建设具有较大影响，与传统供能相比天然气分布式能源系统的节能率为12.35%，年度运行费用减少508.61万元，简单投资回收期6.61 a。