首页 > 行业资讯 > 秦锋,等.基于信息熵与主成分分析方法的燃气电厂综合评价

秦锋,等.基于信息熵与主成分分析方法的燃气电厂综合评价

时间：2022-06-24 来源： 浏览：

秦锋,等.基于信息熵与主成分分析方法的燃气电厂综合评价

原创 油气与新能源 油气与新能源
油气与新能源

syghsjwechat

建设权威的一流能源观点传播与科研学术交流平台；积极探讨能源政策与战略，追踪能源领域科技创新，助力国家能源发展。

收录于合集
作者简介
秦锋，男，博士，高级工程师。主要从事燃气发电工程及余热回收相关技术研究工作。E-mail：.cn。

基于信息熵与主成分分析方法的燃气电厂综合评价

秦锋 1 ，徐立昊 2 ，秦亚迪 1 ，付忠广 3

1.中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心；2.中国海油能源经济研究院；3.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室

基金项目：中国海洋石油集团有限公司国产R0110改进型燃气轮机运行试验研究（CNOOC-KJ135KJXM QD2020-005）

摘要

近10年来燃气发电装机容量持续增长，已成为电网中重要的调峰电源形式之一。对标管理工作可以有效提升燃气电厂运行效率及管理水平。但由于燃气轮机品牌、容量及等级不统一，对合理综合评价燃气电厂及对标管理工作提出了挑战。在阐述如何构建合理的评价指标体系的基础上，通过选取安全环保指标、可靠性指标、设备管理指标、技术经济指标和主要运行指标，并采用基于信息熵与主成分分析方法对某集团多个燃气电厂进行了综合评价，覆盖多个品牌的E级、F级机组。该方法的应用实现了不同品牌不同级别机组之间的对标分析，并根据综合评价结果对燃气电厂对标管理工作提出了相关建议。

关键词

燃气电厂；对标管理；综合评价；指标体系；信息熵；主成分分析

 0   引言

根据《中国天然气发展报告（2021）》的统计数据，2020年中国天然气消费为3 280×10 8 m 3 ，同比增长6.9% ［1］ ，IEA（国际能源署）预测2025年中国天然气消费将超过4 500×10 8 m 3 ，成为天然气消费大国 ［2］ 。陆家亮等 ［3］ 分析国产天然气产量2025年达到2 100×10 8 ～2 450×10 8 m 3 ，国产天然气可长期满足民生、公服及关键工业用气的“底线需求”。在“低碳”发展目标下，朱兴珊等 ［4］ 认为天然气发电应作为以新能源为主体的新型电力系统中的主力调峰电源。李富春等 ［5］ 对天然气发电与新能源融合发展技术做了深入研究。王世宏等 ［6-7］ 认为鉴于天然气具备清洁、高效、低碳的优势，应在“十四五”期间大力发展天然气发电。为实现能源结构优化及满足电网调峰需求，近年来国内燃气电厂装机容量增长迅速 ［8-9］ 。目前已投产的燃气蒸汽联合循环电厂大多采用F级燃气轮机机组，产品多来自美国通用电气公司（简称GE）、德国西门子股份公司（简称西门子）和日本三菱集团（简称三菱） ［10-11］ 。
电厂对标管理工作的目的是找出机组之间的差距并通过有效的措施加以改进，使机组更加安全高效地运行 ［12-13］ ，但如何综合评价不同品牌、不同级别的燃气发电机组是气电企业对标管理工作的一大难点。有学者通过组合权重 ［14］ 、模糊评判 ［15-17］ 、主成分分析 ［18-19］ 等方法建立了火电机组的综合评判模型，可再生能源发电机组如风电、水电的综合评价也得到了相应研究 ［20-21］ ，但针对燃气电厂的经济性、安全性及可靠性的评价方法及评价体系的研究较少。为促进燃气电厂挖潜增效、节能降耗、机组优化运行工作，迫切需要建立一套适于燃气电厂的综合评价体系。
本文拟研究制定一套可以实现不同机组横向对比的燃气电厂综合评价方法。通过建立燃气电厂综合评价指标体系，采用信息熵-主成分分析模型 ［22］ ，以多项指标（环保、安全、生产运营、设备管理等）数据为评价依据，进行燃气电厂综合评价分析，验证综合评价方法的有效性，并给出相关建议。

 1     综合评价指标体系构建

1.1  指标体系建立的原则
燃气电厂综合评价指标体系是对标管理电厂综合评估的基础，指标体系的建立必须遵循一定的原则，以真实准确反映燃气电厂管理运行、挖潜增效、节能优化的目标构建。
一是一致性原则，即评价指标在分析上与评价体系一致，评价指标体系在设计上与评价目标一致。二是系统性原则，即应以实现整体综合评价功能大于各项指标描述为前提。三是独立性原则，即同层次的指标应尽量避免交叉和互相包含。四是可操作性原则，即所确立的指标实际值应容易获取。五是真实性原则，即数据的采集和测算要以真实数据为基础。
1.2  评价指标体系构建
电厂关键运行参数及指标众多，指标之间还可能存在相互关联的关系。对燃气电厂进行综合评价时选取的指标应能体现电厂核心竞争力，并体现综合评价的全面性、有效性。在充分调研某集团各燃气电厂对标管理指标，以及借鉴全国燃气机组技术交流协作会对电厂的对标评比工作基础上，拟定了该集团燃气发电业务对标体系的指标范围、名称、定义以及计算方法，即从安全环保、可靠性、设备管理、技术经济、主要运行5方面建立二级指标，同时5个二级指标又细分为多个三级指标，从而构建了燃气电厂对标管理综合评价指标体系。
安全环保指标：安全环保指标反映电厂在安全管理、噪声控制、大气污染物控制、污水处理等方面的运行水平，作为评价燃气电厂安全系数与环保标准的体系指标。
可靠性指标：燃气电厂可靠性指标反映电厂运营现状及综合运营能力，高标准的可靠性是电厂在市场竞争中获胜的主要因素。
设备管理指标：设备管理指标是设备管理的科学化、标准化的依据，促进提高设备管理现代化水平和设备管理效益。完善的设备管理指标体系可为燃气电厂实行设备管理的科学化、标准化提供依据，促进提高设备管理现代化水平和设备管理效益，是完成发电任务的保障。
技术经济指标：主要技术经济指标包括生产环节指标和运营环节指标，直接关系到电厂的生存与发展。
主要运行指标：主要运行指标代表了电厂安全生产运行、节能降耗管理水平，指标大小直接关系到电厂运行优化状况和经济效益。
各指标域下包含的子指标如表1所示。
表1 燃气电厂对标管理综合评价指标体系

 2   综合评价应用

2.1 综合评价模型
熵是热力 学中微观状态多样性或者均匀性的一种度量，表征系统的无序程度。在信息论中，信息源可视为一组随机事件的集合，其不确定度与热力学中微观态的无序程度类似。1948年，香农将热力学熵的概念引申到信道通信过程中，并创立了“信息论”这门学科。信息熵表示信息的不确定 度，信息熵越大，表明信息的不确定度越高，信息的贡献越小；信息熵越小，则表明信息的不确定度越低，信息的贡献越大。本文参考齐敏芳等 ［22］ 开发的基于信息熵与主成分分析的燃煤发电机组评价模型，将该模型应用于本次燃气电厂综合评价。
主成分分析是一种多元统计分析方法。该方法通过构造原变量的一系列线性组合形成新变量，使这些新变量在彼此互不相关的前提下尽可能多地反映原变量的信息。数据信息主要反映在数据变量的方差上，方差越大，包含信息越多，通常用累计方差贡献率来衡量。主成分分析综合评价法是从原始数据所给定的信息直接确定权重，进而进行评价的方法。在进行主成分分析时，所取权重直接为对应主成分的方差贡献率，某个主成分在综合评价时所能反映的信息越多，相应的权重也就越大。
将主成分分析用于燃气电厂综合评价时，首先需基于指标体系建立二级指标下不同机组的三级指标矩阵；根据专业知识与机理分析将指标定义为正类或者负类属性指标并进行规范化，形成二级指标决策矩阵；然后基于决策矩阵计算指标熵值及信息偏差度，从而根据信息偏差度确定指标权重；根据指标权重及决策矩阵可以计算二级指标评价值；最后，对二级指标评价值进行主成分分析，得到机组的综合评价值，综合评价值排序即代表机组对标评比的排名。
2.2  被评价燃气发电机组基本信息
本文选取了某集团下属5家电厂的15套燃气蒸汽联合循环机组，其中E级机组4套，F级机组11套，进行综合评价（见表2）。
表2  综合评价燃气发电机组基本信息

2.3  指标数据
以2017年4月份指标数据为例进行综合评价计算。各项指标统计数据如表3～表7所示。指标属性为负的值越小电厂越优，正属性指标反之。
2.4  综合评价结果及分析
权重值表示在评价过程中，对被评价对象的不同指标的重要程度进行定量分配，权重越大，则该指标对二级指标的影响越大，对电厂评价的贡献越大。
表3 安全环保指标

表4  可靠性指标

表5  设备管理指标

表6  技术经济指标

表7  主要运行指标

根据信息熵-主成分分析模型对指标体系中各指标进行权值计算，权值结果如表8所示，综合评价结果如表9所示。
表8  综合评价指标权值汇总

表9  综合评价排名汇总

2.4.1 信息熵二级指标结果分析
由安全环保指标来看，评价排名为电厂1（二期）、电厂1（三期）、电厂4、电厂5、电厂3、电厂2。通过指标权重值可知，除厂界噪声（夜间）权重值较小外，其他指标权重值均较大，设备噪声最大值权重值最大，说明该指标在安全环保指标评价中的贡献较大。通过指标数据可知，电厂1（二期）设备噪声最大值虽然不是最低，但其氮氧化物浓度及厂界噪声（日间）指标表现均为优异，故其在安全环保指标评价中排名第一。电厂4设备噪声最大值最低，但厂界噪声（日间及夜间）值不及电厂1（二期）、电厂1（三期），故排名第三。电厂5虽然污水排放量为零，但其他指标值处于中下等级，排名在中位，说明一个指标处于最优或与其他电厂指标数量级相差很大，并不会对最终评价结果产生决定性作用。
从可靠性指标分析，由指标权重值可知机组等效可用系数及发电利用小时数权重值最大，发电计划完成率及计划停运小时数权较大。电厂1（三期）虽然发电计划完成率、发电利用小时及计划停运行小时数数不是最好的，但其他指标均为最优，因此排名第一。电厂3虽然等效可用系数及年利用小时数不是最优，但其他指标均为最优，故排名第二。电厂5发电计划完成率、机组等效可用系数、发电利用小时数均最差，故其可靠性指标排名最差。
从设备管理指标分析，由权重值结果可知备件库存资金周转率权重值最大，维修材料消耗费用次之，维修人员比例、库存维修材料权重随后。电厂1（三期）、电厂1（二期）备件库存资金周转率指标值最优，与其他电厂数量级相差较大，电厂1（三期）因关键设备台时率优于电厂1（二期），因此以较弱优势排名第一，电厂1（二期）排名第二。电厂5备件库存资金周转率指标值较差，其他指标也并不乐观，如设备消缺及时率、设备消缺率，尤其是库存维修材料指标值最差，与其他电厂相差数量级很大，其设备管理指标排名最差。
从技术经济指标分析，由权重值结果可知，发电量的权重值最大，其对评价结果的贡献最大，负荷率权重值次之，发电标煤耗权重值第三，是电厂经济性最重要的3个指标。由各电厂指标值可知，电厂1（三期）负荷率虽然不是最优，但是其发电量大，气耗率低，且其他指标值也位于优先行列，故其技术经济指标最优。电厂1（二期）相对于电厂1（三期）技术经济指标次之，排名第二。而电厂2平均负荷、负荷率、单位产量生产运营成本、发电气耗率及发电厂用电率均为最差值，且其他指标数值也不乐观，技术经济指标最差。通过对电厂机组情况的调查分析可知，电厂5虽为F级机组，但由于机组专门用于调峰，其运行工况受电网调动影响颇大，位居第四。电厂2和电厂3为E级燃气轮机，由于燃烧室燃烧温度较低，发电气耗明显较高，进而单位产量生产运营成本高，在技术经济性上本身存在相对劣势。
从主要运行指标分析，汽水品质合格率、油气品质合格率指标值相差不大，评价结果基本由其他指标决定。由指标值权重值可知，除盐水产水率的权重值最大，发电耗淡水率权重值次之，补水率权重值第三。电厂4除盐水产率最高，补水率、发电耗淡水率指标值均最优或者次优，且其他指标值均较好，故其主要运行指标最优。电厂5各项指标仅稍次于电厂4，故其主要运行指标排名第二。电厂1（二期）和电厂1（三期）因发电耗淡水率远高于其他电厂，排名最差。
2.4.2   主成分一级指标结果分析
由主成分计算结果可知，电厂综合评价排名为电厂1（三期）、电厂1（二期）、电厂4、电厂3、电厂5、电厂2。通过评价结果可知，电厂1（二期）、电厂1（三期）虽然主要运行小指标的评价排名并不理想，但其设备可靠性指标、设备管理指标、技术经济指标的排名最优，且这几项指标在主成分分析过程中模型计算得到的权重较大，最终使得这两套机组在综合评价排名中位居前两名。从电厂管理、运行及经营之间的关系分析，设备管理指标较优说明设备管理工作到位，设备管理工作直接影响设备运行状况及可靠性，因此也会在机组可靠性指标方面有所体现，设备可靠性高为机组经济、良好运行创造条件，保证机组有能力按计划完成各项经营目标，实现较优的技术经济指标，整个机组综合评价处于优秀水平。此外评价结果也与进行综合评价的各电厂实际机组运行状况、盈利情况相契合，从侧面验证了评价方法的科学性以及评价结果的合理性、客观性。
2.4.3 综合评价结果
从对标分析结果看，在安全环保工作方面电厂通常能够很好地控制氮氧化物及污水等污染物排放，但往往忽视噪声的控制；在可靠性工作方面，电厂应做好机组的检修计划，提高机组等效可用系数，减少计划停运小时数，以提高发电计划完成率；在设备管理工作方面，发电集团下属各个电厂如使用同一品牌及型号机组，可以考虑高价值零部件的联合供备来减少备件库存资金的占用；主要运行指标对标结果表明电厂应采用技术先进的除盐水生产设备，提高除盐水产率是各项节水工作中相对更为重要的一项工作。

 3  结论及建议

本文在分析燃气电厂运行与管理方式的基础上，从安全环保指标、可靠性指标、设备管理指标、技术经济指标和主要运行指标5个方面建立了燃气电厂综合评价指标体系，同时，从客观赋权角度出发，以电厂指标数据之间的相互关系为基础，采用信息熵-主成分分析综合评价模型，进一步将理论算法与实际电厂相结合，验证了综合评价方法在不同品牌及不同级别燃气发电机组上的适用性，结果表明本文建立的指标体系以及采用的综合评价方法可以作为电厂对标管理工作的评价工具使用。
本文所述评价方法可以客观计算二级指标下各三级指标的权重，权重大小反映了该三级指标对评价二级指标优劣的重要性，同时也反映了该三级指标及对应具体管理工作在电厂相应分类管理工作中的重要程度，为电厂确定分类管理工作中各事项的优先次序及工作重点提供了参考。
目前燃气电厂综合评价指标体系及评价方法仅在有限的范围和时间内进行了测试与验证，还需在日后推广应用中进一步对指标体系及评价方法进行检验、优化及完善（比如三级指标采用熵权灰色关联度法等），通过评价方法及计算模型的改进使评价结果更加客观、公正。该方法已用于某集团部分燃气电厂及生产部门的日常对标管理工作，并取得良好效果。该方法可推广应用于行业竞赛及企业内部管理中，客观准确地评定燃气电厂的优势与不足。电厂管理人员还可以根据自身电厂的管理特点及个性化需求，对评价指标进行调整，依据评价结果找到电厂管理工作的改进方向，切实提高电厂管理水平。

参考文献上下滑动阅览

[1]

国家能源局石油天然气司 , 国务院发展研究中心资源与环境政策研究所 , 自然资源部油气资源战略研究中心 . 中国天然气发展报告 (2021)[R]. 北京 : 石油工业出版社 ,2021.

[2]

IEA. World Energy Outlook  2019[R]. Paris: IEA. 2019:180.

[3]

陆家亮 , 赵素平 , 孙玉平 , 等 . 中国天然气产量峰值研究及建议 [J]. 天然气工业 ,2018,38(1):1-9.

[4]

朱兴珊 , 樊慧 , 朱博骐 , 等 . “双碳”目标下中国天然气发展的关键问题 [J]. 油气与新能源 ,2022,34(1):13-19.

[5]

李富春,赵延芳,傅旭,等.青海天然气发电与新能源融合发展探讨[J].油气与新能源 ,2021,33(3):6-10,32.

[6]

秦锋 , 黄辉 , 马政宇 . 燃煤发电超低排放技术及其潜在影响分析 [J]. 煤气与热力 ,2015,35(2):A35-A39.

[7]

王世宏 . “十四五”能源规划应提高天然气发电比重 ( 市场观点 )[EB/OL].(2020-06-15)[2022-03-10].http:// paper.people.com.cn/zgnyb/html/2020-06/15/content_1992570.htm.

[8]

蒋洪德,任静,李雪英,等.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].中国电机工程学报 ,2014,34(29):5096-5102.

[9]

周凌安,申建建,李继红,等.日启停燃气机组调峰运行方法[J].中国电机工程学报 ,2017,37(20):5913-5921.

[10]

刘毅敏.浅谈重型燃气轮机现状与发展展望[J].中国设备工程 ,2017(5):1-2.

[11]

李孝堂 . 燃气轮机的发展及中国的困局 [J]. 航空发动机 ,2011,37(3):1-6.

[12]

李青 , 公维平 . 火力发电厂节能和指标管理技术 [M]. 北京 : 中国电力出版社 ,2006:47-105.

[13]

刘吉臻 , 杨光军 , 谭文 , 等 . 基于数据驱动的电站燃烧稳 定度综合评价 [J]. 中国电机工程学报 ,2007,27(3 5): 1-6.

[14]

杨勇平 , 吴殿法 , 王宁玲 . 基于组合权重 - 优劣解距离法 的火电机组性能综合评价 [J]. 热力发电 ,2016,45( 2): 1 0-15.

[15]

付忠广,齐敏芳.基于最大熵投影寻踪耦合的燃煤机组节能减排评价方法研究[J].中国电机工程学报 ,2014,34(26):4476-4482.

[16]

满若岩,付忠广.基于模糊综合评判的火电厂状态评估[J].中国电机工程学报,2009,29(5):5-10.

[17]

刘力 , 周建中 , 杨俊杰 , 等 . 基于信息熵的改进模糊综合评价方法 [J]. 计算机工程 ,2009,35(18):4-6.

[18]

罗毅 , 周创立 , 刘向杰 . 多层次灰色关联分析法在火电 机组运行评价中的应用 [J]. 中国电机工程学报 ,2012 , 32(17):97-103.

[19]

李靖华 , 郭耀煌 . 主成分分析用于多指标评价的方法研究 - 主成分评价 [J]. 管理工程学报 ,2002,16(1):39-43.

[20]

肖运启 , 王昆朋 , 贺贯举 , 等 . 基于趋势预测的大型风电机组运行状态模糊综合评价 [J]. 中国电机工程学报 ,2014,34(13):2132-2139.

[21]

徐静 , 郭万侦 . 多指标综合评价法在水电移民生产生 活水平评价中的应用研究 [J]. 水利发电学报 ,20 13, 32(6):294-301.

[22]

齐敏芳 , 付忠广 , 景源 , 等 . 基于信息熵与主成分分析 的火电机组综合评价方法 [J]. 电机工程学报 ,20 13, 33(2):58-64.

本文版权归《油气与新能源》编辑部所有

未经允许，不得转载

往期推荐

绿色金融赋能“一带一路”高质量发展

中国氦气市场发展前景展望

中国风光发电政策分析与展望

中国典型储能政策分析

“双碳”目标下中国天然气发展的关键问题

天然气销售企业人工智能技术应用研究

海南省氢能发展的战略思考与对策建议

油气田勘探数字化转型现状及展望

                                                                                                                                             编辑| 倪杰清
排版|陈   潇
校对|倪杰清
审核|张   曦
版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息