鄧敏慧，周研來，桑連海

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上?！?00941; 2.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢　430010;3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢　430072)

?

長江流域火電工業(yè)取用水定額多目標評價分析

鄧敏慧1，周研來2,3，桑連海2

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海200941; 2.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢430010;3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢430072)

摘要：針對單目標評價方法無法有效地評價火電工業(yè)取用水定額的優(yōu)劣程度問題，基于投影尋蹤法對長江流域火電工業(yè)取用水定額進行了多目標評價。首先分析了單目標評價方法對火電工業(yè)取用水定額的優(yōu)劣評價結(jié)果；在此基礎(chǔ)上開展了基于投影尋蹤法的長江流域火電工業(yè)取用水定額的多目標評價研究。研究結(jié)果表明：長江下游地區(qū)的江蘇華能太倉電廠三期工程的綜合評分最高，而長江下游地區(qū)的江蘇南通新區(qū)熱電廠二期擴建工程的綜合評分最低，評價結(jié)果相對合理客觀?；谕队皩ほ櫡ǖ亩嗄繕嗽u價相比單目標評價方法，可有效傳遞和辨識評價指標的信息價值，可給出長江流域火電工業(yè)取用水定額合理且客觀的綜合評價，推薦采用差評、合格、良好和優(yōu)異4級綜合指標劃分法對火力發(fā)電廠取用水定額進行分級評價。

關(guān)鍵詞：火電工業(yè)；取用水定額；長江流域；投影尋蹤法；單目標評價

1研究背景

隨著長江流域經(jīng)濟發(fā)展、人口增加，流域內(nèi)水資源供給越發(fā)緊張，做好長江流域內(nèi)水量合理利用和優(yōu)化分配的要求也越來越強烈。目前長江流域取用水定額管理存在的突出問題之一為取用水定額考核指標主要是采用單一評價指標，即根據(jù)各單位的生產(chǎn)產(chǎn)量或產(chǎn)值來定額考核，無法綜合評判工業(yè)的取用水定額的合理性[1-2]。由于缺乏系統(tǒng)、全面的取用水定額評價指標，目前關(guān)于火電工業(yè)取用水定額合理性的一些簡單評判很容易產(chǎn)生似是而非的結(jié)論，且單目標評價方法仍然是火電工業(yè)取用水定額合理性的主要方法[3-7]。

針對火電工業(yè)取用水定額的單目標評價方法存在傳遞和辨識評價指標信息價值的低效率問題，本文采用基于投影尋蹤法對長江流域火電工業(yè)取用水定額進行多目標評價。首先分析單目標評價方法對火電工業(yè)的取用水定額優(yōu)劣評價結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上開展基于投影尋蹤法的長江流域火電工業(yè)取用水定額的多目標評價研究。

2現(xiàn)狀分析及多目標評價方法

2.1現(xiàn)狀分析根據(jù)長江流域近5 a來21個新建火電工程取用水定額的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果[3](詳見表1)，采用600 MW級和300 MW級機組的循環(huán)冷卻電廠數(shù)量占統(tǒng)計的循環(huán)冷卻電廠數(shù)量的80%，在一定程度上說明，300 MW級和600 MW級機組仍是當前長江流域內(nèi)循環(huán)冷卻火電廠的主力機組，而直流冷卻火電廠以1 000 MW級機組為主。2.2多目標評價方法

2.2.1評價指標

根據(jù)國家火電工業(yè)現(xiàn)行相關(guān)標準、規(guī)范、規(guī)劃要求，我國火電工業(yè)常用取用水定額包括單位發(fā)電量取水量和裝機水耗率2項指標。為綜合評價流域內(nèi)火電工業(yè)取用水定額合理性和生產(chǎn)工藝的先進性，將機組裝機容量、年利用小時數(shù)也納入多目標評價指標體系。各多目標評價指標描述如下。

2.2.1.1設(shè)計單位發(fā)電量取水量最小化

單位發(fā)電量取水量，定義為火力發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)每單位發(fā)電量需要從各種常規(guī)水資源提取的水量(《取水定額 第1部分 火力發(fā)電》(GB/T 18916.1—2012))。用水效率合理性和生產(chǎn)工藝先進性的直接評價指標之一為設(shè)計單位發(fā)電量取水量最小化，即

表1　長江流域部分新建火力發(fā)電廠取用水定額統(tǒng)計結(jié)果[3]

注：“[ ]”內(nèi)的數(shù)值為按升序方法的排位序號。

(1)

式中:Vui為設(shè)計單位發(fā)電量取水量(m3/(MW·h))；Vi為在一定計量時間內(nèi)，生產(chǎn)過程中取水量總和(m3)；Q為在一定計量時間內(nèi)的發(fā)電量(MW·h)。2.2.1.2單位裝機容量取水量最小化

單位裝機容量取水量，定義為按火力發(fā)電企業(yè)單位裝機容量核定的取水量(《取水定額 第1部分 火力發(fā)電》(GB/T 18916.1—2012))。該指標主要用于火電廠規(guī)劃與設(shè)計。用水效率合理性和生產(chǎn)工藝先進性的直接評價指標之一為全廠裝機水耗率最小化：

(2)

式中：Vc為單位裝機容量取水量(m3/(s·GW))；Vh為夏季純凝工作機組滿負荷運行的單位時間取水量(m3/s)；N為裝機容量(GW)。

2.2.1.3機組裝機容量最大化

總裝機容量是指該系統(tǒng)實際安裝的發(fā)電機組額定有效功率的總和。用水效率合理性和生產(chǎn)工藝先進性的間接評價指標之一為機組裝機容量最大化maxN(N為裝機容量(GW))。

2.2.1.4機組年利用小時數(shù)最小化

發(fā)電機組利用小時數(shù)等于全年發(fā)電量除以機組裝機容量。用水效率合理性和生產(chǎn)工藝先進性的間接評價指標之一為機組年利用小時數(shù)最小化minU(U為發(fā)電機組利用小時數(shù)(h))。

為了統(tǒng)一評價各指標的優(yōu)劣情況，需進行規(guī)范化處理，將各指標值處理為具有相同量綱和評判標準的屬性值。一般分為如下2類。

(1) 成本型指標。越小越優(yōu)，如設(shè)計單位發(fā)電量取水量、單位裝機容量取水量和機組年利用小時數(shù)。計算公式為

(3)

(2) 效益型指標。越大越優(yōu)，如機組裝機容量，其計算公式為

(4)

2.2.2投影尋蹤法

根據(jù)評價指標權(quán)重系數(shù)的確定方法，可將多目標評價方法分為主觀為主和客觀為主的評價方法[8]。與以主觀為主的層次分析法相比，以客觀為主的投影尋蹤法，其評價結(jié)果的客觀性和可比性較好，主觀定性因素對評價結(jié)果的影響較小，可有效避免評價指標維數(shù)災(zāi)。

投影尋蹤法的多目標評價過程主要包括以下幾個步驟[8-9]：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3結(jié)果分析

3.1單目標分析結(jié)果

圖1　各評價指標的箱型統(tǒng)計Fig.1　Boxplot for different evaluation indexes

分別從設(shè)計單位發(fā)電量取水量、單位裝機容量取水量、機組年利用小時數(shù)和裝機容量單個評價指標出發(fā)，對表1中各火力發(fā)電廠的取用水定額進行單目標評價分析，結(jié)果如表1所示，圖1給出了各評價指標的箱型統(tǒng)計數(shù)據(jù)。據(jù)表1和圖1可知：

(1) 從設(shè)計單位發(fā)電量取水量指標評價，評分最高的是長江下游地區(qū)的江蘇沙洲電廠二期工程(0.28 m3/(MW·h))；評分最低的是長江下游地區(qū)的安徽國電舒城電廠一期(3.43 m3/(MW·h))。

(2) 從單位裝機容量取水量指標評價，評分最高的是長江下游地區(qū)的江蘇沙洲電廠二期工程(0.078 m3/(s·GW))；評分最低的是長江下游地區(qū)的江蘇南通新區(qū)熱電廠二期擴建工程(0.844 m3/(s·GW))。

(3) 從機組年利用小時數(shù)指標評價，評分最高的是長江上游地區(qū)的四川攀鋼煤矸石綜合利用自備電廠工程(4 500 h)；評分最低的是長江中游地區(qū)的陜西商洛發(fā)電廠一期工程(7 000 h)。

(4) 從裝機容量指標評價，評分最高的是長江下游地區(qū)的江蘇華能太倉電廠三期工程(2.4 GW)；評分最低的是長江上游地區(qū)的四川攀鋼煤矸石綜合利用自備電廠工程(0.3 GW)。

從單目標評價指標角度來分析長江流域火力發(fā)電廠的取用水定額的優(yōu)劣程度，各評價指標之間并非存在正相關(guān)關(guān)系，如設(shè)計單位發(fā)電量取水量指標評分最低的電廠，其單位裝機容量取水量指標評分并非也是最低。因此，單目標評價方法無法有效地評價長江流域火力發(fā)電廠的取用水定額的優(yōu)劣程度。

3.2投影尋蹤法評價結(jié)果

(1) 加速遺傳算法的參數(shù)設(shè)置[9]：種群規(guī)模M=400；最大迭代次數(shù)G=100，交叉概率Pc=0.80；變異概率Pm=0.20。

由最佳投影方向可以看出，在選定的4個指標中，單位裝機容量取水量和設(shè)計單位發(fā)電量取水量為決策者提供的有用價值信息較大，權(quán)重較大，裝機容量則次之，而權(quán)重最小的為機組年利用小時數(shù)。

(1) 21個火力發(fā)電廠取用水定額的優(yōu)劣排序為(11，14，15，17，10，7，3，9，5，12，13，20，18，19，6，8，1，2，4，21，16)，其中長江中游地區(qū)的江蘇華能太倉電廠三期工程(設(shè)計單位發(fā)電量取水量0.32 m3/(MW·h)，單位裝機容量取水量0.090 m3/(s·GW)，機組年利用小時數(shù)為5 500 h，裝機容量指標為2.4 GW的綜合評分最高；而長江中游地區(qū)的江蘇南通新區(qū)熱電廠二期擴建工程(設(shè)計單位發(fā)電量取水量為3.04 m3/(MW·h)，單位裝機容量取水量為0.844 m3/(s·GW)，機組年利用小時數(shù)為5 000 h，裝機容量指標為0.6 GW)的綜合評分最低，評價結(jié)果相對合理客觀。

(2) 長江中下游地區(qū)火力發(fā)電廠的取用水定額綜合評分整體相對較好(含排名前5的火力發(fā)電廠)，但長江上中下游地區(qū)取用水定額綜合評分較差的火力發(fā)電廠分布也相對均勻(上游有排名第17位的電廠；中游有排名20和19位的電廠；下游有排名21位的電廠)。

圖2　長江流域火電行業(yè)取用水定額的分類等級劃分Fig.2　Ranks for the water intake quantity and quota offossil-fuel power stations in Changjiang River Basin

4結(jié)語

本文對比分析了單目標評價方法與基于投影尋蹤的多目標評價方法在長江流域火電工業(yè)取用水定額現(xiàn)狀評價中的應(yīng)用，結(jié)果表明：

(1) 長江中游地區(qū)的江蘇華能太倉電廠三期工程的綜合評分最高；而長江中游地區(qū)的江蘇南通新區(qū)熱電廠二期擴建工程的綜合評分最低，評價結(jié)果相對合理客觀。

(2) 因各評價指標之間并非存在正相關(guān)關(guān)系，單目標評價方法無法有效地評價長江流域火力發(fā)電廠的取用水定額的優(yōu)劣程度，而基于投影尋蹤法的多目標評價相比單目標評價方法，可有效傳遞和辨識評價指標的信息價值，可給出長江流域火力發(fā)電廠取用水定額合理且客觀的綜合評價。

(3) 單位裝機容量取水量和設(shè)計單位發(fā)電量取水量指標為決策者提供的有用價值信息較大，權(quán)重較大，裝機容量指標則次之，而權(quán)重最小的為機組年利用小時數(shù)指標。

建議取用水定額綜合評分較差的電廠應(yīng)加強與用水工藝相對合理和先進的電廠交流學(xué)習(xí)，以提高電廠自身在區(qū)域火力發(fā)電工業(yè)的競爭力。

參考文獻：

[1]黃薇, 陳進. 長江流域產(chǎn)水,用水特點與節(jié)水防污問題[J]. 中國水利, 2006, (20): 6-8.

[2]劉強, 桑連海. 我國取用水定額管理存在的問題及對策[J]. 長江科學(xué)院院報, 2007, 24(1): 16-19.

[3]桑連海, 曾祥, 張勁,等. 長江流域火電工業(yè)取用水量及定額分析[J]. 長江科學(xué)院院報, 2014, 31(12): 17-20.

[4]陳興科. 基于濃縮倍比的火電廠排水對河流水質(zhì)影響分析[J]. 人民長江, 2012, 43(23): 78-84.

[5]韓買良. 火力發(fā)電行業(yè)用水分析及對策[J]. 工業(yè)水處理, 2010 (2): 4-7.

[6] 姜蓓蕾, 王麗麗. 我國火電行業(yè)用水效率及節(jié)水措施分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟, 2010, 16(3): 264-266.

[7]賈紹鳳, 張士鋒, 王浩. 用水合理性評價指標探討[J]. 水科學(xué)進展, 2003, 14(3): 260-264.

[8]方國華，黃顯峰. 多目標決策理論、方法及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011.

[9]金菊良，楊曉華，丁晶. 基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2000, 32(4): 20-24.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Multi-objective Evaluation of Water Intake Quantity and Quota forFossil-fuel Power Stations in Changjiang River Basin

DENG Min-hui1, ZHOU Yan-lai2,3, SANG Lian-hai2

(1.Baoshan Iron and Steel Limited Company, Shanghai200941, China; 2.Water Resources Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 3.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan430072, China)

Abstract:Single-objective evaluation method cannot effectively evaluate the rationality of water intake quantity and quota of fossil-fuel power station. In view of this, a multi-objective evaluation method based on projection pursuit was employed to evaluate the reasonability of water intake quantity and quota of fossil-fuel power stations in Changjiang River basin. Firstly, single-objective evaluation method was applied to evaluation and the result was analyzed. On this basis, multi-objective evaluation was conducted. Results show that the comprehensive score of Taicang fossil-fuel power station phase III is the highest and Nantong thermal power plant phase II is the lowest. This multi-objective evaluation method based on projection pursuit could effectively identify the information value of evaluation indexes, and give rational and objective assessment result. Four ranks (unqualified, qualified, good, and excellent) are recommended for the rating.

Key words:fossil-fuel power station; water intake quantity and quota; Changjiang River Basin; projection pursuit method; single-objective evaluation

中圖分類號：TV213.9

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0023-05

doi:10.11988/ckyyb.201501282016,33(05):23-27

作者簡介：鄧敏慧(1984-)，女，四川南充人，工程師，主要從事火電廠用水管理研究，(電話)13611760610(電子信箱)dengminhui@baosteel.com。通訊作者：周研來(1985-)，男，湖南婁底人，工程師，博士，主要從事水文學(xué)及水資源開發(fā)利用研究，(電話)027-82927557(電子信箱)zyl23bulls@whu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51509008)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2015CFB217)；武漢大學(xué)水資源水電工程科學(xué)國家重點實驗室開放基金項目(2014SWG02)

收稿日期：2015-02-09； 修回日期：2015-08-25