一种有机朗肯循环系统多指标综合评估方法与流程

本发明涉及一种基于层次分析法和模糊综合评价的余热能回收利用有机朗肯循环综合评估决策系统的技术领域，具体来说属于热力循环技术领域。

背景技术：

随着经济社会发展，能源短缺和环境污染的问题日益突出，开展节能减排是缓解这两大问题的有效途径。余热(如内燃机余热和工业余热等)资源的回收利用技术，对于减少能源消耗和温室气体的排放具有重要意义。其中有机朗肯循环发电是一种有效的余热利用方式。

目前针对不同领域余热回收利用的有机朗肯循环技术研究较多，但总体来说还处于探索和起步阶段，对有机朗肯循环系统的优化研究大多停留在热力学层面，热力学性能的提升往往以牺牲系统的经济性和安全环保性为代价。无其他系统性能指标(如系统经济性和安全环保性)作为约束条件的单指标热力性能优化结果往往与实际应用情况不符，限制了系统的应用。仅从热力学单指标的角度很难对不同有机朗肯循环系统进行全面、科学的综合评价决策。因此建立并完善适用广泛的余热回收有机朗肯循环评价指标集，包含系统安全环保可靠性能、系统热力学性能和系统经济性能等，并开展有机朗肯循环多指标评价决策方面的研究有重要意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种有机朗肯循环系统多指标综合评估方法。本发明目的是研究评估有机朗肯循环的众评价指标、评估系统和评估决策方法，提供一种广泛使用于余热回收的有机朗肯循环综合评估决策系统，有效开展对不同系统的直观、综合评估。

本发明提出的一种有机朗肯循环系统多指标综合评估方法，包括以下步骤：

步骤一、建立有机朗肯循环系统评价指标集，包括系统安全环保可靠性能指标、系统热力学性能指标和系统经济性能指标；其中，所述系统安全环保可靠性能指标至少包括工质毒性/可燃性、臭氧消耗潜值ODP、全球变暖潜能GWP和耐压性能；所述系统热力学性能指标至少包括净输出功、热效率、效率；所述系统经济性能指标至少包括：系统投资成本、单位发电量所需换热面积、单位发电量成本、净现值；

步骤二、根据步骤二评价指标集中指标属性分层归类构成一包括有系统安全环保可靠性、系统热力学性能和系统经济性能三个层次的评估构架，从而从不同视角反映被评估系统的整体综合性能；三个层次分别反映A系统安全环保可靠性类、B系统热力学性能类和C系统经济性能类指标；其中，A系统安全环保可靠性类指标包括：A1工质毒性/可燃性、A2臭氧消耗潜值ODP、A3全球变暖潜能GWP、A4系统设备耐压性能；B系统热力学性能类指标包括：B1净输出功、B2热效率、B3效率；C系统经济性能类指标包括：C1单位发电量所需换热面积、C2单位发电量成本、C3净现值；

步骤三、基于层次分析法确定步骤二所建立的有机朗肯循环系统各层次指标的基础权重、确定多个待评价系统中同一指标的归一化权重；

步骤四、根据步骤三得到的多个待评价系统中同一指标的归一化权重，建立隶属度评价矩阵；根据步骤三得到的各层次指标的基础权重获得权重向量；根据隶属度评价矩阵和权重向量采用模糊综合评价方法获得多个待评价系统多层次的综合量化评价指标，实现对不同有机朗肯循环系统的综合评估。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法的优点及有益效果是：本发明建立了广泛适用于余热回收的有机朗肯循环综合评估决策系统，完善了系统评价指标，拓展了热力学单指标评价决策的局限性。根据众评价指标属性分层归类，建立了分层次多角度的评估系统架构。采用的层次分析法和模糊综合评价方法，科学合理、实用性强，能全面直观地实现系统间综合评估决策。本发明突破有机朗肯循环单指标评价的局限，从实际应用出发，考虑了多角度多层次的评价指标影响，为有机朗肯循环系统多目标优化的实际应用提供指导，有积极的现实意义。

附图说明

图1是本发明有机朗肯循环综合评估方法的流程图；

图2是本发明中建立的评价指标架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明一种有机朗肯循环系统多指标综合评估方法，包括以下步骤：

步骤一、通过全面梳理影响余热回收有机朗肯循环系统应用的评价指标，本发明中建立有机朗肯循环系统评价指标集主要包括有：系统安全环保可靠性能指标、系统热力学性能指标和系统经济性能指标；其中，所述系统安全环保可靠性能指标至少包括工质毒性/可燃性、臭氧消耗潜值ODP、全球变暖潜能GWP和耐压性能；所述系统热力学性能指标至少包括净输出功、热效率、效率；所述系统经济性能指标至少包括：系统投资成本、单位发电量所需换热面积、单位发电量成本、净现值；如图1所示。

步骤二、系统整理上述评价指标集中具有代表性的能反映系统整体综合性能的关键性指标，初步确立由系统安全环保可靠性、系统热力学性能和系统经济性能共3层指标集构成有机朗肯循环综合评估决策基本架构，因此，根据步骤二评价指标集中指标属性分层归类构成一包括有系统安全环保可靠性、系统热力学性能和系统经济性能三个层次的评估构架，从而从不同视角反映被评估系统的整体综合性能；三个层次分别反映A系统安全环保可靠性类、B系统热力学性能类和C系统经济性能类指标；其中，A系统安全环保可靠性类指标包括：A1工质毒性/可燃性、A2臭氧消耗潜值ODP、A3全球变暖潜能GWP、A4系统设备耐压性能；B系统热力学性能类指标包括：B1净输出功、B2热效率、B3效率；C系统经济性能类指标包括：C1单位发电量所需换热面积、C2单位发电量成本、C3净现值；如图2所示。

步骤三、基于层次分析法确定步骤二所建立的有机朗肯循环系统各层次指标的基础权重、确定多个待评价系统中同一指标的归一化权重；并根据多个待评价系统中同一指标的归一化权重建立隶属度评价矩阵；根据各层次指标的基础权重获得权重向量；具体内容如下：

(3-1)建立比较矩阵：

采用层次分析法(AHP)，选取同一层级指标集，如A系统安全环保可靠性类指标(A1工质毒性/可燃性、A2臭氧消耗潜值ODP、A3全球变暖潜能GWP、A4系统设备可靠性能)，通过两两二元对比评价指标的相对重要性，形成评价指标的比较矩阵。采取的方法是：针对判断矩阵的准则，其中两个元素两两比较哪个重要，重要多少，对重要性程度按1-9赋值，见表1。

表1重要性标度含义表

利用层次分析法对评估系统间不同评价指标赋予权重，由于层次分析法是按照评价指标间的两两比较得出重要性指标进而获得指标间的权重。在此评估系统中不同层级的评价指标属性不同往往不具有可比性，所以评价指标的赋予是在三个层级之间进行的，即分别获得A系统安全环保可靠性类4个指标(A1、A2、A3、A4)、B系统热力学性能类3个指标(B1、B2、B3)和C系统经济性能类3个指标(C1、C2、C3)的指标间归一化权重。

现以A层级系统安全环保可靠性类4个指标的权重获得为例进行说明：

A层级的建立比较判断矩阵A＝(aij)4×4

其中aij表示指标i与指标j相对重要度之比。

按照表1的重要性标度，通过对A层级4个指标进行两两比较建立如表2所示的判断矩阵。

表2判断矩阵

设填写后的判断矩阵为A＝(aij)n×n，判断矩阵具有如下性质：

(1)aij〉0

(2)aji＝1/aji

(3)aii＝1

(3-2)计算权向量：

1)将判断矩阵A按列归一化(即列元素之和为1)：bij＝aij/Σaij；

2)将归一化的矩阵按行求和：ci＝Σbij(i＝1，2，3….n)；

3)将ci归一化：得到特征向量W＝(w1，w2，…wn)^T，wi＝ci/Σci，

W即为A的指标间权重向量的近似值；

4)求特征向量W对应的最大特征值λmax：

(3-3)一致性检验：

在特殊情况下，判断矩阵可以具有传递性和一致性。一般情况下，并不要求判断矩阵严格满足这一性质。但从人类认识规律看，一个正确的判断矩阵重要性排序是有一定逻辑规律的，例如若A比B重要，B又比C重要，则从逻辑上讲，A应该比C明显重要，若两两比较时出现A比C重要的结果，则该判断矩阵违反了一致性准则，在逻辑上是不合理的。

因此在实际中要求判断矩阵满足大体上的一致性，需进行一致性检验。只有通过检验，才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的，才能继续对结果进行分析。

一致性检验的步骤如下。

第一步，计算一致性指标C.I.(consistency index)

第二步，查表确定相应的平均随机一致性指标R.I.(random index)

据判断矩阵不同阶数查下表，得到平均随机一致性指标R.I.。例如，对于5阶的判断矩阵，查表3得到R.I.＝1.12

表3平均随机一致性指标R.I.表(1000次正互反矩阵计算结果)

第三步，计算一致性比例C.R.(consistency ratio)并进行判断

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，C.R.>0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行重新修正。

按照上述步骤计算并检验一致性合格时，可获得A系统安全环保可靠性类4个指标(A1、A2、A3、A4)的归一化权重(ωA1,ωA2,ωA3,ωA4)。

依照上述方法和步骤可获得关于第二层级B系统热力学性能类3个指标(B1、B2、B3)的归一化权重(ωB1,ωB2,ωB3)和第三层级C系统经济性能类3个指标(C1、C2、C3)的归一化权重(ωC1,ωC2,ωC3)。

(3-4)确定不同系统间同一指标的相对隶属度

对于待评价的n个系统方案的众多指标要逐一比较确定它们的相对隶属度，建立不同系统间同一指标的比较评判矩阵进而获得隶属度。评价决策对象为n个有机朗肯循环系统，构成评价决策集V＝(v1 v2 ... vn)，其中vi代表第i个决策方案。

采用上述(3)步骤的层次分析法获得n个系统方案的同一评价指标的相对隶属度，通过建立n个系统方案针对同一指标的评价矩阵，通过归一化处理和一致性检验获得针对此单一评价指标的隶属度。现以n个系统方案的B类热力学性能指标的净输出功B1单一指标隶属度的计算为例进行说明。

建立n个系统方案针对净输出功B1指标的评判矩阵V＝(vij)n×n

其中vij表示针对n个系统方案的B类热力学性能指标的净输出功B1指标i与指标j相对重要度之比。

表4n个系统间同一指标判断矩阵

通过对n个系统间针对同一指标判断矩阵做归一化处理获得针对净输出功B1单一指标的隶属度(v1B1,v2B2,...vnB1)。

按照同样的方法获得针对第一层级A系统安全环保可靠性类4个单一指标(A1、A2、A3、A4)的n个系统间的隶属度，分别为(v1A1,v2A2,...vnA1)、(v1A2,v2A2,...vnA2)、(v1A3,v2A3,...vnA3)、(v1A4,v2A4,...vnA4)；针对第二层级B系统热力学性能类3个单一指标(B1、B2、B3)的n个系统间的隶属度，分别为(v1B1,v2B1,...vnB1)、(v1B2,v2B2,...vnB2)、(v1B3,v2B3,...vnB3)；针对第三层级C系统经济性能类3个单一指标(C1、C2、C3)的n个系统间的隶属度，分别为(v1C1,v2C1,...vnC1)、(v1C2,v2C2,...vnC2)、(v1C3,v2C3,...vnC3)。

步骤四、根据步骤三得到的隶属度评价矩阵和权重向量采用模糊综合评价方法获得多个待评价系统多层次的综合量化评价指标，最终实现对不同有机朗肯循环系统的综合评估。具体内容如下：

评价决策对象为n个有机朗肯循环系统，构成评价决策集

V＝(v1 v2 ... vn)，其中vi代表第i个决策方案。

1.第一层级模糊优选：第一层级模糊评判矩阵R1为

式中，vAij代表第j个方案在第i个指标因素下的相对隶属度，R1为第一层级四个评价指标在n个有机朗肯循环系统的隶属度评价矩阵。

通过上述第(3)的层次分析法获得的第一层级权重集W1为

W1＝(ωA1,ωA2,ωA3,ωA4)

通过模糊运算得到第一层级模糊优选评判集

B1＝W1·R1＝(b11 b12 ... b1n)

2.第二层级模糊优选：第二层级模糊评判矩阵R2为

式中，vBij代表第j个方案在第i个指标因素下的相对隶属度，R2为第二层级三个评价指标在n个有机朗肯循环系统的隶属度评价矩阵，b11，b12，…，b1n为第一层级模糊优选评判集。

层级间权重公式wbi＝1/(ni+1+1)，式中ni+1为第i+1层级中指标的个数。

通过上述第(3)的层次分析法获得的层级间指标权重与层级间权重做归一化处理获得权重集W2为

W2＝(wB1 wB2 wB3 wbi)

通过模糊运算得到第二层级模糊优选评判集

B2＝W2·R2＝(b21 b22 ... b2n)

3.同样的方法可以获得第三层级模糊优选评判集

B3＝W3·R3＝(b31 b32 ... b3n)

通过获得的三层级评判集归一量化的综合评价指数可以直观、多角度、分层次地对n个系统方案进行评估决策，综合评价指数越高系统越优。

第一层级评判集可按照综合评价指数对n个系统方案的系统安全环保可靠性评估决策；

第二层级评判集可按照综合评价指数对n个系统方案的系统安全环保可靠性+系统热力学性能评估决策；

第三层级评判集可按照综合评价指数对n个系统方案的系统安全环保可靠性+系统热力学性能+系统经济性能评估决策。

以用于回收内燃机余热能的七个有机朗肯循环系统的评价决策为例说明上述综合评估系统的可行性。

表5七个有机朗肯循环系统方案信息

获得的七个有机朗肯循环系统的评价指标参数如下表6。

表6七个有机朗肯循环系统的评价指标参数

表6中：

第二列毒性/可燃性，其中A、B、C代表毒性等级，逐级增大；1、2、3…代表可燃性等级，逐级增大；

第三列ODP代表臭氧层消耗潜值；

第四列GWP代表全球变暖潜值，均为越小越优；

第五列设备可靠性，按照设备承压能力计，压力越小越优；

第九列APR代表单位发电量所需换热面积，单位为平方米/度电(m²/kWh)；

第十列EPC代表单位发电量成本，单位为美元/度电($/kWh)；

第十一列NPV代表净现值(评价未来盈利能力的经济学指标)，单位为美元($)，计算15年净现值。

按照上述基于层次分析法和模糊综合评价的有机朗肯循环综合评估决策系统开展对上述七个有机朗肯循环系统的评价决策。获得Case1-Case7的三个层级评判集如下：

B1＝(0.1605 0.1423 0.1218 0.1037 0.1695 0.1397 0.1624)

B2＝(0.1140 0.1472 0.1286 0.1358 0.0948 0.1253 0.2543)

B3＝(0.1547 0.1998 0.1445 0.1397 0.1157 0.0824 0.1632)

从综合层次模糊评价结果可以得出以下结论(综合评价指数越高系统越优)：

1.基于第一层级系统循环工质安全、环保和系统可靠性的角度，评价结果优劣排序为

Case5＞Case7＞Case1＞Case2＞Case6＞Case3＞Case4；

2.基于第二层级工质安全环保性和系统可靠性+热力学性能指标的角度，评估结果优劣为

Case7＞Case2＞Case4＞Case3＞Case6＞Case1＞Case5；

3.基于第三层级工质安全环保性和系统可靠性+热力学性能指标+经济性能指标的角度，评估结果优劣为

Case2＞Case7＞Case1＞Case3＞Case4＞Case5＞Case6。

综上，本发明一种有机朗肯循环系统多指标综合评估方法是一种较为全面的评估用于余热能回收利用有机朗肯循环技术的方法，建立完善了系统评价指标集，按照不同应用情景和评价指标属性将众评价指标分层归类处理，利用层次分析法确定评价指标权重，采用模糊综合评价方法获得各层次及整体评估结果，直观、综合地用于不同系统间的评估决策。本发明建立了完善的有机朗肯循环评估决策系统，综合考虑了系统安全环保可靠性能、系统热力学性能和系统经济性能等，可开展对系统进行全面综合评价决策及针对性优化。