59、基于层次分析法的多标准决策及燃料喷雾燃烧特性研究

基于层次分析法的多标准决策及燃料喷雾燃烧特性研究

在能源领域，无论是热电厂给水加热器的选择，还是柴油发动机燃料的研究，都面临着复杂的决策和性能优化问题。下面将分别介绍层次分析法在热电厂加热器选择中的应用，以及柴油和生物柴油混合喷雾在类似柴油机工况下的点火和燃烧特性。

层次分析法在热电厂加热器选择中的应用

在电力生产中，选择合适的加热器对于提高能源效率和实现可持续发展至关重要。层次分析法（AHP）为解决这一复杂决策问题提供了有效的方法。

1. 决策背景与指标

选择加热器时需要考虑多个维度的指标，包括供应的可用性和安全性、可承受性和可靠性、能源和经济效率以及环境管理等四个维度的九个指标。具体到热电厂，选择最佳加热器取决于多个因素，如太阳能场面积、电厂的能源效率和火用效率、太阳能贡献、太阳能场的火用效率、单位热率（UHR）、燃料消耗的减少、灰分含量、二氧化碳减排等。

2. 参考电厂介绍

以一座基于俄罗斯技术、发电容量为210 MWe的燃煤热电厂为参考。该电厂在亚临界压力下运行，基于带有再热和回热的朗肯循环。其各给水加热器的运行参数如下表所示：
| 参数 | 单位 | LPH - 2 | LPH - 3 | LPH - 4 | HPH - 5 | HPH - 6 | HPH - 7 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 入口温度 | °C | 68.2 | 99.5 | 122.9 | 165.2 | 180 | 218.4 |
| 出口温度 | °C | 99.5 | 122.9 | 152.1 | 180 | 218.4 | 239 |
| 入口流量 | kg/s | 145 | 145 | 145 | 190 | 190 | 190 |
| 入口焓 | kJ/kg | 284.4 | 416.2 | 517.42 | 697 | 771.7 | 941.42 |
| 出口焓 | kJ/kg | 416.2 | 517.42 | 642.30 | 771.7 | 941.42 | 1035.15 |
| 所需太阳能功率 | MW | 19.11 | 14.68 | 18.11 | 14.19 | 32.25 | 17.81 |

3. 使用AHP选择最佳加热器的步骤

• 步骤一：构建模型并确定问题
  利用软件构建框架结构，明确各组件之间的关系，确定问题为从各种可用技术中选择并对加热器进行排名。
• 步骤二：建立组件间的成对相关框架/矩阵
  为每个决策依赖的组件/特征构建分析网格，使用1 - 9的标度来分配不同特征的重要性，1表示最不重要，9表示最重要。在比较两个参数时，使用这些标度的倒数进行反向分析。
• 步骤三：标准化矩阵/网格并计算特征向量权重和一致性比率
  对相关结果进行标准化，计算每个组件的特征向量和特征值，以获得特征向量的最大值。检查一致性比率（CR），该值应小于0.1。如果小于此值，则表示比较结果良好；如果高于此值，则需要重新检查相关性并提高一致性比率。在使用Super Decision软件时，可以直接从软件中查看CR值，并通过增强/减少参数关系来调整相关性比率。以下是AHP调查的各加热器指标分析值：
  | 参数 | 单位 | HPH - 7 | HPH - 6 | HPH - 5 | LPH - 4 | LPH - 3 | LPH - 2 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 电厂能源效率提高 | % | 4.98 | 6.69 | 2.28 | 3.27 | 2.04 | 1.82 |
  | 电厂火用效率提高 | % | 7.67 | 9.43 | 4.90 | 5.92 | 4.65 | 4.43 |
  | 单位热率降低 | % | 8.17 | 11.25 | 3.11 | 5.00 | 2.64 | 2.21 |
  | 太阳能场火用效率提高 | % | 9.48 | 9.00 | 8.57 | 7.65 | 6.78 | 5.62 |
  | 太阳能贡献 | % | 3.06 | 5.50 | 2.40 | 3.06 | 2.47 | 3.18 |
  | 燃料消耗减少 | % | 4.08 | 5.62 | 1.55 | 2.50 | 1.31 | 1.10 |
• 步骤四：制作超级矩阵、分析并对加热器进行排名
  使用软件根据所有标准进行相关性分析，形成超级矩阵。然后，在有效一致性比率的基础上研究各组件的权重，生成各组件之间的相对重要性，从而对加热器进行排名。以下是加权超级矩阵：
  | 簇 | RPEn | RPEx | Ex(PTC) | FR | SC | UHC | HPH - 5 | HPH - 6 | HPH - 7 | LPH - 2 | LPH - 3 | LPH - 4 | 最佳加热器 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | RPEn | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.02785 |
  | RPEx | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.08079 |
  | Ex(PTC) | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.17220 |
  | FR | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.21444 |
  | SC | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.06488 |
  | UHR | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.43984 |
  | HPH - 5 | 0.05952 | 0.08057 | 0.17798 | 0.05588 | 0.05345 | 0.05441 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | HPH - 6 | 0.46141 | 0.42923 | 0.26421 | 0.48675 | 0.50721 | 0.48900 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | HPH - 7 | 0.25619 | 0.23165 | 0.33383 | 0.25623 | 0.10814 | 0.25872 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | LPH - 2 | 0.03676 | 0.05565 | 0.03516 | 0.03066 | 0.13658 | 0.03000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | LPH - 3 | 0.04620 | 0.05948 | 0.07179 | 0.03802 | 0.05894 | 0.04058 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | LPH - 4 | 0.13991 | 0.14341 | 0.11703 | 0.13245 | 0.13569 | 0.12730 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |
  | 最佳加热器 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 |

各加热器的排名结果如下：
| 加热器 | 总计 | 归一化 | 理想值 | 排名 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| HPH - 5 | 0.0391 | 0.0782 | 0.1756 | 4 |
| HPH - 6 | 0.2227 | 0.4454 | 1.0000 | 1 |
| HPH - 7 | 0.1295 | 0.2591 | 0.5817 | 2 |
| LPH - 2 | 0.0201 | 0.0402 | 0.0903 | 6 |
| LPH - 3 | 0.0241 | 0.0483 | 0.1084 | 5 |
| LPH - 4 | 0.0644 | 0.1288 | 0.2893 | 3 |

从排名结果可以看出，HPH - 6排名第一，LPH - 2排名最后。但结果依赖于权重标准和分配给它们的相对重要性，根据不同情况调整各标准的重要性可能会得到不同的结果。

4. 决策结论

该研究旨在对热电厂太阳能替代后给水加热器的优先级进行评估。所提出的方法在理论和方法上有助于更好地理解复杂的决策过程。由于各加热器的太阳能功率需求差异很大（14 - 33 MW），需要较大的孔径面积（3 - 7公顷），因此使用AHP框架和Super Decision软件来确定各加热器的优先级。最终结果显示，HPH - 6的相对重要性最高（0.2227），LPH - 2最低（0.0201）。归一化后，排名第一和第二的替代品之间的相对重要性差异为41.83%，排名第一和最后的替代品之间的差异为90.97%。HPH - 6被选为首选替代品，结合太阳能的给水加热设备可以满足绿色发电的技术参数和挑战。

柴油和生物柴油混合喷雾在类似柴油机工况下的点火和燃烧特性

随着环境问题的日益突出和化石燃料储备的减少，寻找柴油发动机的替代燃料成为研究热点。生物柴油作为一种潜在的替代燃料，其与柴油的混合燃料在类似柴油机工况下的点火和燃烧特性值得深入研究。

1. 研究背景

近年来，由于环境问题、排放法规的严格要求、化石燃料储备的减少和石油价格的上涨，对柴油发动机替代燃料的研究不断增加。生物柴油因其生产技术的可用性和在现有发动机基础设施中的兼容性而受到关注。生物柴油混合柴油燃料由于其显著不同的物理和化学性质，对发动机性能和排放有很大影响。同时，现代小型发动机采用的共轨直喷（DI）系统会导致喷雾与壁面/活塞的相互作用，从而影响燃烧、热效率和排放形成。此外，活塞表面温度对排气排放有显著影响，热表面点火也会影响燃料喷雾的点火和燃烧特性。

2. 实验部分

• 实验设置
  使用商业柴油燃料（DF）和混合柴油（体积比为50%柴油 + 50%生物柴油）进行对比研究。生物柴油由废植物油通过酯交换过程制备。实验在圆柱形燃烧室内进行，燃烧室一侧安装有机械燃料喷射器，另一侧安装有热表面板。加热元件（电线）置于热板后面用于加热热板。燃料喷射器采用针阀喷嘴产生空心锥形喷雾，喷雾撞击热表面板。博世燃油喷射泵安装在机械系统上，通过燃油管与喷射器相连，喷射泵的柱塞由杠杆操作，杠杆通过手动驱动。通过燃油泵上的压力计获取燃油喷射压力（IP），通过燃烧室上的压力计获取气缸空气压力（CP）或预燃压力。燃烧室上安装的压阻式压力传感器用于感知燃烧引起的压力上升，K型热电偶用于指示热表面温度（HST）和气缸空气温度。燃烧室同一端安装有进气阀和排气阀，往复式空气压缩机用于产生不同压力的压缩空气。以下是实验设置的各组件：
  | 组件 | 说明 |
  | ---- | ---- |
  | 燃烧 chamber | 圆柱形，安装有燃料喷射器和热表面板 |
  | 燃料喷射器 | 针阀喷嘴，产生空心锥形喷雾 |
  | 加热元件 | 电丝，加热热表面板 |
  | 博世燃油喷射泵 | 提供燃油喷射压力 |
  | 压力计 | 测量燃油喷射压力和气缸空气压力 |
  | 压阻式压力传感器 | 感知燃烧压力上升 |
  | K型热电偶 | 指示热表面温度和气缸空气温度 |
  | 进气阀和排气阀 | 控制空气进出 |
  | 往复式空气压缩机 | 产生压缩空气 |
• 实验方法
  实验开始时，用压缩新鲜空气对燃烧室进行吹扫。将热表面温度（HST）维持在623 K（350 °C），通过进气阀向燃烧室内供应来自往复式压缩机的压缩空气，压力分别为20 bar（2 MPa）、30 bar（3 MPa）和40 bar（4 MPa）。在每个气缸压力值下，通过博世喷射器（通过针阀喷嘴）以固定的喷射压力（300 bar）将DF和生物柴油混合柴油（BD50）燃料喷射到恒容燃烧室（CVCC）中。在特定实验条件下，记录并保存DF和BD50撞击喷雾的喷射、点火和燃烧过程到示波器屏幕上。点火延迟（ID）以毫秒（ms）为单位测量，本研究中测量的ID是光学ID，通过使用光电传感器检测火焰亮度来测量。

3. 实验结果与分析

• ID和DOC随HST和CP的变化
  实验发现，随着HST和CP的增加，每种燃料的ID和燃烧持续时间（DOC）显著减少。在当前实验条件下，混合喷雾的ID和DOC明显小于柴油喷雾。这是由于所选燃料的性质存在明显差异。在所有CP下，生物柴油混合喷雾的ID在较低的HST（623 K）时比柴油喷雾下降幅度最大。两种燃料的ID随HST的变化呈非线性关系。
• 不同燃料DOC差异的变化
  在较高的HST（673 K）下，对于所有CP值，以及在较高的CP（40 bar）下，对于所有HST值，两种所选燃料的DOC差异减小。这表明在这些条件下，两种燃料的燃烧特性趋于相似。
• 生物柴油混合燃料的应用前景
  较高生物柴油含量的混合燃料在具有燃料撞击的直喷柴油发动机中似乎是一个有吸引力的选择，因为其较低的ID和DOC可以提高发动机的燃烧效率和性能。

综上所述，无论是热电厂加热器的选择还是柴油发动机替代燃料的研究，都需要综合考虑多个因素，并通过科学的方法进行决策和优化。层次分析法为加热器选择提供了有效的决策工具，而对柴油和生物柴油混合燃料的研究则为柴油发动机的可持续发展提供了新的思路。

基于层次分析法的多标准决策及燃料喷雾燃烧特性研究

热电厂加热器选择与燃料研究的综合分析

1. 两种研究的关联与互补性

热电厂加热器的选择和柴油发动机替代燃料的研究看似是两个不同的领域，但实际上它们在能源利用和可持续发展方面存在着紧密的关联和互补性。在热电厂中，选择合适的加热器可以提高能源效率，减少燃料消耗和排放，这与生物柴油混合燃料在柴油发动机中提高燃烧效率、减少排放的目标是一致的。例如，HPH - 6在热电厂加热器选择中排名第一，其对能源效率和燃料消耗的优化作用，与生物柴油混合燃料在发动机中降低点火延迟和燃烧持续时间从而提高燃烧效率的效果相呼应。两者都致力于在能源转换过程中实现更高效、更清洁的目标。

2. 对能源行业可持续发展的意义

这两项研究对于能源行业的可持续发展具有重要意义。在热电厂方面，通过AHP方法选择最佳加热器，可以合理配置能源资源，提高发电效率，减少对环境的影响。而在柴油发动机领域，生物柴油混合燃料的研究为减少对传统化石燃料的依赖提供了可能，有助于缓解能源短缺和环境污染问题。两者结合起来，从发电端到终端应用，形成了一个较为完整的能源可持续发展链条。

未来研究方向与展望

1. 热电厂加热器选择的拓展研究

• 更多影响因素的纳入 ：未来的研究可以考虑纳入更多影响加热器选择的因素，如加热器的维护成本、使用寿命、对电网稳定性的影响等。这些因素在实际决策中可能也起着重要作用，将它们纳入AHP模型可以使决策更加全面和准确。
• 动态模型的建立 ：目前的研究主要基于静态数据进行分析，未来可以建立动态模型，考虑到热电厂运行过程中的各种变化因素，如负荷波动、环境温度变化等，以实现更实时、更精准的加热器选择。

2. 生物柴油混合燃料的深入研究

• 更高比例生物柴油混合燃料的研究 ：虽然目前研究了50%柴油和50%生物柴油的混合燃料，但可以进一步研究更高比例生物柴油混合燃料的性能，探索其在不同发动机工况下的适用性和优化策略。
• 与其他替代燃料的混合研究 ：除了生物柴油与柴油的混合，还可以研究生物柴油与其他替代燃料（如氢气、天然气等）的混合，以开发出更高效、更环保的燃料组合。

总结与建议

1. 总结

• 在热电厂加热器选择中，AHP方法通过对多个指标的综合分析，为选择最佳加热器提供了科学的决策依据。HPH - 6在各项指标评估中表现突出，被选为首选替代品。
• 在柴油发动机燃料研究中，生物柴油混合燃料在降低点火延迟和燃烧持续时间方面表现出明显优势，尤其是在较高生物柴油含量的情况下，对于提高发动机燃烧效率和性能具有积极意义。

2. 建议

• 对于热电厂运营商来说，在选择加热器时应充分考虑各种因素，运用AHP等科学方法进行决策，以提高能源利用效率和经济效益。
• 对于柴油发动机制造商和用户，应积极探索生物柴油混合燃料的应用，根据不同的发动机工况和需求，选择合适比例的混合燃料，以实现节能减排的目标。

以下是一个mermaid格式的流程图，展示了从热电厂加热器选择到柴油发动机燃料应用的综合流程：

graph LR
    A[热电厂加热器选择] --> B[确定决策指标]
    B --> C[构建AHP模型]
    C --> D[计算权重和排名]
    D --> E[选择最佳加热器]
    F[柴油发动机燃料研究] --> G[选择实验燃料]
    G --> H[设置实验条件]
    H --> I[进行实验测试]
    I --> J[分析实验结果]
    J --> K[确定最佳燃料组合]
    E --> L[提高热电厂能源效率]
    K --> M[提高柴油发动机燃烧效率]
    L & M --> N[能源行业可持续发展]

通过以上研究和分析，我们可以看到在能源领域，无论是热电厂还是柴油发动机，都有很大的优化空间。通过科学的决策方法和不断的研究探索，我们可以实现能源的高效利用和可持续发展，为未来的能源供应和环境保护做出贡献。

研究领域	关键成果	未来研究方向
热电厂加热器选择	HPH - 6排名第一，AHP方法有效	纳入更多影响因素，建立动态模型
柴油发动机燃料研究	生物柴油混合燃料降低ID和DOC	研究更高比例混合燃料，与其他替代燃料混合