動力裝置蒸汽預(yù)熱供汽的多方案綜合評估方法

張鵬

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

0 引 言

某動力裝置需要提前預(yù)熱才能正常作業(yè)，因此需要配置一套蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)，以滿足動力裝置的使用需求。根據(jù)動力裝置的預(yù)熱要求，可以有多種蒸汽預(yù)熱供汽方案備選，其方案優(yōu)選的科學(xué)性對增強動力裝置的綜合性能具有重要的現(xiàn)實意義；但是目前的方案優(yōu)選大多屬于定性分析和經(jīng)驗決策，存在較大的主觀隨意性，在很大程度上影響了方案優(yōu)選的準(zhǔn)確性。以上問題雖然引起了國內(nèi)有關(guān)部門的高度重視，也開展了相關(guān)的研究工作，但大多停留在理論研究階段，且研究內(nèi)容相對零散，在關(guān)鍵技術(shù)問題上也沒有突破。從目前的研究現(xiàn)狀來看，已有的研究成果難以有效支撐蒸汽動力裝置的多方案評估與優(yōu)選。

為此，本文將根據(jù)系統(tǒng)工程的相關(guān)理論，按照系統(tǒng)綜合評估的一般步驟對備選方案進行定量評估，以獲得備選方案的排序結(jié)果，并最終得到最優(yōu)供汽方案。本文的研究成果對于推動方案評估由定性向定量轉(zhuǎn)化和提高方案優(yōu)選的準(zhǔn)確性具有積極的現(xiàn)實意義。

1 備選方案的生成

根據(jù)動力裝置對預(yù)熱蒸汽的技術(shù)要求，經(jīng)過廣泛調(diào)研和深入研究，本文提出了5 種具有一定可行性和先進性的蒸汽預(yù)熱供汽備選方案：

1）船用鍋爐供汽方案；

2）陸用燃油鍋爐供汽方案；

3）直燃蒸汽發(fā)生器供汽方案；

4）低壓電鍋爐供汽方案；

5）中壓電極鍋爐供汽方案。

船用鍋爐供汽系統(tǒng)主要由增壓鍋爐、給水機組、電動燃油泵、電動滑油泵和電動海水泵組成，該系統(tǒng)需要先建立最低穩(wěn)定工況，然后升至規(guī)定負荷，向動力裝置提供預(yù)熱蒸汽。

陸用燃油鍋爐供汽系統(tǒng)的組成和工作原理與船用鍋爐供汽系統(tǒng)基本一致。與船用鍋爐相比，陸用鍋爐技術(shù)更成熟、型號多、選型靈活、與動力裝置的匹配性好，因此具有較好的經(jīng)濟性。

直燃蒸汽發(fā)生器供汽系統(tǒng)主要由液氧罐、低濃度酒精罐、冷卻水罐、泵壓式燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氮氣氣源和配氣系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)通過低濃度酒精與液氧直接點火燃燒產(chǎn)生高溫燃氣，然后高溫燃氣與冷卻水混合，產(chǎn)生滿足使用需求的預(yù)熱蒸汽。

低壓電鍋爐供汽系統(tǒng)和中壓電極鍋爐供汽系統(tǒng)主要由鍋爐主機系統(tǒng)和輔機系統(tǒng)組成。低壓電鍋爐通過電熱管將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使水吸熱蒸發(fā)；而中壓電極鍋爐則是將中壓交流電通過三相電極直接接入含有電解質(zhì)的水中，讓電流在設(shè)定電導(dǎo)率的水中流過，使水快速蒸發(fā)形成蒸汽。

2 指標(biāo)體系的建立

建立一套具有實用價值的指標(biāo)體系需要遵循一定的原則。根據(jù)實踐經(jīng)驗的總結(jié)，構(gòu)建指標(biāo)體系一般需要遵循系統(tǒng)性原則、可比性原則、科學(xué)性原則、實用性原則、層次性原則和簡易性原則［1-2］。

按照系統(tǒng)工程的一般原理，評估指標(biāo)體系通常具有遞階層次結(jié)構(gòu)［3］。根據(jù)蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)的研制目標(biāo)，其評估指標(biāo)體系可以采用3 層結(jié)構(gòu)，各階層目標(biāo)的涵義和內(nèi)容如下：

1）第1 層為目標(biāo)層，給出蒸汽預(yù)熱供汽方案綜合評估的總體目標(biāo)，即以最低的風(fēng)險和費用獲得系統(tǒng)效能最高的蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)。

2）第2 層為準(zhǔn)則層（或分目標(biāo)層），給出對蒸汽預(yù)熱供汽方案進行綜合評估的準(zhǔn)則，即系統(tǒng)效能、費用和風(fēng)險。

系統(tǒng)效能和費用是系統(tǒng)分析的兩個核心要素。系統(tǒng)效能是效果好壞和價值大小的表征準(zhǔn)則，費用是資源投入和代價大小的表征準(zhǔn)則。由于蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)屬新研設(shè)備，投入預(yù)定的經(jīng)費，達到預(yù)想的效能，都存在一定的不確定性；因此，綜合評估準(zhǔn)則還應(yīng)綜合考慮風(fēng)險因素，并將風(fēng)險作為評估準(zhǔn)則。

3）第3 層為指標(biāo)層，給出對蒸汽預(yù)熱供汽方案進行綜合評估的具體指標(biāo)，即系統(tǒng)效能、費用和風(fēng)險準(zhǔn)則的分解。

根據(jù)評估指標(biāo)體系構(gòu)建的一般原則和方法，經(jīng)綜合分析，本文提出了蒸汽預(yù)熱供汽方案評估指標(biāo)體系，如圖1 所示。

從評估指標(biāo)體系的建立過程來看，圖1 所示的評估指標(biāo)體系是從使用者的角度出發(fā)，將使用者更為關(guān)心的蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)能有效完成特定任務(wù)的總體能力（即“系統(tǒng)效能”）作為核心，同時綜合考慮決策者所關(guān)心的費用和風(fēng)險對備選方案優(yōu)選的約束作用；然后，以科學(xué)的定義和方案階段的特點為依據(jù)，分別完成系統(tǒng)效能、費用和風(fēng)險的進一步分解；因此，本文提出的指標(biāo)體系能夠更加全面和科學(xué)地描述蒸汽預(yù)熱供汽方案評價因素的全貌。

圖1 蒸汽預(yù)熱供汽方案評估指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for steam warm-up program

3 評估指標(biāo)的處理

評估指標(biāo)的處理包括定性指標(biāo)的量化處理和定量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理兩個方面。

一般來說，根據(jù)指標(biāo)的性質(zhì)，可以將評估指標(biāo)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)的數(shù)值可以通過基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，而定性指標(biāo)則很難用經(jīng)典的數(shù)學(xué)語言來描述，具有一定的模糊性和不確定性，因此需要對其進行量化處理。

在蒸汽預(yù)熱供汽方案評估指標(biāo)體系中，“自動化程度”和“技術(shù)風(fēng)險”為定性指標(biāo)，其余為定量指標(biāo)。在定性指標(biāo)的量化處理上，常用的方法有等級法、標(biāo)度法和模糊數(shù)法等，本文采用目前較為常用的標(biāo)度法來量化定性指標(biāo)。

針對“自動化程度”指標(biāo)，本文采用1～9 標(biāo)度對各備選方案的自動化程度進行量化，標(biāo)度含義如表1 所示。

表1 分級指標(biāo)及1～9 標(biāo)度打分值Tab.1 Classification indexes and values of 1～9 scales

為準(zhǔn)確評估技術(shù)風(fēng)險，本文采用技術(shù)成熟度法（標(biāo)度法的一種）對技術(shù)風(fēng)險進行量化。技術(shù)成熟度法（TRL）發(fā)源于20 世紀(jì)80年代的美國國家航空航天局（NASA）。2001年，美國國防部（DoD）開始采納TRL，并頒布TRL 軍用標(biāo)準(zhǔn)指南草案，現(xiàn)在，美軍要求將TRL 應(yīng)用于所有重要的采辦計劃中。表2 為DoD 對TRL 的等級描述［4］。

參照表2 可以確定蒸汽預(yù)熱供汽各備選方案的技術(shù)成熟度，技術(shù)成熟度越高，說明其技術(shù)風(fēng)險越低。

綜合各方案評估指標(biāo)的量化結(jié)果，就可以得到方案評估指標(biāo)的屬性值。

評估指標(biāo)的量化處理使所有的評估指標(biāo)都得到了定量描述；但一般說來，不同評估指標(biāo)的量綱和單位往往不一致，不具有可比性；因此需要采用合適的方法對評估指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除各指標(biāo)間的差異性。本文采用目前較為常用的線性比例變換法對評估指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體處理方法可參見文獻［5］，本文由于保密方面的原因，只給出標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各方案評估指標(biāo)屬性值，如表3 所示。

表2 DoD 對TRL 的等級描述Tab.2 Grade description of TRL from DoD

4 指標(biāo)權(quán)重的確定

在評估指標(biāo)體系中，各指標(biāo)對目標(biāo)的重要程度是不同的，當(dāng)衡量各指標(biāo)對目標(biāo)的貢獻時，應(yīng)賦予不同的權(quán)重。目前，關(guān)于指標(biāo)權(quán)重的確定方法大致可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和綜合賦權(quán)法3 種。其中，主觀賦權(quán)法仍是綜合評價中確定指標(biāo)權(quán)重的主要方法。常用的主觀賦權(quán)法有專家調(diào)查法、二項系數(shù)法和層次分析法（AHP）等，其中又以層次分析法應(yīng)用最廣，因此，本文采用層次分析法確定評估指標(biāo)權(quán)重。

表3 蒸汽預(yù)熱供汽備選方案評估指標(biāo)屬性值Tab.3 Values of evaluation index for steam warm-up program

層次分析法是通過構(gòu)造判斷矩陣和進行層次排序來確定評估指標(biāo)權(quán)重。本文采用1～9 標(biāo)度法來構(gòu)造判斷矩陣，標(biāo)度含義如表4 所示。層次排序的具體實施過程參見文獻［6-8］。

表4 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tab.4 Definition of judgment matrix scale

經(jīng)計算，本文得到蒸汽預(yù)熱供汽方案評估指標(biāo)權(quán)重如表5 所示。

表5 蒸汽預(yù)熱供汽方案評估指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Weight for each evaluation index of steam warm-up program

5 評估指標(biāo)的集成

在評估對象和評估指標(biāo)體系確定后，采用合適的指標(biāo)集成方法，就可以得到科學(xué)、合理的評估結(jié)論。指標(biāo)集成的方法很多，如加權(quán)算術(shù)平均、加權(quán)幾何平均、主成分分析法、功效系數(shù)法和理想解法（TOPSIS）等。本文采用精度較高的理想解法來對評估指標(biāo)進行集成，完成蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)的多方案排序與優(yōu)選。

理想解法的決策原理是基于最優(yōu)方案，應(yīng)該是距離理想解最近，同時距離負理想解最遠的概念，假定每一屬性是單調(diào)遞增或遞減，將偏好轉(zhuǎn)化為歐幾里德距離而加以計算和衡量，并根據(jù)方案評估值與理想解之間的相對接近度進行方案排序和優(yōu)選。理想解法的具體實施步驟可參見文獻［9-10］。

經(jīng)計算，蒸汽預(yù)熱供汽備選方案的排序結(jié)果如表6 所示。從表6 可以看到，中壓電極鍋爐方案為最優(yōu)方案。

表6 蒸汽預(yù)熱供汽備選方案評估結(jié)果Tab.6 Evaluation results of steam warm-up program

6 結(jié) 語

通過5 種蒸汽預(yù)熱供汽方案排序過程，可知本文構(gòu)建的綜合評估體系是有效的，并可得到以下結(jié)論：

1）以“系統(tǒng)效能—費用—風(fēng)險”為準(zhǔn)則層的評估指標(biāo)體系，克服了以技術(shù)特性為核心，評估指標(biāo)體系不能充分體現(xiàn)蒸汽預(yù)熱供汽系統(tǒng)的研制目標(biāo)這一不足，使評估結(jié)果更加合理。

2）針對方案論證的特點，直接采用技術(shù)成熟度法對蒸汽預(yù)熱供汽備選方案評估指標(biāo)體系中的定性指標(biāo)進行量化，不僅可操作性強，而且量化結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

3）采用理想解法對量化后的評估指標(biāo)屬性值進行綜合集成，可以從理論上提高蒸汽預(yù)熱供汽方案的排序精度，使評估結(jié)果更加可信。

［1］潘春光. 潛艇XX 動力裝置指標(biāo)體系及論證評估方法研究［R］.武漢：海軍工程大學(xué)，2002.

［2］劉云生，陳華清，張寧，等.艦船動力系統(tǒng)綜合評估指標(biāo)體系［J］.船舶工程，2008，30（4）：32-35.LIU Yunsheng，CHEN Huaqing，ZHANG Ning，et al.An index system for the comprehensive evaluation of warship propulsion system［J］.Ship Engineering，2008，30（4）：32-35.

［3］吳曉平，汪玉.艦船裝備系統(tǒng)綜合評估的理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］安茂春，王志健.國外技術(shù)成熟度評價方法及其應(yīng)用［J］.評價與管理，2008，6（2）：1-3.AN Maochun，WANG Zhijian. The foreign evaluation method of technology maturity and its application［J］.Evaluation and Management，2008，6（2）：1-3.

［5］岳超源. 決策理論與方法［M］. 北京：科學(xué)出版社，2003.

［6］常建娥，蔣太立.層次分析法確定權(quán)重的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29（1）：153-156.CHANG Jian'e，JIANG Taili. Research on the weight of coefficient through analytic hierarchy process［J］.Journal of Wuhan Univesity of Technology，2007，29（1）：153-156.

［7］許樹柏. 層次分析法原理［M］. 天津：天津大學(xué)出版社，1988.

［8］章棟恩，徐美萍.MATLAB 高等數(shù)學(xué)實驗［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［9］胡永宏，賀思輝.綜合評價方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［10］汪應(yīng)洛. 系統(tǒng)工程［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.