燃煤鍋爐結構調整復雜網絡分析

沈志斌　孫慶明　胡素峰　金樟民　潘辛敏　張博　沈健

摘 要：隨著我國工業化進程的深入，大氣污染問題成為關注的重點，尤其是近年來“霧霾”成為常態已經影響了人們的生活滿意度；燃煤鍋爐作為霧霾的主要成因，迫切需要進行整改。在整改過程中需要考慮集中方案對企業、地區經濟可持續發展的影響以及政府在配套、補償資金方面的壓力。既不能為了經濟發展而犧牲了環境，也不能強調環保而粗暴的撲滅了經濟發展。該文采用復雜網絡技術對燃煤鍋爐結構整改進行了分析，從理論上為政府、企業和監管部門提供了充足的改造方案和背景數據支持。

關鍵詞：燃煤鍋爐 復雜網絡 社團結構 相似性

中圖分類號：F407.21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（b）-0091-03

工業化進程的加深使得燃煤鍋爐被大量應用于工業生產當中。然而燃煤鍋爐消耗大量煤炭，對大氣環境中PM2.5含量影響很大，是霧霾形成的主要因素。隨著生活水平的不斷改善，人們對生活質量尤其是大氣環境提出更高的要求。國家對大氣指標或者改進進度做出了嚴格的要求，迫切需要對燃煤鍋爐進行整改。

以國家或者某一區域為目標，研究能源、環境、經濟系統的相互作用和發展的建模方式已成為國內外學者研究熱點之一[1-11]。其中，賈宏杰等[8]圍繞區域綜合能源系統規劃和運行優化這一專題，分別對區域綜合能源系統的通用建模理論、綜合仿真理論與方法、規劃理論與方法、安全性理論與方法、運行優化與控制、效益評估與運營機制等方面問題進行了系統的分析。李愛軍[9]以硫稅在區域間波及影響，以及評價電力部門的脫硫技術的區域間可計算一般均衡模型為基礎平臺，強調把能源技術模型融合在區域間可計算一般均衡模型的建模方法，以實施環境稅和排放權交易的環境經濟效果繼續進行比較。魏一鳴等[11]從復雜系統分析與建模的角度出發，對目前國際上具有代表性的且應用比較廣泛的能源-經濟模型進行了分析。沈瑩等[12]采用成本收益法分析工業部門對減排技術的選擇，并據此建立區域間模型。這類模型以區域規劃、布置為重點，對于區域內現已經存在的能源供給、消費節點之間的動態變動關系。但是這類缺少動態優化分析的手段和對相似技術影響的分析能力。陳衛東等[13]以我國2011年31個地區能源產業的相似數據為基礎，利用改進的Weaver-Thomas模型確定我國能源重點發展地區，利用復雜網絡對優選結果進行分析，其分析結論與我國“十二五”規劃相符。孫霄凌等[14]以市場占有份額作為度分布構造網絡節點，分析了我國能源供給狀況，模擬結果表明供應節點滿足頂點度近似服從冪律分布的特點，驗證了復雜網絡在分析能源供給中的應用。因此，該文采用復雜網絡方法對溫州市某區燃煤鍋爐的結構調整進行分析，從理論上為燃煤鍋爐的整改方案提供支撐。

1 燃煤鍋爐復雜網絡模型

該文以燃煤鍋爐的熱效率、爐渣可燃物含量、排煙處過量空氣系數、散熱損失和鍋爐所屬企業年產值五個特征值組成燃煤鍋爐特征向量T。以燃煤鍋爐為網絡節點，以燃煤鍋爐特征向量間的相關程度為邊，構建燃煤鍋爐復雜網絡。由熱效率、爐渣可燃物含量、排煙處過量空氣系數、散熱損失和年產值作為特征值構成相似性系數的表達式為：

式中，為流動條件i 的特征向量；為流動條件j 的特征向量；m為特征向量的維數。通過計算不同燃煤鍋爐特征向量之間的相似，可以得出一個相似性對稱矩陣S，其中每個元素S （i，j）表示燃煤鍋爐i 和燃煤鍋爐j 之間的相似值。選擇一個適合的閾值，可以使相似性矩陣S 轉化為網絡連接矩陣A，其表達式為：

若相似程度因子≥，則認為燃煤鍋爐i 與燃煤鍋爐j 的狀態是相似的，其在網絡連接矩陣A中相應的元素值為1；若相似程度因子<，則認為兩個燃煤鍋爐的狀態是不相似的，其在網絡連接矩陣A中相應的元素值為0。

2 燃煤鍋爐復雜網絡關鍵閾值與社團結構

2.1 燃煤鍋爐復雜網絡關鍵閾值選取

目前基于相似性建立的復雜網絡中，閾值的選取還沒有一個確定的準則。高忠科的研究[15]指出當網絡模塊度的變化范圍在某個閾值取值鄰域內為±2%時，可以認為網絡整體結構是相對穩定的，該閾值即為關鍵閾值。因此，該文采用基于網絡模塊度[16， 17]相對穩定性的閾值選取方法對煙煤鍋爐復雜網絡的閾值進行選取。模塊度的定義為：

式中，m為網絡的總邊數；A為網絡的連接矩陣；為節點i 與節點j 的連邊；為節點i 的度；為節點i 所在的社團。

當節點i 和j 屬于同一社團時，，否則。Q 值越大，網絡的社團結構越明顯，通常認為Q≥0.3網絡就具有明顯的社團結構。圖1給出了不同延時參數下模塊度隨閾值變化的情況。延時參數是通過C-C算法確定的，從圖1中可以發現當值在0.9～0.95之間變化時，相應的網絡模塊度Q 相對穩定且最大，因此選擇閾值作為關鍵閾值。

2.2 燃煤鍋爐復雜網絡的社團劃分

在實際的復雜網絡中，所有的節點并不都具有相同的重要性，這就使得具有重要地位或作用的節點在網絡中具有較大的影響力。因此，通過節點在網絡中重要程度的不同，可以將網絡劃分為不同的社團結構。該文采用AP聚類算法劃分燃煤鍋爐復雜網絡的社團結構，其基本思想是將全部的樣本看成網絡的節點，并將所有的節點視為可能的聚類中心，然后通過網絡節點間信息的傳遞，計算出樣本的聚類中心以及歸屬節點。網絡節點間主要有兩種信息的傳遞，即吸引度r（i，k）和隸屬度a（i，k）。吸引度r（i，k）表示的是從節點i 到候選聚類中心點k的數值消息，其反映的是節點k對點i 的吸引程度，其表達式為：

隸屬度a（i，k）則表示的是從候選聚類中心k 到節點i 的數值信息，反映的是節點i 對節點k的隸屬程度，即節點i 是否選擇節點k作為其聚類中心，其表達式為：

3 燃煤鍋爐復雜網絡分析

該文以溫州市某區30臺燃煤鍋爐為節點，燃煤鍋爐特征向量間的相似程度為邊構建燃煤鍋爐復雜網絡后，通過AP聚類社團劃分算法對燃煤鍋爐復雜網絡社團結構進行分析獲得的網絡社團結構，如圖2所示。圖2中所示的社團結構從左到右分別記為A、B和C，其中A社團以節點27為中心節點包含10個節點、B社團以節點6為中心節點包含11個節點、C社團以節點6為中心節點包含9個節點。

通過與燃煤鍋爐信息進行對比發現，A社團中的節點主要對應于6 t/h的燃煤鍋爐，其與B社團之間連接緊密的節點則主要對應于6 t/h燃煤鍋爐與8噸/時燃煤鍋爐之間性能相似的燃煤鍋爐；B社團中的節點主要對應于8 t/h燃煤鍋爐，其與C社團之間連接緊密的節點則主要對應于8 t/h燃煤鍋爐與10 t/h燃煤鍋爐之間性能相似的燃煤鍋爐；C社團中的節點則主要對應于10 t/h燃煤鍋爐。從圖2可以發現隸屬于A社團的節點22被劃入了對應于8 t/h燃煤鍋爐的B社團，而隸屬于B社團的節點20則被劃入了主要對應于6 t/h燃煤鍋爐A社團。隸屬于C社團中的節點11被劃入主要對應于8 t/h燃煤鍋爐的B社團，而B社團中的節點10則劃入對應于10 t/h燃煤鍋爐的C社團，這種情況的出現主要是由于鍋爐使用年限和效率的綜合作用。過渡區域燃煤鍋爐的能耗、污染物排放率以及收益率的相似程度高，迫切需要對這些燃煤鍋爐進行整改。因此，通過AP聚類社團結構劃分算法對燃煤鍋爐復雜網絡社團結構進行分析，找出了網絡社團結構與不同燃煤鍋爐的對應關系，從而為燃煤鍋爐的整改提供了理論支撐。

4 結語

燃煤鍋爐的整改需要考慮對企業、地區經濟可持續發展的影響以及政府在配套、補償資金方面的壓力。既不能為了經濟發展而犧牲了環境，也不能強調環保而粗暴的撲滅了經濟發展。該文在此基礎上，采用復雜網絡技術對燃煤鍋爐結構整改進行了分析，從理論上為政府、企業和監管部門提供了充足的改造方案和背景數據支持。

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