基于ANP-優序圖的硬巖CAES 儲氣庫站址優選方法

周小松，孫高博，劉 衛，申 律，黃康康

（機械工業勘察設計研究院有限公司，西安 710043）

壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種高效的能源存儲技術，它可以將過剩的電能用于壓縮空氣并儲存起來，然后在電能供應緊張時，再將空氣勢能釋放以驅動膨脹機、發電機產生電能，實現電力供應的調度和平衡[1]。由于具有儲能規模大、充放電時間長、使用壽命長及建設周期短等諸多優點，因此在國家能源轉型及“雙碳”政策的背景下，壓縮空氣儲能正被迅速推廣和應用。而且隨著技術的不斷進步，CAES的系統效率已由最初的30%提升至70%左右，建設成本也逐步降低，這都為其走向商業化，成為抽水蓄能的重要補充形式提供了良好的基礎[2]。目前國內的大規模CAES 項目主要依托鹽穴地下儲氣庫進行，但我國的“三北”地區，鹽礦資源以湖鹽為主[3-4]，缺少建設地下鹽穴儲氣庫的客觀條件，而這些地區又恰恰是“棄風”“棄光”現象最突出的區域[5-8]，存在強烈的發電側儲能需求。硬巖CAES 儲氣庫的建設因不受地理條件限制，在有建庫需求的地區一般都能找到適宜建設儲氣庫的地層[9]，因此，硬巖CAES 必將越來越受到重視。據不完全統計，國內硬巖CAES 市場項目現狀見表1。

表1 國內人工硐室CAES 市場項目現狀（不完全統計）

選址是一個項目建設首先應考慮的問題，也是整個項目成敗的關鍵，一個優良站址的選擇將體現出較好的社會經濟效益。然而，目前硬巖CAES 儲氣庫的選址面臨著一系列的挑戰，如影響因素多、相互作用復雜、尚不能直接對影響因素的優劣進行數值上的劃分等。為了有效解決硬巖CAES 儲氣庫選址困難的問題，本文從理論層面分析了ANP+優序圖法在硬巖CAES 儲氣庫站址優選應用中的適用性，并通過綜合分析得到了優選站址的排序，此研究可為硬巖地區建設CAES 儲氣庫的選址決策提供了良好的支撐和科學依據。

1 評價方法的選擇

1.1 評價方法研究現狀

在儲氣庫選址優選方面，常見的有多目標決策分析、模糊綜合評價、綜合賦權法和層次分析法等幾種方法。巴靖煜等[10]采用綜合賦權法對京津冀圈閉儲氣庫庫址的優選進行研究，所得結果得到了專家驗證；李健等[11]提出了在資料較少條件下，含水圈閉儲氣庫庫址的“二步篩選法”，并為環渤海地區地下儲氣庫的選址提供參考和理論支撐；井文君等[12]基于層次分析法，對鹽穴儲氣庫選址評價進行了系統研究，建立了目標庫址綜合建庫適宜值P的計算公式；門慧娟[13]在對壓縮空氣儲能電站選址決策研究時，通過引入概率語言術語集和賦權模型，提出了擴展的TODIM 方法，并進行了選址決策案例的驗證和分析。但目前，國內外關于硬巖CAES 儲氣庫站址優選領域的研究很少，金維平等[14]通過對國內外工程案例的分析，提出了硬巖CAES儲氣庫選址的整體原則，并嘗試采用層次分析法建立了選址綜合評價體系；蔣中明等[9]分析了我國適宜建造硬巖CAES 儲氣庫的地層分布及特點，并以廣東省為例探討了大規模CAES 儲氣庫選址的思路和方法；Gao等[15]提出了一種基于概率語言術語集（PLTS）和后悔理論方法，并結合實際案例對所建立的科學評價指標體系進行了驗證。

然而，對于硬巖CAES 儲氣庫站址優選的分析，以上方法并不能完全適用，本文在國內外學者及對影響因素研究的基礎上，對“ANP+優序圖法”在選址綜合評價中的應用作了探索，成為硬巖CAES 儲氣庫站址優選方法的重要補充。

1.2 ANP 的原理與特點

ANP 是美國著名運籌學家T. L. Saaty 于1996 年提出的一種多準則決策分析方法，是在AHP 的基礎上改進的，不僅可以處理各準則的相對重要性，還可以考慮各元素間的依賴關系，適用于具有因素交互和相互影響的復雜決策問題，其網絡層次結構模型示意圖如圖1 所示。

圖1 ANP 的網絡層次結構模型示意圖

該方法將復雜問題層次化處理，同時能夠考慮因素之間的關聯性，并結合定性和定量分析，使得權重的計算更為科學、可靠。

1.3 優序圖法的原理與特點

優序圖法是一種相對簡單且靈活的，基于粗糙集理論的多準則決策分析方法，主要通過構建優勢關系來進行決策，多用于候選方案的比選和排序。該方法基于這樣的假定：2 個方案的直接比較是最簡單、最精確的方法[16]。現階段硬巖CAES 儲氣庫選址研究成果少，無法直接對各個影響因素的優劣進行數值上的劃分，見表2。

表2 人口密度的量化指標評分表（數值僅為示例）

因此，對于硬巖CAES 儲氣庫站址的優選來說，采用優序圖法直接對候選站址同一因素對比分析，進行站址的優選是非常合適的。

2 候選站址優選

采用“ANP+優序圖法”對硬巖CAES 儲氣庫站址進行優選時，首先應對選址決策有影響的因素進行綜合分析，并完成評價指標體系的建立，然后再分別采用ANP 法、優序圖法開展站址優選工作，其基本步驟如圖2 所示。

圖2 ANP+優序圖法硬巖CAES 儲氣庫站址優選步驟

2.1 建立指標體系

考慮到現階段硬巖CAES 項目十分有限，可先參考天然氣儲氣庫，風電、光伏、水電和鹽穴CAES 儲氣庫選址經驗，在總結選址影響因素研究的基礎上，根據各因素間的層次結構和相互作用關系，建立硬巖CAES儲氣庫選址評價指標體系。在指標體系建立的過程中，除領域專家和決策者外，可邀請利益相關者參與，共同討論和確定最終的指標，且應考慮項目不同階段、不同地區對影響因素的側重情況。

2.2 指標權重的計算

1）構建網絡層次結構：通過將復雜決策問題分解化、層次化，并系統地分析各因素間的相互作用關系，形成一個如圖1 所示的網絡層次結構模型。

2）計算各個因素權重：根據層次結構構建判斷矩陣，并采用問卷調查和專家打分的方法，從網絡層開始逐層向上計算權重，從而得到各因素權重值的大小。

3）結果可靠度的一致性檢驗：為評價專家打分結果的邏輯合理性和數據有效性，需要進行一致性檢驗，一致性比例CR越小，說明評價或數據的可信度越高，當CR＜0.1 時，即為通過檢驗。

由于ANP 的人工計算過程十分繁瑣，涉及超級矩陣、超級加權矩陣等的眾多運算，實際上常采用專業決策分析軟件，如Super Decision 輔助計算，輸入專家評分結果，選擇好標度即可自動計算得出各指標的權重[17]。

2.3 站址排序綜合分析

優序圖法對因素進行排序的基本步驟大致如下：先確定評估指標，對站址優選研究來說即確定影響選址的各因素；構建評價矩陣，即制作各候選站址的同一因素直接進行兩兩比較的打分表；專家投票打分，通過直接對比，專家對每個因素情況進行投票；計算得分及排序，對評價矩陣中的各因素投票情況進行加權計算，確定各因素的權數得分。

為了說明優序圖法的應用，現以網絡層指標人口密度為例，對A、B、C、D 4 個候選站址的實際情況進行對比，假設9 位專家參與投票打分，評價結果見表3，可以看出候選站址A、B、C、D 的人口密度的相對權數分別為17/54、13/54、9/54、15/54。然后依次對其他因素進行投票分析，即可得到各候選站址影響因素的相對權數。

表3 優序圖法專家投票情況示例

最后，將各影響因素的ANP 計算權重分別與對應的相對權數相乘，即可得到候選站址A、B、C、D 的總評分和排序，從而實現站址的優選。

2.4 討論

綜合以上分析，可知“ANP+優序圖法”可以有效解決硬巖CAES 儲氣庫站址優選的問題，整個過程清晰明確、切實合理。在此基礎上，還可以構建和開發一個硬巖CAES 儲氣庫快速選址平臺，以便更好地提供高效、全面的選址決策支持。基于本研究中的理論和分析方法，僅需在平臺上輸入不同參數和條件，便可快速評估并比較出不同站址方案的優劣，從而大大提高選址決策的可靠性和效率。但實際操作中，還需注意以下幾點。

1）層次結構模型準確性：構建準確、邏輯合理且符合實際的層次結構模型，是權重正確計算的前提，層次結構和因素間的相互關系均應通過專家的評估和判斷。

2）數據收集的全面性：所搜集的候選站址條件，如地質、環境、交通等數據，應確保其準確性和全面性，以便于專家評分過程中有更多參考，給出合理性評估結果。

3）專家水平要求較高：該方法主觀性較強，對專家水平要求較高，結果易受到專家主觀意見的影響。所選專家應在相關領域具備豐富的專業知識和經驗，并能夠避免個人偏見，保持中立和客觀的態度來投票打分。

3 結束語

本文通過“ANP+優序圖法”對硬巖CAES 儲氣庫站址優選進行嘗試，以及對該方法的適用性和不足進行討論，主要有以下幾點認識和收獲。

1）ANP+優序圖法能夠綜合考慮多個準則，以及各因素間的相互關系和重要性，并可以很好地處理因素間比選問題，對硬巖CAES 儲氣庫站址的優選具有較好的應用能力，該方法可為實際決策提供思路和指導。

2）研究成果可為硬巖CAES 儲氣庫選址綜合評價體系的建立，甚至為快速選址平臺的搭建提供理論基礎，這些都有助于硬巖CAES 得到更廣泛的應用和推廣。

3）為減少主觀性的影響，可考慮將ANP-優序圖法與其他方法相結合，綜合運用不同方法的優勢，提高硬巖CAES 站址優選結果的精度和準確性。