一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法

1.本发明涉及制氢模式评价技术领域，尤其是涉及一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法。


背景技术：

2.氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取，也可广泛应用于工业、建筑、交通、电力行业，是未来构建以清洁能源为主的多元能源供给系统的重要载体，氢能的开发与利用技术已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向，也是汽车产业未来发展的战略制高点，发展氢能将有利于加快推进我国能源生产和消费革命，对新时代能源转型发展具有重大意义。
3.在全球氢工业规模不断增长，需求不断扩大的背景下，氢的生产是形成氢产业链的关键。当前，我国氢气消费需求旺盛，氢气供给虽然基本能够实现自给自足，但供氢体系较为单一，传统化石能源制氢占绝大比例。其中由煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70％，工业副产气体制得的氢气约占30％，电解水制氢占不到1％。化石燃料制氢原料主要包括煤、石油、天然气等。目前化石燃料制氢方法较为成熟，并且具备产量高、成本较低的优点，但制氢过程都有温室气体排放，需发展高效低污染的煤气化与污染物减排技术；与此同时，工业副产氢也有望成为重要氢能供给来源，我国工业企业，包括炼焦企业、钢铁企业、化工企业等，每年副产数百万吨氢气。目前这些副产氢气很多都排放到空气中，污染环境的同时也成为危险因素。
4.制氢技术目前大体分为三类：
①
化石燃料制氢，包括煤气化制氢、天然气制氢、石油裂解副产物制氢等；
②
电解水法制氢，主要是电解碱性水溶液制氢，由电能来源可分为太阳能电解水制氢与风能电解水制氢；
③
生物质法制氢，包括生物质热解制氢与生物质气化制氢。
5.工业副产气体分离提纯产氢技术(简称工业副产氢分离技术)大体分为五类：低温分离法也称深冷法、低温吸附法、变压吸附法、膜分离法和金属氢化物净化法。
6.对不同的氢气产出来源，针对不同的工厂或者针对不同的制造需求，开发合适的、最符合节能减排的氢气分离提纯技术对氢能源发展有着重要意义。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，该方法能够实现对各种制氢技术和各种工业副产氢分离技术进行综合评价，从而求解出符合需求的的氢气生产技术，达到低碳环保、经济实用的目的。
8.本发明所采用的技术方案是，一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，该方法包括下列步骤：
9.s1、建立基于层次分析法的层次结构模型；所述层次结构模型包括目标层、准则层以及方案层；所述目标层为氢气来源模式；所述准则层包括用于描述氢气来源模式的若干
个制氢准则，所述方案层包括列属于每个制氢准则下的若干个制氢子指标；
10.s2、构建判断矩阵；其具体过程为：
11.s2.1、确定出用于表示两两制氢子指标之间的相对重要程度的比率标度，所述比率标度为1～9；
12.s2.2、由专家对两两制氢子指标之间的重要程度进行比较，比较后根据所述比率标度进行打分，得到两两制氢子指标之间的相对重要程度值；
13.s2.3、将专家打分得出的相对重要程度值作为矩阵元素构成判断矩阵a，表示为：a＝(a
ij
)n×n；
14.s3、计算判断矩阵a的特征值及特征向量；其具体过程为：
15.s3.1、将判断矩阵a＝(a
ij
)n×n的每一列向量进行归一化，即其中，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
n；n表示判断矩阵a的阶数；a
ij
表示判断矩阵a中的矩阵元素，a
ij
》0，aii＝1；得到归一化后的
16.s3.2、将归一化后得到的所有按行求和，得到
17.s3.3、将得到的所有按列归一化，即得到特征向量w＝(w1,w2,
…
,wn)；
18.s3.4、求特征向量w对应的最大特征值λ
max
，即为判断矩阵a的特征值；
19.s4、根据步骤s3得出的特征值及特征向量，对判断矩阵a进行一致性检验分析；具体过程为：
20.s4.1、计算判断矩阵a的一致性指标其中，n表示判断矩阵a的阶数；
21.s4.2、查找矩阵a的平均随机一致性指标ri；
22.s4.3、计算一致性比例cr；判断矩阵a的一致性指标ci与平均随机一致性指标ri之比为随机一致性比率，即为cr，当cr＝ci/ri《0.10时，即认为判断矩阵a具有满意的一致性，否则说明不具有一致性，需要调整判断矩阵，使其具有满意的一致性；
23.s5、对层次结构模型进行层次总排序，得出各分析项的权重值，根据权重值对制氢模式进行定量评价；其具体过程为：
24.s5.1、通过专家来打分得出准则层中两两制氢准则之间的相对重要程度值，并同时打分得出各个制氢准则相对氢气来源模式的重要程度值；并同时获取方案层中两两制氢子指标之间的相对重要程度值，计算出制氢子准则层指标的综合重要度；
25.s5.2、设定准则层中共有m个制氢准则：c1，c2，
…
，cm，每个制氢准则相对制氢模式的重要程度值为w1，w2，
…
，wm；设定方案层中共有n个制氢子指标：p1，p2，
…
，pn，令制氢子指标pj对制氢准则cj的权重为ν
ij
，则每个制氢子指标的综合重要度为：w'i＝wjν
ij
；
26.s5.3、计算综合效益评价值：r＝w
×
y，其中，w＝(w'1,w'2,
…
,w'm)，w表示m个制氢子指标的综合重要度的权向量，y表示方案层的无量纲化数据矩阵。
27.本发明的有益效果是：本发明通过基于层次分析法，建立判断矩阵，进而得到氢气来源模式的综合效益评价值，突出对比了传统制氢方式与工业副产氢分离技术之间各种特征指标的差别，可以得到更加合理准确可靠的制氢/产氢权重分析结果；有利于企业选取实际上优化后的制氢产氢方案，提高了相关工作效率，并且有益于推动相关制氢研究的进展。
附图说明
28.图1为本发明中基于层次分析法建立的关于制氢模式的层次结构模型结构图；
29.图2为本发明中基于层次分析法建立的关于工业副产氢模式的层次结构模型结构图；
30.图3为本发明中各种氢气来源模式下的综合效益评价值比较图。
具体实施方式
31.以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
32.层次分析法，简称ahp，是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。层次分析法包括递阶层次的构建和构造两两比较矩阵两部分，其中，递阶层次的构建是最重要的一部，具体是把复杂的问题分解为称之为元素的各组成部分，把这些元素按属性不同分成若干组，形成不同层次，同时它又受上一层次元素的支配，这种从上至下的支配关系形成了一个递阶层次；构造两两比较矩阵具体是针对上一层次某元素，对每一层各个元素的相对重要性进行两两比较，并给出判断，这些判断用数值表示出来，写成矩阵形式，即所谓的判断矩阵。如矩阵在构造a时，在两两判断矩阵中引入1-9标度，比较两元素的相对重要程度，通常按照1～9比例标度对重要性程度赋值，下表列出1～9标度的含义:\
33.表1 1～9标度的含义
34.含义(两个元素相比)分数等级前者比后者极端重要9前者比后者强烈重要7前者比后者明显重要5前者比后者稍重要3具有同样的重要性1前者比后者稍不重要1/3前者比后者不明显重要1/5前者比后者强烈不重要1/7前者比后者极端不重要1/9表示上述相邻判断的中间值2，4，6，8，1/2，1/4，1/6，1/8
35.针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于层次分析法的产氢
模式综合效益评价方法，能够实现低碳环保且经济实用方案的输出。
36.本发明涉及一种基于层次分析法的制氢模式综合效益评价方法，该方法包括下列步骤：
37.s1、如图1和图2所示，建立基于层次分析法的层次结构模型；所述层次结构模型包括目标层、准则层以及方案层；所述目标层为氢气来源模式，氢气来源模式为六种制氢模式中的一种，或者五种工业副产氢分离模式中的一种；六种制氢模式包括：煤制氢、煤制氢+ccs、天然气制氢、天然气制氢+ccs、生物质制氢、电解水制氢(可再生)；五种工业副产氢分离模式为：低温分离法、低温吸附法、变压吸附法、膜分离法以及金属氢化物净化法；所述准则层包括用于描述氢气来源模式的若干个制氢准则，如图1所示，制氢准则包括经济特征，技术特征，资源与环境特征以及社会特征四个方；所述方案层包括列属于每个制氢准则下的若干个制氢子指标；如图1所示，包括了十六个制氢子指标，即：初投资、运行费用、制氢成本、能源效率、氢气纯度、氢转化率、技术成熟度、设备稳定性、制氢规模、资源保存度、co2排放量、酸化潜值、占用空间情况、安全保障、设备接受度以及政策适应性；
38.s2、构建判断矩阵a；其具体过程为：
39.s2.1、确定出用于表示两两制氢子指标之间的相对重要程度的比率标度，所述比率标度为1～9；即：同样重要标度值为1，稍微重要标度值为3，较强重要标度值为5，强烈重要标度值为7，绝对重要标度值为9，2、4、6、8表示上述两判断级之间的折中值；
40.s2.2、由专家对两两制氢子指标之间的重要程度进行比较，比较后根据所述比率标度进行打分，得到两两制氢子指标之间的相对重要程度值；
41.s2.3、将专家打分得出的相对重要程度值作为矩阵元素构成判断矩阵a，表示为：a＝(a
ij
)n×n；
42.s3、计算判断矩阵a的特征值及特征向量；其具体过程为：
43.s3.1、将判断矩阵a＝(a
ij
)n×n的每一列向量进行归一化，即其中，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
n；n表示判断矩阵a的阶数；a
ij
表示判断矩阵a中的矩阵元素，a
ij
》0，aii＝1；得到归一化后的
44.s3.2、将归一化后得到的所有按行求和，得到
45.s3.3、将得到的所有按列归一化，即得到特征向量w＝(w1,w2,
…
,wn)；
46.s3.4、求特征向量w对应的最大特征值λ
max
，即为判断矩阵a的特征值；λ
max
的表达式为：其中a为判断矩阵，n为判断矩阵a的阶数；
47.s4、对判断矩阵a进行一致性检验分析；具体过程为：
48.s4.1、计算判断矩阵a的一致性指标其中，n表示判断矩阵a的阶数；
49.s4.2、查找矩阵a的平均随机一致性指标ri；对于1至9阶矩阵，ri的值，如下表2所示：
50.表2平均随机一致性指针ri
51.n123456789ri000.520.891.121.261.361.411.46
52.s4.3、计算一致性比例cr；判断矩阵a的一致性指标ci与平均随机一致性指标ri之比为随机一致性比率，即为cr，当cr＝ci/ri《0.10时，即认为判断矩阵a具有满意的一致性，否则说明不具有一致性，需要调整判断矩阵，使其具有满意的一致性；
53.通过对判断矩阵a进行一致性检验分析，可以避免出现“甲比乙极端重要，乙比丙极端重要，而丙又比甲极端重要”的问题，所以必须进行一致性检验；
54.s5、对层次结构模型进行层次总排序，得出各分析项的权重值，根据权重值对制氢模式进行定量评价；其具体过程为：
55.s5.1、通过专家来打分得出准则层中两两制氢准则之间的相对重要程度值，并同时打分得出各个制氢准则相对氢气来源模式的重要程度值；并同时获取方案层中两两制氢子指标之间的相对重要程度值，计算出制氢子准则层指标的综合重要度；
56.s5.2、设定准则层中共有m个制氢准则：c1，c2，
…
，cm，每个制氢准则相对制氢模式的重要程度值为w1，w2，
…
，wm，如表3所示为制氢模式下的准则层中每个制氢准则的重要程度值；设定方案层中共有n个制氢子指标：p1，p2，
…
，pn，令制氢子指标pj相对制氢准则cj的权重为ν
ij
，则每个制氢子指标的综合重要度为：w'i＝wjν
ij
；如表4～表7所示为目标层为制氢模式下的制氢子指标相对制氢准则的权重值，如表8所示为制氢模式下的各个制氢子指标的综合重要度数值；
57.s5.3、计算综合效益评价值：r＝w
×
y，其中，w＝(w'1,w'2,
…
,w'm)，w表示m个制氢子指标的综合重要度的权向量；y表示方案层的无量纲化数据矩阵；该矩阵是经过输入各个指标的客观数据，通过将权重与进行数据规范化(标准0-1变换or线性变换)后的客观值进行加权平均得出的；如图2所示为各种产氢方案下的综合效益评价对比图。
58.表3准则层中每个制氢准则的重要程度值
59.准则层要素权重经济特征b10.4517技术特征b20.3172资源与环境特征b30.1666社会特征b40.0644
60.表4制氢子指标相对制氢准则(经济特征b1)的权重值
61.经济特征b1初投资运行费用制氢成本wi初投资10.50.33330.1571运行费用210.33330.2493
制氢成本3310.5936
62.表5制氢子指标相对制氢准则(经济特征b2)的权重值
63.技术特征b2分离能耗氢气纯度氢气回收率技术成熟度操作弹性制氢规模wi分离能耗1224330.3353氢气纯度0.510.50.510.50.0932氢气回收率0.5213330.2498技术成熟度0.2520.33331210.1198操作弹性0.333310.33330.510.50.0777制氢规模0.333320.33331210.1243
64.表6制氢子指标相对制氢准则(资源与环境特征b3)的权重值
65.资源与环境特征b3资源保存度预处理要求原料气氢气含量要求占用空间情况wi资源保存度10.250.166720.0918预处理要求410.560.3178原料气氢气含量要求62180.5357占用空间情况0.50.16670.12510.0547
66.表7制氢子指标相对制氢准则(社会特征b4)的权重值
67.社会特征b4安全保障社会接受度政策适应性wi安全保障1320.5278社会接受度0.333310.33330.1396政策适应性0.5310.3325
68.表8制氢模式下的各个制氢子指标的综合重要度数值
[0069][0070][0071]
本发明通过基于层次分析法，建立了制氢与工业副产氢技术的判断矩阵，进而分别得出6种制氢模式和5种工业副产氢模式的综合效益评价值，突出对比了传统制氢方式与
工业副产氢分离技术之间各种特征指标的差别，可以得到更加合理准确可靠的制氢/产氢权重分析结果；有利于企业选取实际上优化后的制氢产氢方案，提高了相关工作效率，并且有益于推动相关制氢研究的进展。

技术特征：
1.一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：s1、建立基于层次分析法的层次结构模型；所述层次结构模型包括目标层、准则层以及方案层；所述目标层为氢气来源模式；所述准则层包括用于描述氢气来源模式的若干个制氢准则，所述方案层包括列属于每个制氢准则下的若干个制氢子指标；s2、构建判断矩阵；其具体过程为：s2.1、确定出用于表示两两制氢子指标之间的相对重要程度的比率标度，所述比率标度为1～9；s2.2、由专家对两两制氢子指标之间的重要程度进行比较，比较后根据所述比率标度进行打分，得到两两制氢子指标之间的相对重要程度值；s2.3、将专家打分得出的相对重要程度值作为矩阵元素构成判断矩阵a，表示为：a＝(a
ij
)
n
×
n
；s3、计算判断矩阵a的特征值及特征向量；s4、根据步骤s3得出的特征值及特征向量，对判断矩阵a进行一致性检验分析；s5、对步骤s1中的层次结构模型进行层次总排序，得出各层中的分析项的权重值，根据权重值对制氢模式进行定量评价；其具体过程为：s5.1、通过专家来打分得出准则层中两两制氢准则之间的相对重要程度值，并同时打分得出各个制氢准则相对氢气来源模式的重要程度值；并同时获取方案层中两两制氢子指标之间的相对重要程度值，计算出制氢子准则层指标的综合重要度；s5.2、设定准则层中共有m个制氢准则：c1，c2，
…
，c
m
，每个制氢准则相对制氢模式的重要程度值为w1，w2，
…
，w
m
；设定方案层中共有n个制氢子指标：p1，p2，
…
，p
n
，令制氢子指标p
j
对制氢准则c
j
的权重为ν
ij
，则每个制氢子指标的综合重要度为：w'
i
＝w
j
ν
ij
；s5.3、计算综合效益评价值：r＝w
×
y，其中，w＝(w'1,w'2,
…
,w'
m
)，w表示m个制氢子指标的综合重要度的权向量，y表示方案层的无量纲化数据矩阵。2.根据权利要求1所述的一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，其特征在于：在步骤s3中，计算判断矩阵a的特征值及特征向量的具体过程包括下列步骤：s3.1、将判断矩阵a＝(a
ij
)
n
×
n
的每一列向量进行归一化，即其中，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
n；n表示判断矩阵a的阶数；a
ij
表示判断矩阵a中的矩阵元素，a
ij
>0，aii＝1；得到归一化后的s3.2、将归一化后得到的所有按行求和，得到s3.3、将得到的所有按列归一化，即得到特征向量w＝(w1,w2,
…
,w
n
)；s3.4、求特征向量w对应的最大特征值λ
max
，即为判断矩阵a的特征值。3.根据权利要求2所述的一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，其特征
在于：在步骤s4中，对判断矩阵a进行一致性检验分析；具体过程为：s4.1、计算判断矩阵a的一致性指标其中，n表示判断矩阵a的阶数；s4.2、查找矩阵a的平均随机一致性指标ri；s4.3、计算一致性比例cr；判断矩阵a的一致性指标ci与平均随机一致性指标ri之比为随机一致性比率，即为cr，当cr＝ci/ri<0.10时，即认为判断矩阵a具有满意的一致性，否则说明不具有一致性，需要调整判断矩阵，使其具有满意的一致性。

技术总结
本发明涉及一种基于层次分析法的产氢模式综合效益评价方法，该方法包括：S1、建立基于层次分析法的层次结构模型；S2、构建判断矩阵A；S3、计算判断矩阵A的特征值及特征向量；S4、对判断矩阵A进行一致性检验分析；S5、对步骤S1中的层次结构模型进行层次总排序，得出各层中的分析项的权重值，根据权重值对制氢/工业副产氢模式进行定量评价；并对比了传统制氢方式与工业副产氢分离技术之间各种特征指标的差别，可以得到更加合理准确可靠的制氢/产氢权重分析结果；有利于企业选取实际上优化后的制氢产氢方案，提高了相关工作效率，并且有益于推动相关制氢研究的进展。推动相关制氢研究的进展。推动相关制氢研究的进展。


技术研发人员：王甫 张志恒 郭炜豪 袁金良
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/14