（技术经济及管理专业论文）大港电厂节能评价研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大港电厂节能评价研究，是本人在 华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据 本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名：拉盘差 日 期：竺2 ：! 兰：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：翩签建犹 导师签名乙羔型乡 i 华北电力人学硕十学何论文摘要 摘要 节能是我国能源战略和政策的核心，火电厂既是能源转换和供应中心，也是资源消 耗大户。提高电厂运行效率，开展节能降耗工作不仅是火电厂适应电力市场竞争的要求， 同时也是实现我国经济和社会可持续发展的重要内容，因此，作好火电厂节能工作的评 价，推动火电厂节能工作的不断进步，是一项具有重要战略意义的工作。本文针对天津 市大港电厂的实际能耗工作的情况，建立电厂节能评价的指标体系，根据电厂指标 体系较多的特点，建立基于因子分析的支持向量机评价模型，并结合大港电厂的实 际数据进行实证研究，最后对大港电厂节能工作提出了一些建议。 关键词：节能，电力工业，因子分析，支持向量机 a b s t r a ct e n e r g y - s a v i n gi st h e c o r eo fc h i n e s ee n e r g ys t r a t e g ya n dp o l i c y , t h e r m a l p o w e rp l a n ta r eb o t he n e r g yc o n v e r s i o na n ds u p p l yc e n t e r a sw e l la sl a r g e c o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s i m p r o v i n gt h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yo fp o w e rp l a n t s y s t e m si sn o to n l yp o w e rp l a n tt oa d a p tt ot h er e q u i r e m e n t so fc o m p e t i t i o n ，b u ta l s o a n i m p o r t a n t c o n t e n to fc h i n e s en a t i o n a le c o n o m i ca n ds o c i a ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，m a k i n ge v a l u a t i o nw o r ko fe n e r g y - s a v i n gi nt h e r m a lp o w e r p l a n tt op r o m o t ee n e r g y - e f f i c i e n ti np o w e rp l a n t ，i sa ni m p o r t a n tw o r ko f c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h e a c t u a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nd a g a n g p o w e rp l a n to ft i a n j i n ，e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fe n e r g y e f f i c i e n ta r ee s t a b l i s h e d ， a n db e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o r ep o w e ri n d i c a t o rs y s t e m ，ae v a l u a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef a c t o ra n a l y s i sa n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e c o m b i n e d w i t ht h ea c t u a ld a t ao fd a g a n gp o w e rp l a n t ，t h em o d e lo ft h ee m p i r i c a lr e s e a r c hi s u s e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d a n dt h el a s ts o m es u g g e s t i o n so f i m p r o v i n ge n e r g y - s a v i n gw o r ka r ep r o p o s e d l i ny u f a n g ( t e c h n o l o g ye c o n o m ya n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gy u a n s h e n g k e yw o r d s ：e n e r g y s a v i n g ，e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , f a c t o ra n a l y s i s ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e 1 1 论文的研究背景及意义l 1 1 1 我国能源利用的现状- l 1 1 2 我国电力生产的现状3 1 1 3 火力电厂节能的重要意义6 1 2 火力发电厂节能研究现状7 1 3 论文研究的主要内容8 第二章大港电厂节能指标体系9 2 1 大港电厂的总体状况9 2 2 大港电厂节能主要指标状况1 0 2 2 1 锅炉主要指标及计算1 l 2 2 2 汽轮机主要指标及计算。1 2 2 2 3 综合指标及计算1 4 第三章基于因子分析的支持向量机大港电厂节能评价模型1 7 3 1 因子分析法1 7 3 1 1 数学模型1 8 3 1 2 因子分析的基本步骤1 8 3 2 支持向量机2 l 3 2 1 支持向量机理论基础2 l 3 2 2 支持向量机的分类2 4 3 2 3 支持向量机的优势。2 8 第四章大港电厂的节能评价分析2 9 4 1 指标因子分析2 9 4 1 1 数据处理。2 9 4 1 2s p s s 软件因子分析。2 9 4 2 支持向量机评价3 3 4 2 1 数据的处理3 4 华北电力人学硕十学位论文目录 4 2 2 核函数的选择3 5 4 2 3 结果分析3 6 章大港电厂节能工作的建议3 8 5 1 加强电厂经济性评价工作3 8 5 2 进一步完善管理制度4 0 5 3 加强指标监督分析4 0 5 4 落实节能项目计划。4 l 5 5 提高节能管理人员素质4 2 5 6 加强非生产用能管理4 2 章结论4 3 参考文献4 4 致 射4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况。4 8 华北电力人学硕十学位论文 1 1 论文的研究背景及意义 第一章绪言 能源是发展国民经济的基础，在国民经济中占有重要的地位，能源的利用效率 状况是反映一个国家经济状况和发展的重要标志。我国人口众多，能源相对不足， 人均占有量远低于世界平均水平，再加上经济结构不合理，经济增长方式粗放，能 源利用效率偏低。此外，我国现阶段正处于经济发展阶段，随着我国工业化和城镇 化推进，能源消耗强度加大，能源资源需求总量增加，能源供需矛盾将会越来越突 出，因此，大力促进能源资源的高效利用和循环利用，是我国发展能源工业的战略 方针，是缓解能源资源约束的根本出路。 电力工业是我国能源消耗大户，在我国电力工业中，火力发电企业占主导地位， 其中燃煤电厂燃煤消耗量约占煤炭产量的5 0 ，火力发电厂的能效问题成为影响中 国电力工业能效的主要因素，所以提高火电厂的能源利用率具极其重要的意义。提 高火电厂的能源利用率不仅是降低发电成本的需要，而且是保护资源和环境、实现 可持续性发展的需要。 1 1 1 我国能源利用的现状 我国是一次能源储量比较丰富的国家，自然资源总量排世界第7 位，能源资源 量约为4 万亿吨标准煤，居世界第3 位。从常规能源资源总储量看，水能资源蕴藏 量丰富，可开发装机容量为3 7 8 亿千瓦，经济可开发装机容量为2 9 亿千瓦，居世 界第l 位；煤炭保有储量为1 0 0 2 4 9 亿吨，经查可采储量为8 9 3 亿吨，探明储量居 世界第3 位；石油资源为9 3 0 以，探明储量居世界第l o 位：天然气资源量为3 8 亿 立方米，探明储量居世界1 8 位，然而从可持续发展的观点来看，存在十分严峻的 能源问题【l 】。 ( 1 ) 能源资源不足 我国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源匮乏，我国人口占世界总人 口的2 2 ，已探明煤炭储量仅占世界储量的1 1 ，石油储量仅占世界的2 4 ，天然 气储量仅更是占世界的1 2 ，人均常规能源占有量为1 3 5 吨标准煤，仅相当于世界 平均水平的1 2 ，石油仅1 1 0 ，天然气所占比例更低。据专家统计，我国煤炭剩余 可开采出储量为9 0 0 亿吨，石油剩余可采储量为2 3 亿吨，天然气剩余可采出储量 为6 3 1 2 亿立方米。人均能源相对不足，将是我国社会经济可持续发展的一个限制 因素。 l 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 能源结构以煤炭为主 我国是世界上极少数几个能源以煤炭为主的国家之一，煤炭消费量占世界每年 消费量的三分之一左右。自1 9 8 0 年以来，我国经济的快速增长导致对煤炭资源的 需求的增加，尽管保持大规模的水电开发，水电占初级能源的比例却下降了，火力 发电厂用煤逐年增加，发电用煤量在煤炭消费中的比例一盲旱t 升趋势。从1 9 8 0 年的1 8 5 0 上升到2 0 0 5 年的4 8 3 6 ，发电用煤量占全国煤炭消费量的比重见表 l l 。除了燃煤火电厂外，还有大约5 0 万个工业锅炉、1 8 力个工业炉窑燃用煤炭， 多数城市居民燃煤做饭或取暖，居民区和商业区的集中供热许多是由小型锅炉提供 的。随着经济的发展，能源需求不断增长，煤炭产量大幅度增加，这使煤炭开采、 运输和利用的难度增加，大量燃煤还造成严重的环境污染。 表1 1 火电厂发电用煤量占全国煤炭消费量的比重( 原煤) 年份 项目 1 9 8 01 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 全国煤炭消 费量( 万t ) 6 0 2 7 59 8 7 0 31 3 1 1 7 6 1 3 0 2 9 71 4 8 0 0 0 1 7 4 9 9 0 2 0 3 2 2 72 2 3 3 1 9 发电用煤量 ( 万t ) 1 1l5 02 7 1 3 7 4 5 0 8 16 0 7 2 87 1 0 2 98 4 9 5 09 6 0 0 01 0 8 0 0 电煤l i 煤炭 1 8 5 02 7 4 93 4 3 74 6 6 l4 7 9 94 8 5 54 7 2 44 8 3 6 消费比重( ) ( 3 ) 能源利用率低 我国产品能耗和耗能设备的能效与国际先进水平相比产局较大，能源浪费严 重，加剧了能源供需矛盾，尤其是优质能源( 石油、天然气) 供应不足的矛盾同趋 突出。能源利用效率仅为3 3 ，比发达国家低1 0 个百分点；单位产值能耗是世界 平均水平的2 倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍和4 3 ： 我国8 个行业( 石化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、纺织) 主要产品单 位能耗平均比国际先进水平高4 0 ；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低 1 5 - 2 0 ；机动车百公里油耗比欧洲高2 5 ，比日本高2 0 。我国建筑采暖、空调能 耗均高于发达国家，其中单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的 2 3 倍。矿产资源总回收率比国外先进水平低2 0 个百分点。除此之外，一方面，我 国正处在工业化、城镇化加速的历史时期，国际经验表明，这正是能源消费的快速 增长时期：另一方面，在经济全球化和国际产业结构调整过程中，一些高消耗、资 源性的产业转移到我国，相应地加大了我国资源消费的总量。随着大量“中国制造一 的产品走向世界，我国也问接或直接的出口了大量能源。比如许多国家不再生产或 2 华北电力人学硕十学位论文 少生产焦炭，但是中国的焦炭出口却从1 9 9 1 年的1 0 8 力_ 吨增加到2 0 0 5 年的1 4 5 0 万吨。中国大量出口的粗钢、未锻轧铝、彩电等这些产品都是消耗大量的能源。尽 管国家大力提倡节约能源，但是，近期我国“高投入、高消耗、高排放、难循环、低 效率”的经济增长方式仍没有发生根本的变化。今后，随着我国工业化和城镇化推进， 能源资源需求总量还会增加，经济发展面临的能源资源约束矛盾将长期存在。节约 能源资源，大力促进能源资源的高效利用和循环利用，是缓解能源资源约束矛盾的 根本出路。 ( 4 ) 供电煤耗高 我国电力工业的技术经济指标已经逐年提高，但是与发达国家的指标值相比还 有很大的差距，如图1 1 所示。从中可以看出，近几年在国家大力提倡下，我国火 电机组供电煤耗有了较大幅度的下降，平均供电煤3 7 0 9 k w h 左右，但和r 本、德 国等发达国家的火电机组平均供电煤耗水平相比，仍高出5 5g k w h 以上，造成这种 情况的原因除管理水平低外，主要的原因是大容量、高参数的火电机组在发电设备 中占得比重小。 图1 - 1 我国电厂供电煤耗图 1 1 2 我国电力生产的现状 中国电力工业自l8 8 2 年在上海诞生以来，经历了艰难曲折、发展缓慢的6 7 年， 到1 9 4 9 年发电装机容量和发电量仅为1 8 5 万千瓦和4 3 亿千瓦时，分别居世界第2 l 位和第2 5 位。1 9 4 9 年以后我国( 大陆，下同) 的电力工业得到了快速发展。1 9 7 8 年 发电装机容量达到5 7 1 2 万千瓦，发电量达到2 5 6 6 亿千瓦时，分别跃居世界第8 位 和第7 位。改革开放之后，电力工业体制不断改革，在实行多家办电、积极合理利 3 华北电力人学硕十学位论文 资和多渠道资金，运用多种电价和鼓励竞争等有效政策的激励下，电力工业发 速，在发展规模、建设速度和技术水平上不断刷新纪录、跨上新的台阶。进入 纪，我国的电力工业发展遇到了前所未有的机遇，呈现出快速发展的态势。 ( 1 ) 电力建设快速发展 发电装机容量快速增长。改革丌放以来到上世纪术，我国发电装机和发电量年 长率分别为7 8 、7 9 。发电装机容量继1 9 8 7 年突破l 亿千瓦后，到1 9 9 5 过了2 亿千瓦，2 0 0 0 年达到了3 亿千瓦。进入新世纪，我国电力工业进入历史 高速发展时期，投产大中型机组逐年上升，2 0 0 4 年5 月随着三峡电站机组的投 产，我国电源装机达到4 亿千瓦，到2 0 0 4 年底发电装机总量达到4 4 l 亿千瓦，其 中：水、火、核电分别达1 0 8 3 0 、3 2 4 9 0 、7 0 1 4 万千瓦。截至2 0 0 8 年底，我国发电 设备装机容量达到7 9 2 5 3 万千瓦，同比增长l o 3 4 。其中，水电1 7 1 5 2 万千瓦，约 占总容量2 1 6 4 ，同比增长1 5 6 8 ；火电6 0 1 3 2 万千瓦，约占总容量7 5 8 7 ，同 比增长8 1 5 ；水、火电占总容量的比例同比分别上升1 0 0 个百分点和下降1 5 5 个 百分点；风电并网总容量8 9 4 万千瓦，同比增长1 1 1 4 8 。全国电网2 2 0 千伏及以 上输电线路回路长度3 6 4 8 万千米，同比增长i i 1 0 ，2 2 0 千伏及以上变电设备容 量1 3 8 7 1 4 万千伏安，同比增长1 7 8 0 。2 0 0 9 年l 至7 月，全国又投产装机3 5 5 2 万千瓦。以4 月1 6 同拉西瓦水电站6 号机组投产为标志，我国电力装机突破了8 亿千瓦。 电源结构正在逐步趋向合理。2 0 0 9 年7 月底，全国水电装机已从2 0 0 2 年的8 6 0 7 力千瓦增加到1 8 2 亿千瓦；核电装机9 0 6 万千瓦，比2 0 0 2 年增加了一倍：风电装 机1 4 7 4 万千瓦。上半年，全国新投产电力装机容量累计达3 3 0 1 力千瓦，其中水电 等清洁能源l1 0 4 万千瓦，占全部新增容量的3 3 4 5 ，较2 0 0 8 年又有较大幅度上升。 技术装备水平在稳步提高、技术经济指标逐步改善。火电建设继续向着大容量、 高参数、节水环保型方向发展；核电加快了立项核准和建设速度，全年共核准浙江 秦山、福建宁德、福建福清及广东阳江共1 4 台核电机组，建设规模1 5 1 2 万千瓦： 风力发电翻倍增长，全年基建新增风电设备容量4 6 6 万千瓦：特高压、超高压电网 以及跨区送电规模加快发展；西电东送和全国跨区联网发展迅速，这对调剂电力余 缺、缓解电力供应紧张和促进资源优化配置起到重要作用。 全国电力基本建设投资完成额继续增加，2 0 0 8 年达到5 7 6 3 2 9 亿元，同比增长 1 5 2 。其中，电源、电网分别完成投资2 8 7 8 7 3 亿元和2 8 8 4 5 6 亿元，同比分别下 降1 0 7 8 和增长1 7 6 9 。电源基本建设投资呈现结构加快调整的态势，核电、风 电基本建设投资完成额分别增长7 1 8 5 和8 8 1 0 ，火电基本建设投资完成额下降 2 1 9 9 。电网基本建设投资占电力基本建设投资的5 0 0 5 。截至2 0 0 9 年7 月底， 4 华北电力人学硕+ 学位论文 2 2 0 千伏及以上输电线路达到3 7 5 万公里，电网规模超过美国，跃居世界第一位。 电网线路损失率从2 0 0 2 年底的7 5 2 下降到今年7 月份的6 4 4 。 ( 2 ) 电力环保取得显著成绩 污染物排放得到控制。电力工业从上世纪8 0 年代初开始控制烟尘排放，目前 安装电除尘器比例达到8 5 以上，烟尘排放总量较1 9 8 0 年减少3 2 以上，单位电 量烟尘排放量减少了8 8 。1 9 9 5 年底结束向江河排灰，2 0 0 2 年废水排放达标率达 到9 7 ，部分水资源缺乏地区实现了废水“零排放”。2 0 0 3 年底大陆已累计建成投产 的脱硫机组装置容量约1 0 0 0 万千瓦，脱硫设施产生的s 0 2 去除量为9 6 9 万吨，单 位电量二氧化硫排放量较1 9 9 0 年减少了4 0 。2 0 0 7 年全国新投运l o 万千瓦及以上 火电厂烟气脱硫机组容量达到1 1 亿千瓦，同比增长4 8 。其中新建机组脱硫装置 比例达7 0 ，现有机组改造为3 0 ；6 0 力千瓦及以上脱硫装置约6 0 4 0 万千瓦，占 5 5 。截至2 0 0 7 年底，全国火电厂烟气脱硫装置投运容量超过2 7 亿千瓦，占全国 火电机组容量的一半左右，保证了目前主要火电机组s 0 2 排放浓度控制的达标排放。 另外，国内全部3 0 0 m w 级以上机组均安装了较高效率电除尘器或布袋除尘器， 保证除尘器出口粉尘浓度控制在1 0 0 m g m 一。截至到2 0 0 7 年末，国内火电机组已安 装烟气脱硝装置2 6 0 0 0 m w 以上，该部分安装了烟气脱硝装置的火电厂早就和部分 设置低n o x 燃烧器的机组实现了n o x 的达标排放。此外，洁净煤燃烧技术的研究、 开发和技术引进取得进展，已经掌握了低氮燃烧技术。水电、核电和电网的环境保 护得到高度重视。资源节约和综合利用水平不断提高。供电标准煤耗从1 9 7 8 年的 4 7 1 克千瓦时下降到2 0 0 7 年的3 5 6 克千瓦时。 ( 3 ) 电力需求旺盛，发展潜力巨大 国民经济持续快速增长，对电力的拉动作用巨大。上世纪7 0 年代起，我国基 本处于长期严重缺电的局面，电力供应短缺是制约经济发展的主要瓶颈。随着电力 工业快速发展，1 9 9 7 年开始实现了电力供需的基本平衡，部分地区供大于求。进入 新世纪，随着我国实施西部大开发战略，实行积极财政政策和扩大内需的经济方针， 国民经济持续发展，电力需求增长也屡创新高。继2 0 0 1 年用电增长9 之后，2 0 0 2 年增长1 1 8 、2 0 0 3 年增长1 5 4 、2 0 0 4 年增长1 4 8 。经济较发达的长江三角洲、 珠江三角洲等沿海地区电力需求持续旺盛。从2 0 0 2 年下半年开始，全国电力供需 状况又趋紧张，发电装机利用率( 利用小时数) 大幅提高，局部地区开始启用限电 措施。2 0 0 3 年 - 2 0 0 4 年，全国电力供需平衡继续总体偏紧。尽管电力供应能力迅 速增长，受低温雨雪冰和电煤供应等因素的影响，2 0 0 8 年全国大多数地区出现不同 程度的供需紧张。整体看来，由于人均发电装机占有量偏低，电力供应的高速增长 仍难以满足更快增长的电力需求，电力工业仍存在较大发展空白j 【2 ，3 1 。 s 华北电力人学硕十学位论文 火力电厂节能的重要意义 源是人类生存和发展的重要物质基础。我国人口众多，能源资源相对不足， 有量远低于世界平均水平，煤炭、石油、天然气人均剩余量可采储量分别只 平均水平的5 8 6 、7 6 9 和7 0 5 。同时，能源的利用效率很低，能源浪费 重。目前我国正处在工业化、城镇化加快的重要阶段，能源资源的消耗强度 消费规模不断扩大，能源供需矛盾越来越突出。 电厂是把其它形式的能量( 如燃料的化学能、水能、风能、原子能等一次能源) 转换为电能的特殊工厂。发电厂是电力系统的中心环节，根据一次能源形式的不同， 可以分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂及其他类型的发电厂；根据电厂的 装机容量及在电力系统内地位的不同，又可以分为区域性发电厂、地方性发电厂及 自备专用电厂等。火力发电厂是以煤、石油、天然气等作为燃料，燃料燃烧时的化 学能被转换为热能，再借助汽轮机等热力机械将热能变为机械能，并由汽轮机带动 发电机将机械能变为电能。 对于发电企业而言，火力发电在我国占绝对主导地位，其中燃煤电厂消耗量约 占煤炭产量的5 0 左右。目前，我国火力发电厂的能效水平还比较低下，与世界先 进水平还有较大的距离。据有关的统计资料表明：2 0 0 7 年，我国电力工业全国平均 煤电耗为3 5 6g k w h ，与世界先进水平( 1 9 9 9 年) 相差约3 2g k w h 。火力发电厂的 能效问题成为影响中国电力工业能效的主要因素1 6 j 。 在我国电力工业构成中，约有3 4 以上的电力供应由火力发电企业供应。随着 电力工业的发展、装机容量的不断增加，每年用于发电的能源消耗也越来越大。在 现阶段，我国现有的火力发电企业中，低参数、小容量的发电设备的还较多，节能 的重要性和可行性就更加突显出来。节能对环境保护，提高发电企业的经济效益和 降低生产成本，减少物质、能源的消耗和缓解能源运输压力等具有十分重要的作用。 因此，加强火力发电企业的节能意识，提高现有机组的运营水平，改善机组的经济 性能，是电力工业节能降耗的有效方法。 为加强发电厂节能管理，原国家能源部于1 9 9 1 年2 月5 日以能源节能e 1 9 9 1 】9 8 号文下发 0 9 ， 非常适合；o 8 k m o 0 9 ，适合：0 7 k m o 0 8 ，一般适合；0 6 k m o 0 7 ，不太 适合；0 5 - - j 理论系统地研究了各种类型的函数集的经验风险和实际风险之间的 关系，即推广性的界。对于两类分类问题，得到的结论是：对于指标函数集中的所 有函数( 包括经验风险最小化的函数) ，经验风险r m p ( 渺) 和实际r ( w ) 2 f b j 以至少 卜i i 的概率满足如下关系： 尺( 驴) 曩唧( 形) + 可以简单地表示为： 公式( 3 4 ) 尺( 矽) ( 矽) + ( j i l 刀) 公式( 3 - 5 ) 式中：h 是函数集的v c 维，n 是样本数，0 r l 。 这一结论从理论上说明了学习机器的实际风险是由两部分组成的：l 、经验风 险( 训练误差) ；2 、置信范围，它不仅受置信水平l 一1 7 的影响，而且和函数的v c 维 和训练样本数有关。在有限样本训练下，学习机器v c 维越高，则置信范围越大， 导致真实风险与经验风险之间可能的差别越大。机器学习过程不但要使经验风险最 小，还要使v c 维尽量缩小置信范围，才能取得较小的实际风险，对未来的样本有 较好的推广性。 ( 2 ) 经验风险最小化 机器学习的目的是根据给定的训练样本求对某系统输入输出之间依赖关系的 估计，使它能够对未知输出作出尽可能准确的预测。机器学习是根据n 个独立同分 布观测样本( 五，咒) ，( 而，咒) ，( ，咒) 在一组函数矿( 五少) ) 中，求一个最优函数厂o ，) 使期望风险最小。即 尺( w ) = p 【y ，厂( x ，w ) 】卵( 工，j ，) 公式( 3 6 ) 由于期望风险计算的实现需要事先知道概率密度，“y ) 的信息，这在实际工作 中难以做到。在实际机器学习过程中采用经验风险最小化准则( e r m ) ，即用如下 的经验风险去近似估计函数的期望风险值： 华北电力人学硕十学位论文 ( w ) = 丢私彬( 圳】 公式( 3 - 7 ) 经验风险最小化准则在机器学习方法中占主要地位，但是用经验风险最小化准 则代替期望风险最小化准则并没有经过充分的理论论证。 ( 3 ) 结构风险最小化 由以上说明可以看出经验风险最小化原则在样本有限时是不合理的，我们需要 同时最小化经验风险和置信范围。统计学习理论提出了一种新的策略，结构风险最 小化( s r m ) 来选取比较好的v c 维h ，使经验风险和置信值达到一个折中，最终 使期望风险最小。 在结构风险最小化准则中，把函数集构造为一个嵌套的函数子集序列：即 墨cs ：c 屯c s nc 每个函数子集的置信范围按照从小到大的顺序排列，在v c 维 也满足这种对应的大小关系，即j l l icj i l 2c 呜c 吒c ，在每个子集中寻找最小经 验风险，并在子集中考虑折中的经验风险和置信范围，使之达到实际风险最小( 见 图3 1 ) 。 欠学习 过学习 风险 函数集子集i s ，( 7 s , c 8 1 v c 维： i 2 l ， f = l ，2 ，拧 该二次规划问题可转化成其对偶问题，即： 公式( 3 - 9 ) m a x q ( 口) = q l 芝, 2 a i a y i y j ( x i t ) 扣1 叫剐川 公式( 3 1 0 ) 珐口j y i = 0 q o i = l ，2 ，以 如果是对偶问题的一个解，则 最优偏置量表示为 ( w w ) - - a j y , y j ( x ，t ) 则可得到最优分类函数为 就可以判断出x 所属的类别。 b = y j 一y i 盛t x j 厂( x ) = s 印 ( 胪x ) + 6 公式( 4 11 ) 公式( 4 1 2 ) 公式( 4 1 3 ) 在实际应用时，大多数情况下并不能满足线性可分性，对于线性不可分的情况 下，可以在条件中增加一个松弛变量q 0 ，i = 1 ，2 刀，此时，数学表示变为： j 矽( m 占) = 三( w ) + c 喜乞 公式( 4 1 4 ) i s l 只( ) + 6 ) 1 一q 乞o , i = l ，2 一 华北电力人学硕十学位论文 其对偶形式可转化为： m a x ( 口) = 口f 一去y i y j a l a j ( x i _ ) 扣1 “酬川 公式( 4 1 5 ) s f 乃q = o o q c i = 1 ，2 ，刀 ( 2 ) 非线性s v m 非线性支持s v m 的基本思想是：通过非线性映射将输入向量x 转化为一个高维 中，然后在变换空间中构建最优超平面。这种变化比较复杂，在一般情况下不 现。但由于在上面的二次规划问题中，无论是目标函数还是分类函数都只涉及 运算，而这种内积运算可以用原空间的函数来实现。根据泛函的有关理论，如 用一种满足m e r c e r 条件的内积核函数k 五，x j ) 的核函数，就可以实现某一非线 换后的线性分类，可以避免在高维空间进行复杂运算，而计算复杂度也没有增 那么非线性s v m 的目标函数就变为： 分类函数为： q 似) = 嘶一l ，_ ) 公式( 4 一娩y l y j a i t t j k ( x i 1 6 ) 扣il i i ，= i c x ，= s g n 喜西咒k c ，x ，+ 6 ) 公式c 4 - t 7 ， l 扣lj 同样非线性s v m 就是下面的优化问题： 其对偶问题为： q o , i = l ，2 刀 公式( 4 1 8 ) m a x ( 口) = q 一 y i y j a t a j k ( x t ，x j ) 扭1 。1 川 公式( 4 1 9 ) s f x y , a , = o o q ci = l ，2 ，刀 。 核函数k ( 玉，) 的选择需要满足m e r c e r 条件。选择不同形式的核函数可以产生 2 6 毛 ，。娶m _ c l + | 计 妨 m ” = 弗 曲 咐 “ 姒 h 。 i 昌 “ 华北电力人学硕+ 学位论文 不同的支持向量机，常用的主要有以下几种： 线性核函数： 多项式核函数： k ( x ，y ) = x y公式( 4 - 2 0 ) k ( x ，y ) = ( ( x y ) + c ) dd = l ，2 公式( 4 2 1 ) 高斯( 径向基核函数或r b f ) 核函数： 地炉e x p - 譬一2 2 ， 其中，仃为样本输入特征个数与径向基函数的宽度的乘积。 ( 虿) s i g m o i d 核函数 k ( x ，y ) = t a n h ( v ( x y ) + c )v ，c 为常数公式( 4 2 3 ) 支持向量机分类算法的整个流程可用下图表示： y x 2一x 一 图3 3 支持向量机分类算法的流程 华北电力人学硕十学位论文 3 2 3 支持向量机的优势 通过前面的分析，可以看出，支持向量机以统计学习理论为基础，采用结构风 险最小化准则设计学习机器，较好地解决了非线性、高维数、局部极小点等问题， 并具有较好的推广能力。具体来说，支持向量机具有以下特点和优势【3 9 4 1 1 。 ( 1 ) 支持向量机具有坚实的理论基础和严格的推证过程，又能较好地解决小 样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题，为研究有限样本情况下基于数据 的机器学习方法奠定了基础。 ( 2 ) 支持向量机采用结构风险最小化准则设计学习机器，折衷考虑经验风险 和置信范围，具有较好的推广能力。 ( 3 ) 对于实际非线性问题通过非线性变换转换到高维的特征空间，在高维空 间中构造线性判别函数来实现原空间中的非线性判别函数巧妙地解决了维数问题， 其算法复杂度与样本维数无关。 ( 4 ) 算法最终将转化为一个凸二次规划问题，从理论上说得到的将是全局最 优解，解决了在神经网络中无法避免的局部极值问题。 华北电力人学硕十学位论文 第四章大港电厂的节能评价分析 通过对大港电厂节能评价指标体系的建立，建立包含了4 3 个指标的评价体系。 经过实际调研，搜集了2 0 0 7 年和2 0 0 8 年两年的2 4 个月的样本数据。本章主要以 电厂机组1 各项指标的样本数据，结合基于因子分析的支持向量机模型来大港电厂 节能的情况进行实证分析。 4 1 指标因子分析 基于大港电厂指标较多的实际情况，为了提高支持向量机的效果和效率，首先 用因子分析模型对样本数据进行简化分析。 4 1 1 数据处理 电厂指标的原始数据组成一个2 4 x 4 3 的矩阵，首先对正指标和逆指标进行预处 理。按如下等式进行预处理。 乃： 毛工雹黧州，2 ，3 3 公却- 1 ) 乃2 1 一 x 为逆指标 严1 z 公瓦【4 。1 ) 4 1 2s p s s 软件因子分析 使用软件s p s s1 3 0 对处理后的数据矩阵进行因子分析。具体过程过程如下： 先对样本数据进行标准化，利用软件计算各个指标的相关系数、因子共同度、计算 各主成分的贡献率，得到特征值和特征向量，如表4 1 所示。 公共因子方差是公因子对变量方差的贡献率，共同度越大，表明变量对公因子 的共同依赖程度越大，如果共同度为1 ，则表明变量的原始信息都完全被所选的公 因子说明。从表4 1 的变量共同度可以看出：所有的变量都能很好的被7 个公因子 解释，共同度大多数在0 9 以上。 华北电力人学硕+ 学何论文 表4 1 ：因子共同度 i n i t i a le x t r a c t i o ni n i t i a le x t r a c t i o n 锅炉热效率 1 0 0 06 8 0 主蒸汽温度 1 o o o7 2 5 排烟温度 1 0 0 0 8 5 8再热蒸汽温度 1 0 0 08 6 7 锅炉氧量 1 0 0 0 9 2 2再热蒸汽压力1 0 0 0 9 6 l 补水率 1 0 0 09 0 2 凝汽器真空度 1 0 0 09 6 0 飞烟可燃物 1 0 0 08 9 2 凝汽器端筹 1 0 0 08 4 9 引风机单耗1 0 0 09 7 l排汽温度1 0 0 0 9 6 l 引风机耗电率1 0 0 09 5 5 过冷度 1 0 0 07 8 l 送风机单耗 1 0 0 09 5 3 给水温度 1 0 0 09 8 4 送风机耗电率 1 0 0 09 6 5 机组热耗率1 0 0 0 9 2 4 磨煤机单耗 1 0 0 08 5 9 机组汽耗率1 0 0 08 7 8 磨煤机耗电率 1 0 0 08 7 0 机组热效率1 0 0 09 2 5 一次风机单耗1 0 0 09 2 4给水泵单耗1 0 0 08 9 9 一次风机耗电率 1 0 0 08 0 3 给水泵耗电率 1 0 0 09 4 5 除尘系统单耗 1 0 0 08 4 l 凝结泵单耗 1 0 0 09 6 8 除尘系统耗电率 1 0 0 09 3 7 凝结泵耗电率 1 0 0 09 6 8 除灰系统单耗 1 0 0 09 1 2 强制循环泵单耗 1 0 0 09 0 9 除灰系统耗电率 1 0 0 09 0 9 强制循环泵耗电率 1 0 0 09 0 7 输煤系统单耗1 0 0 09 6 4发电量 1 0 0 08 4 4 输煤系统耗电率 1 0 0 09 5 4厂川电率 1 0 0 09 0 l 脱硫系统耗电率 1 0 0 08 3 2发电煤耗1 0 0 09 4 4 土蒸汽流域 1 0 0 09 5 5 供电煤耗 1 0 0 08 5 8 土蒸汽压力 1 0 0 09 6 7 表4 2 ：方差解释 因 初始特征值提取平方负荷总合旋转平方负荷总合 特征贡献 累计贡献特征贡献 累计贡献特征 贡献累计贡献 子 值率率值率率值 率 率 l1 7 7 2 94 1 2 2 94 1 2 2 91 7 7 2 94 1 2 2 94 1 2 2 91 3 5 5 2 3 1 5 1 7 3 1 5 1 7 27 1 4 l1 6 6 0 65 7 8 3 57 1 4 l1 6 6 0 65 7 8 3 56 6 8 61 5 5 4 84 7 0 6 5 34 3 1 91 0 0 4 46 7 8 7 94 3 1 91 0 0 4 46 7 8 7 94 9 2 01 1 4 4 35 8 5 0 8 4 3 8 3 6 8 9 2 l7 6 8 0 03 8 3 68 9 2 l7 6 8 0 03 7 2 08 6 5 26 7 1 6 0 52 4 4 95 6 9 5 8 2 4 9 4 2 4 4 95 6 9 58 2 4 9 43 5 2 6 8 2 0 07 5 3 6 0 61 7 6 74 1 0 98 6 6 0 41 7 6 74 1 0 98 6 6 0 43 3 9 5 7 8 9 48 3 2 5 4 71 5 4 53 5 9 39 0 1 9 61 5 4 53 5 9 39 0 1 9 62 9 8 56 9 4 2 9 0 1 9 6 8 1 1 7 22 7 2 79 2 9 2 3 9 7 2 l1 6 7 69 4 5 9 9 1 06 3 71 4 8 l9 6 0 8 0 从表4 2 的特征值及碎石图都可以看出，前7 个因子的特征总值占总方差的 华北电力人学硕十学何论文 9 0 2 0 ，能够很好的包括原数据的信息。 s c - 鼍ep i a t c o n t l m n e n tn u m b e r 图4 1 碎石图 表4 3 ：因子得分系数 l23 4 56 7 锅炉热效率x l 一0 3 30 0 81 2 70 6 60 3 10 9 50 2 8 排烟温度x 2 0 0 80 3 10 8 00 1 50 1 70 1 40 6 2 锅炉氧鼙x 3 0 7 10 1 20 2 50 3 90 0 30 4 00 3 6 补水率x 4 0 3 31 2 70 2 00 7 50 7 41 4 20 1 2 飞烟可燃物x 5 0 0 60 5 12 2 30 5 2o l o0 0 60 2 2 引风机单耗x 6 0 0 70 4 52 2 60 7 50 0 10 7 50 0 5 引风机耗电率x ， 0 1 7 0 2 5 2 0 10 8 80 1 60 5 60 1 5 送风机单耗x 8 0 4 60 9 70