（热能工程专业论文）多信息融合能源利用数据处理系统.pdf

摘要 摘要 能源已经成为制约人类社会健康发展的关键因素之一。我国尚处于经济发展的 初级阶段，经济发展对能源的依赖程度更高。中国能源资源虽然丰富多样，但是人 均占有量低，能源总量供应不足，人均煤炭、石油、天然气等能源资源量远远低于 世界平均水平，后备优质资源明显不足，石油进口依存度高。作为世界第二大能源 消费大国，我国的能源消费仍然以煤炭为主，是世界上主要的煤炭消费国。我国能 源利用效率相对较低，与国际上存在巨大的差距，导致我国面临的能源“瓶颈”约 束更加突出。 目前，我省人均资源相对不足，后备资源极度匮乏，资源供需矛盾突出；对外 部煤炭资源的依赖性逐年提高；能源的加工转换效率不高、原煤利用方式不合理等 导致单位产值能源消费高；山东省工业结构中高耗能行业比重大，高技术、高附加 值、低能耗行业比重小，致使全省工业能源消耗量不断上升，重点耗能行业和企业 能耗水平明显提高。 为了保证能源需求，保持经济持续、快速、健康的增长，必须优化能源结构， 开展节能降耗，努力提高能源的利用效率。开展能源利用测试，实旌对钢铁、有色、 建材、化工、石化等高耗能行业用能情况以及对重点用能单位能源利用状况和主要 耗能设备、工艺系统的监测，提高主要耗能设备的能源利用效率，推进工业企业节 能降耗，无疑成为缓解能源约束矛盾，提高经济增长质量和效益的有效手段之一。 本文利用先进的计算机技术和信息处理技术，充分考虑现场测试的特点以及报 告编制等工作的需要，严格遵照相关标准、规范及规定，充分发挥多传感器信息融 合技术的优势，发展了一种多信息融合能源利用数据处理系统。通过综合考虑能源 利用测试的各个步骤，对能源利用测试的数据处理和报告编制等环节进行了系统规 划和严谨构思，设计了较实用完善的多信息融合能源利用数据处理系统的程序。该 系统可以极大地提高能源测试的准确度、有效性，降低数据处理与分析的工作强度、 强化人机交流、提高工作效率，能够在一定程度上有效避免现场测量条件给传统测 试方法带来的许多限制，避免单个传感器所可能具有的不确定性和局限性，提高整 个测试系统的技术性能，可以全面准确地描述被测对象。该测试系统具有良好的综 合性能，为实现能源测试工作的自动化、网络化和信息化创造了条件，为我国的能 山东大学硕+ 学位论文 源利用测试工作提供了一个实用方便的测试工具，具有良好的推广应用价值。 关键词：多信息融合能源利用测试数据处理系统节能 a b s t r a c t a b s t r a c t e n c r g ys o - sh a v eb n0 n eo f t h ek c yf a d o 俗w h i c hm s 埘dt h eh c a l t h y d c v e l o p m e n to ft h eh u m 勰如d e t y c h i n a se c o n 岫yi s s t i ul i n g c 血go nt h ep 血叫y d e v e l o p m e mp h a ，卸dt h cc c 0 m i cd c v e l o p m e n th i g i l l yd 叩跚d s 蛐t h ee n e r g y u r c e s t h e e r g y u r c e si na i i n aa 圮o fv a r i 咖s “n d s 柚da b u n d a l l ti nq u 锄t i t y b u tc v e r y c c 强l ys h a 佗a l i t t l c ，t h c 锄c r g y 伊。豁i i i a l i 舱i s i ns h o f ts u p p l y t h eq u a l l t i t yo f t h e i n d i v i d i l a ip o s s s i o no fc o a l ，o i l 锄dn a t u r a lg 鹞i sm u c h1 0 w e rt l l 觚t h ea v e m g cl c v e li n t h ew o d d ，o b v i o u s l y ，t h es u p p l yo fh i g hq u a l i t y 坤s o u c ci nc h i 眦i si ns h o n a g c ，锄dt h e 0 i ls u p p l yi sh c a v i l yd e p d e n t t l l ei m p o n a t i 咖a st h es e c o n dl a f g c s tc o u n 仃yi nt l l c 鲫l 蛐m p l i o fe n e r g ) 7s o u 职s ，t h ce n e r g y u r c u di nc h i 眦a 圮m a i l i l yc o a l s ，卸d a l i 舱i st h ep r i l i l a r yc o n s u m p t i 伽u 时o fc o a l si nt h ew o r l d 1 t sa r i sp m b l e mt h a t t l l c 聆a n o ts u f f i c i e n te n e r g y u r c c s mc l i i n a 柚dc a sc 1 1 c r g ye 妇丘c i e n c yi sm u c h l o w qt h 锄t h a ti nt h ed e v e l o p c do o u n t r i c s ，o fw h i c hi sc a l l e dm c ”b o n l e n e c kr c s 们c t i ” o f 锄e r g ys 伽r c c s t 1 l ee x p l o r a t i o ft h c e r g y u r c c sh 雏”s u i t c di ns c v e r cd a m a g e s t o t h ce n v i 姗m e n t ，蛳c ha sl a n d ，w a t e f s i l l c et l l eq u a n m yo ft h ci n d i v i d l i a lp o s s s i o no fr c 洲l 脯i sq u i t ei i m i t c di nc h i i i a ， t h ec o n t r a d i d i o nb e t 呵e e nt l l er c u r c cs u p p l y 强dr e q u i r 锄e n ti ss e v c r e ，锄dm er e s o u r c c s i i i p p 0 毗i sv e r yp i n c h i n 岛i h ed 印c n d e n t c o a li m p o n m e n ti si n c r c 够e dy c a fb yy c 腻 n e e n e f g ys 佣c 髂c o n s u m p t i o np c r l i l l i tp r o d u c t i 伽v a l u ei sv e r yh i g hb e c a u s ct h e 蛐e r g y e f f i c i e n c yi 薹lt l l cp r o c c s s i n ga l l dc o n v e r s i o no fc n e r g y u r c c si sl o w 孤dt h eu t i l i z a t i m 锄n c r0 fc o a li si r f a t i 彻a 1 h lt h ei n d i i s t r ys t m c t u r c0 fs h a l l d o n gp r o v i n c c ，t h ci n d u s t r i 鼯 o fh i g l i 锄e r g yc o m s u m p t i o nl c v c la o c o u mf b fac o n s i d e r a b l ep r o p o n i o n ，柚dt h e i n d u s t r i o fh i g l it c c i l i l o l o 百c s ，h i 曲a d d e dv a i u e 柚ds a v i n g 蛐e r g ya c c o u n tf b fal o w p m p o r t i o n ，w h i c hr e s u l t si nt l l ei l l c r e 豳ei l lt l l ew a s t a g e0 ft h ei n d l l s t r ye n e r g ys o u r c ca n d i nt h el e v e lo ft h ep r i m a r yc n e r g y - c o n 鲫m e dj l l d u s t 呼s h 锄d o n gp r o v i n c cb e c o m e st h e l a 唱e s te n e r g yc o n s u m p t i o np r o v i n c ci na l i n ai n2 ( ) 0 5w i t ht h et o t a le n e 唱yc o n s u m p t i o n r e a c h i n g2 3 6h u n d r e d sm i l l i o n t o n ss t a n d 盯dc o a la n dt l l et e nt h o u s a n dg d pe n e 唱y c o n s u m p t i o nr e a c h i n g1 2 8t o n ss t a n d a r dc o a l ，w h i c hi sh i 曲e r t h 柚c h i n a sa v e r a g el e v e l 符号说明 符号说明 输入热量，k j k g 、k j m 3 燃料应用基低位发热量，k j k g 、k j m 3 燃料物理显热，k j k g 、k j m 3 输出热量，k j k g 、k j m 3 主蒸汽流量，k g h 主蒸汽焓，k j k g 给水焓，k j k g 再热器入口蒸汽流量，k g h k 、 二 分别为再热器进、出口蒸汽焓，k j k g d b r w g k 、 札 q 2 q 3 g q 5 q 6 q 2 q 3 q 4 排污水流量，k g h 锅炉燃料消耗量，k g h ( m 3 h ) 汽化潜热，k j k g 蒸汽湿度， 热水锅炉循环水量，k g h 分别为热水锅炉出水、进水焓，k j k g 锅炉热效率， 每千克( 标准立方米) 燃料的排烟损失热量，k j k g 、k j 一 每千克( 标准立方米) 燃料的可燃气体未完全燃烧损失热量，k j k g 、k j 矿 每千克( 标准立方米) 燃料的固体不完全燃烧损失热量。k j k g 、k j 一 每千克( 标准立方米) 燃料的锅炉散热损失热量，k j k g 、k j m 3 每千克( 标准立方米) 燃料的灰渣物理损失热量，k j k g 、k j m 3 排烟热损失百分率， 可燃气体未完全燃烧热损失百分率， 固体为完全燃烧热损失百分率， g 鲸 线 9 k k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： 盈五垂 日 期：丝z 星生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：历- 丘；一导师签名：垫皇暨里日 期：厶五- l 山东大学硕士学位论文 程序和用户界面。该数据处理系统可以极大地提高能源测试的准确度、有效性，降 低数据计算与处理的工作强度、强化人机交流、提高工作效率，能够在一定程度上 有效避免测量条件对传统测试方法的限制，避免单个传感器所具有的不确定性和局 限性，提高整个测试系统的技术性能、全面准确地描述被测对象，使用和维护方便， 对进一步提高能源利用测试的准确度与有效性和测试工作的效率具有重要的意义， 具有良好的推广应用价值。 第一节选题背景 能源是战略资源，是全面建设小康社会的重要物质基础。随着人口增加、工业 化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，能源需求量将大 幅度上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源使用带来的环境污染问题更加突出， 节能任务十分繁重。要大幅度提高能源利用效率，必须实施节能监管、加强监督检 查，对高耗能行业和重点用能单位的用能情况、主要耗能设备的能源利用效率等进 行有效地诊断、测试，为节能技术改造提供技术依据，开展挖潜改造。 建立和完善节能监督机制组织对钢铁、有色、建材、化工、石化等高耗能 行业用能情况、节能管理情况的监督检查；对产品能效标准、建筑节能设计标准、 行业设计规范执行情况的监督检查；对固定资产投资项目可行性研究报告增列节能 篇( 章) 的规定进行监督检查；健全依法淘汰的制度，采取强制性措施，依法淘汰 落后的耗能过高的用能产品、设备，充分发挥节能监测( 监察) 机构的作用，从各 环节加大监督执法力度是国家实施中长期节能的一项重要保障措施。 目前，我国节能监管和服务机构能力建设滞后。全国共有节能监测( 技术服务) 中心1 4 5 个，绝大部分受政府委托开展节能执法监督和监测。但总体上看，多数节 能监测( 技术服务) 机构能力建设滞后，监测装备落后，信息缺乏，人才短缺，整 体实力不强。能源统计体系不完善、节能信息不畅，难以适应节能工作的需要“1 。 通过更新监测设备、加强人员培训、推行合同能源管理等市场化服务新机制等 措施，强化省级和主要耗能行业节能监测中心能力建设，依法开展节能执法和监测 ( 监察) ；省级和主要耗能行业节能技术服务中心具备为企业、机关和学校等提供 2 第一章绪论 节能诊断、设计、融资、改造、运行、管理“一条龙”服务的能力等节能监测和技 术服务体系建设工程是国家确定的“十一五”期间十项重点节能工程之一。 要适应当前能源监测和节能工作的迫切需要，在不断提高业务水平和更新知识， 提升个人工作能力的基础上，发展能够实现能源监测的多信息能源利用综合测试系 统具有特别重要的意义。因此，逶过多年现场能源利用监测工作的积累，利用当前 先进的计算机技术，结合实际工作的需要研制了一套多信息融合能源利用测试数据 处理系统，以便提蔫能源利用测试工作的质量和效率，为由东乃至全国的能源利用 测试工作上新台阶、更好的适应节能工作的新需要做出自己的贡献。 第二节主要研究内容 本文结合国家和我省能源利用( 消耗) 的现状及特点，通过深入研究相关耗能 设备的测试标准、试验规范等，寻求一种切实可行的、便捷的能源利用测试数据处 理方式，以便于及时地提出监测报告，实现高效率工作。 本文的主要工作如下： 第一章绪论：分析本文的选题背景。概要叙述目前国家节能的严峻形势，节能 监管和服务机构目前的现状及其面l 笛的重要任务，阐述开展能源利用监 测工作的重要性，提出了本文的研究内容。 第二章中国的能源利用状况：全面介绍中国的能源资源状况及面临的严峻能源 形势。 第三章山东省能源现状与能耗特征：介绍山东的资源现状及能耗特点，阐述我 省资源供需矛盾突出，后备资源极度匮乏的现状。 第四章多信息融合能源利用数据处理系统理论基础：介绍了多传感器信息融合 技术，深入分析了锅炉等主要耗能设备及重点耗能系统相关能耗指标的 计算方法。 第五章多信息融合能源利用数据处理系统：详细介绍了多信息融合能源利用数 据处理系统的工作流程、系统的安装与应用，并以一个电站锅炉的计算 表格、误差分析为实例对该数据处理系统做了进一步的阐述。 3 山东大学硕士学位论文 4 第六章总结与展望：总结了多信息融合能源利用数据处理系统的应用前景及实 际意义；同时，分析目前工作的不足之处，对后续的研究工作进行了总 体规划，力求将该系统不断充实、完善，以提高其覆盖面和适应性，积 极提高能源利用测试的水平、效率。 第二章中国的能源利用现状 第二章中国的能源利用状况 中国既是能源消费大国，又是能源生产大国。1 9 8 0 年以来，随着经济的增长， 中国的能源消费总量基本呈线性模式增长，每年增长约5 ，是世界平均增长率的近 3 倍。从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年间，中国在能源消费翻一番的情况下，实现了g d p 翻两番 的目标，在国际能源界被普遍视为一个奇迹。我国目前还正处在经济发展的初期， 经济发展对能源的依赖程度仍然很高。要实现经济的持续增长，必须做好开源、节 流和结构调整，突破能源瓶颈。 第一节中国的能源资源现状 数据表明，世界能源资源分布高度集中，石油、天然气主要集中在中东等少数 国家和地区( 见图2 一1 ) 嘲。 十亿桶 图2 1世界石油储量分布 目前，中国已成为世界第二大能源消费国，约占世界能源消费总量的1 1 ；其中 石油的消费量呈逐年大幅度上升趋势。而中国人均煤炭、石油、天然气资源量仅分 别为世界平均水平的6 0 9 6 、1 0 和5 0 3 。 2 1 1 中国煤炭资源状况 煤炭资源丰富，但人均占有量低。中国煤炭资源虽然丰富，但勘探程度较低， 经济可采储量较少( 所谓经济开采储量，是指经过勘探可供建井，并且扣除了回采损 5 山东大学硕士学位论文 失及经济上无利和难以开采出来的储量后，实际上能开采并加以利用的储量) 。目前， 经勘探证实的储量中，精查储量仅占3 0 ，而且大部分已经开发利用，煤炭后备储 量相当紧张。中国人口众多，煤炭资源的人均占有量约为2 3 4 4 吨，而世界人均的 煤炭资源占有量为3 1 2 7 吨，美国人均占有量更高达1 0 4 5 吨，远高于中国的人均水 平。 我国已发现的煤炭资源量为1 0 4 2 1 亿吨，扣除已采出及采矿损失后的保有储量 为l 0 0 3 2 亿吨。我国煤炭资源仅占世界煤炭资源总量的4 2 。 我国向世界能源理事会公布的煤炭资源剩余可采储量为儿4 5 亿吨。最近，国土 资源部按照世界通行的方法对我国煤炭资源进行全面技术经济评价，得出我国煤炭 资源剩余可采储量在2 0 4 0 亿吨左右。 按照2 0 2 0 年我国煤炭需求量为2 5 亿吨测算，需要后备精查储量1 5 0 0 亿吨以上， 而我国尚未利用的精查储量仅为6 1 7 亿吨，后备精查储量严重不足。此外，在尚未 利用的资源量中，低灰一低硫优质资源总量约为9 5 0 亿吨，仅占尚未利用资源量的1 5 。 其中，达到精查级别的优质资源储量仅为1 2 0 亿吨，后备优质资源明显不足。 2 1 2 中国石油资源状况 2 0 0 1 年中国石油地质储量为2 1 7 5 9 亿吨，可采储量为6 2 0 4 亿吨，剩余可采储 量为2 4 0 8 亿吨。从剩余可采储量的情况看，经历了一个高一低一高的过程( 见图 2 2 ) 。 图2 2中国石油剩余可采储量趋势 亿吨 2 5 0 2 4 5 2 40 2 35 2 30 2 2 5 2 20 1 9 8 8 年1 9 9 5 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年 与世界平均水平( 人均值和单位面积均值) 相比，中国的石油产量、剩余可开 采储量及资源量都远远低于世界平均水平，显现出中国人均石油资源储量的明显不 足( 见表2 1 ) 。 6 第二章中国的能源利用现状 中国自1 9 9 3 年首次成为石油净进口国、1 9 9 6 年成为原油净进口国以来，2 0 0 4 年的原油进口更突破亿吨大关。2 0 0 0 年，中国的石油对外依存度为3 1 ( 见表2 2 ) ； 预计2 0 1 0 、2 0 2 0 年，中国的石油进口依存度将分别达到4 3 8 9 6 和6 0 ( 见表2 3 ) 。 表2 1中国与世界人均石油资源和丰度对比 项目中国世界比率( 中国世界，) 人均值( 吨人) 0 1 2 60 5 6 12 2 4 6 产量 单位面积均值( 吨公里2 ) 1 6 5 l 2 5 0 7 6 5 8 6 剩余可人均值( 吨人) 1 9 82 3 4 68 4 4 采储量 单位面积均值( 吨公里2 )2 6 0 21 0 4 0 3 2 5 0 1 人均值( 吨人) 9 2 27 6 0 91 2 1 2 资源量 单位面积均值( 吨公里2 ) 1 2 0 9 43 3 9 9 5 3 5 5 8 表2 心2 0 0 0 年主要国家的石油对外依存度 l 美国日本英国法国德国意大利中国 1 i5 99 9 75 89 89 79 53 1 表2 3 中国石油对外依存度变动趋势 项目 2 0 1 0 年2 0 2 0 年 产量( 亿吨) 1 81 8 2 0 进口量( 亿吨) 1 42 5 2 7 进口依存度( ) 4 3 85 5 6 6 0 o 注：2 0 1 5 年左右可能达到国内产量高峰，为2 亿吨。 按2 0 1 0 年、2 0 2 0 年的石油消费量分别为3 2 亿吨和4 5 亿吨考虑。 7 第二章中国的能源利用现状 2 2 2 中国能源消费以煤炭为主 长期以来，我国的能源消费以煤炭为主。2 0 0 3 年，我国能源消费总量约为1 6 5 4 亿吨标准煤，其中煤炭占6 7 3 ，原油占2 3 8 ，天然气占2 6 ，其它( 水电、核能) 占6 3 ( 见图2 6 ) ；2 0 0 4 年，煤炭占能源消费总量的6 9 0 9 6 ，上升了1 1 ( 见表 2 4 ) 旧。据预测，2 0 2 0 年煤炭在中国工业能源消费中仍处主要地位，占5 4 ；而世 界主要发达国家的能源消费结构则比较均衡，石油基本上是各国的主要能源。 图2 62 0 0 3 年能源消费构成国际比较 表2 - 42 0 0 4 年部分国家能源消费结构( ) 国家石油天然气煤炭核电水电 美国 4 0 22 5 o2 4 28 12 5 德国3 7 42 3 4 2 5 91 1 4 1 9 俄罗斯 1 9 25 4 11 5 8 4 9 6 o 澳大利亚 3 2 61 8 64 5 73 1 印度 3 1 77 75 4 51 05 1 世界 3 6 8 2 3 72 7 26 16 2 中国 2 2 32 5 6 9 o0 8 5 4 2 2 3 中国的能源利用效率相对较低 改革开放以来，在党中央、国务院“能源开发与节约并举，把节约放在首位” 的方针指引下，我国大力开展节能工作，成效明显。但是，中国的能源利用效率与 世界平均水平还存在着巨大的差距。2 0 0 0 年按现行汇率计算的每百万美元国内生产 总值能耗，我国为1 2 7 4 吨标准煤，比世界平均水平高2 4 倍，比美国、欧盟、日本、 印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍和o 4 3 倍；2 0 0 0 年中国石化、电力、钢铁、有 9 山东大学硕士学位论文 色、建材、化工、纺织等行业主要产品单位能耗( 见表2 5 ) 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 ；机动车燃油经济性比 欧洲低2 5 ，比日本低2 0 9 6 。每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的1 0 3 、欧盟的 1 6 8 、美国的2 8 6 。每立方米水的产出效率，世界平均是3 7 美元，中国只有2 美 元，而英国是9 3 美元，日本是5 5 美元，德国是5 1 美元。 表2 5 国内主要高耗能产品单耗 指标名称单位1 9 9 6 年1 9 9 8 年 2 0 0 0 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年 年均下降率( ) 吨钢综合能耗 t c e t1 3 9 21 2 91 1 81 0 61 0 8 3 2 0 供电煤耗g c e k w h 4 1 04 0 43 9 2 3 8 33 8 01 0 5 铝综合能耗t c e t1 0 8 81 0 1 l 9 5 69 3 09 1 72 2 5 水泥综合能耗k g c e t 1 7 51 6 81 6 21 5 91 5 02 0 4 玻璃综合能耗k g c e 重箱 2 9 42 5 62 5 02 4 o 2 3 23 0 1 乙烯能耗k g o e t 8 7 1 18 0 9 5 7 8 7 47 2 4 87 1 1 72 6 1 按我国目前的能源利用效率测算，每消耗1 7 亿吨标准煤，就有4 亿吨标准煤被 白白浪费掉。2 0 0 1 年，我国终端能源用户能源消费的支出为1 2 5 万亿元，占g d p 总 量的比例为1 3 ，而美国仅为7 。按现行汇率计算，中国单位资源的产出水平仅相 当于美国的十分之一、日本的二十分之一、德国的六分之一。可见，我国实施节能 降耗的潜力巨大。 第三节中国的能源约束矛盾突出 随着人口增加、工业化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快 速发展，能源需求量将大幅度上升，经济发展面临的能源约束矛盾更加突出。 党的十六大提出，到2 0 2 0 年我国将实现全面建设小康社会、实现g d p 到2 0 2 0 年比2 0 0 0 年翻两番的目标。届时，我国钢铁、有色金属、石化、化工、水泥等高耗 能重化工业将加速发展；随着生活水平提高，消费结构升级，汽车和家用电器大量 进入家庭；城镇化进程加快，建筑和生活用能大幅度上升。如按照近三年能源消费 增长趋势发展，到2 0 2 0 年，我国能源需求总量将高达4 0 多亿吨标准煤如此巨 1 0 山东大学硕七学位论文 排放量的8 0 1 ，并且我国的c 魄排放量呈逐年递增的趋势( 见表2 7 ) “1 ，2 0 0 4 年 已经超过4 7 亿吨，在美国之后列世界第二；人均排放量达到3 6 5 吨，已接近世界 平均水平( 4 1 8 吨) ；在2 0 1 0 年之前，我国c o 。排放量有可能超过美国成为全球c 魄 第一排放大国。 表2 7 世界0 如排放量及燃煤排放比重 c 0 2 排放量( m t )燃煤排放( 2 0 0 2 年) 国家 占总量 1 9 9 0 年1 9 9 5 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年排放量( m t ) 比重( ) 美国1 3 3 91 4 1 3 1 5 7 71 5 5 61 5 7 2 5 8 5 3 7 2 中国 6 7 68 4 28 8 08 6 79 5 37 6 48 0 2 俄罗斯 4 4 34 2 44 2 64 2 31 1 62 7 4 世界 5 7 3 35 9 6 06 3 6 96 4 3 06 5 8 52 5 9 4 3 9 4 中国所占比例 ( ) 1 1 7 91 4 1 3 1 3 8 21 3 4 81 4 4 7 2 9 4 5 同样，我国s 0 2 的排放量也呈现逐年上升的趋势。在其构成中，工业生产过程中 排放的s 0 ：仍然占了较大的比重。 图2 7 我国的s 也排放情况 可见，未来几年，作为中国经济增长的关键时期，要保证能源需求，支持经济 持续、快速、健康的发展，必须优化能源结构，逐步降低煤炭消费比例，加速发展 天然气，积极发展水电、核电和可再生能源；开展节能降耗，努力提高能源的利用 效率。 山东大学硕士学位论文 我省推进工业化进程的重要时期，也是矿产资源需求的高峰期，现有矿产 资源储量难以满足经济发展的需要。 第二节山东省能源消费结构 2 0 0 5 年，山东全社会能源消费达2 3 6 亿吨标准煤，比2 0 0 0 年增长一 倍多；万元g d p 能耗为1 2 8 吨标准煤，比全国平均水平高出o 0 6 吨标准煤。 “十五”期间，按2 0 0 0 年可比价格计算，全社会能耗总量、万元g d p 能耗 都呈明显上升趋势。 资料显示，山东能源消费依然以煤炭、石油为主。在全社会能源消费 总量中，煤炭约占7 7 5 ，油品占2 0 4 。由于能源供给结构相对单一，造 就了一批过渡依赖煤炭的重化工、火电发电等资源型产业。资源型产业的 快速增长，已经使我省的煤炭资源优势逐渐消失。 2 0 0 5 年，山东规模以上工业综合能耗消费达1 8 3 亿吨标准煤，同比 增长2 4 8 ；规模以上工业万元增加值能耗2 4 4 吨标准煤。从工业行业消 费结构分析，采掘业、制造业和电力热力生产供应业分别占8 1 、6 7 7 和2 4 2 ；从消费途径分析，终端能源消费比重达6 2 2 ，因发电、洗煤、 供热、炼油、炼焦等二次能源加工发生的能源损耗达6 9 0 0 多万吨标准煤， 比重占3 7 8 ；从企业能源消费规模分析，综合消费超过十万吨标准煤的 企业达2 7 6 家，超过一百万吨标准煤的企业达3 2 家。 3 2 1 山东能源消费特点 ( 1 ) 对外部煤炭资源的依赖性逐年提高 2 0 0 5 年，山东煤炭生产量为1 4 亿吨，但煤炭净调入量接近1 亿吨。 从近三年调入山西原煤的情况分析，每年都以1 0 0 0 万吨的数量递增，2 0 0 5 年已达6 8 0 0 万吨，几乎占山东原煤产量的一半。 ( 2 ) 高耗能工业产业主要集中在十大传统生产领域 2 0 0 5 年，山东能源生产、纺织、造纸、化工、建材和冶金等十大生产 领域的能源消费占规模以上工业能源消费总量的8 8 2 。其中，仅采煤、 1 4 山东大学硕士学位论文 焦企业众多，平均规模小，效率低。2 0 0 5 年，山东发电、炼油、炼焦等二 次能源生产的效率6 6 7 ，比全国低1 9 ，能源损耗高达6 9 0 0 万吨标准煤， 相当于山东原煤产量6 9 0 。二是原煤利用方式不合理。原煤入洗率低， 仅为2 6 8 ；原煤直接消费比重高，占全部原煤消费的2 4 5 。这种利用方 式对能源利用效率和环境保护都带来了明显的负面影响。 第三节山东省工业能耗特征 2 0 0 5 年，山东全省实现生产总值( g d p ) 1 8 4 6 8 3 亿元，按可比价格计算， 比上年增长1 5 2 。其中，第一产业增加值1 9 2 7 6 亿元，增长4 7 ；第二 产业增加值1 0 6 0 3 亿元，增长1 7 9 ( 其中工业增加值9 5 6 2 9 亿元，增 长1 8 6 ) ；第三产业增加值5 9 2 0 4 亿元，增长1 4 5 。三次产业比例为 1 0 4 ：5 7 5 ：3 2 1 。人均生产总值2 0 0 4 4 元( 按现价汇率折算为2 4 4 7 美元) ， 按可比价格计算增长1 4 5 。 在三次产业结构中，山东的二次产业比重高于全国平均水平1 0 1 个百 分点，三次产业低于全国平均水平8 个百分点( 见表3 2 ) “。可见，工 业仍是支撑山东经济快速增长的重要因素。 表3 22 0 0 5 年山东与国内先进省份产业结构对比表 3 3 1 山东省的工业结构 山东省的经济近年来能够保持高速增长的发展态势，主要得益于我省 第二产业的快速增长。由于历史的原因，山东省工业结构中高耗能行业比 重大，高技术、高附加值、低能耗行业比重低，致使全省工业能源消耗量 1 6 序号省份第一产业比例第二产业比例第三产业比例 1全国1 2 4 4 7 3 4 0 3 2 广东6 3 4 9 5 4 4 1 3 浙江 6 5 5 3 5 4 0 o 4 江苏 7 6 5 6 6 3 5 8 5山东1 0 4 5 7 5 3 2 1 山东大学硕士学位论文 增长3 0 8 ；重工业增加值5 4 7 6 6 亿元，增长2 8 o ( 见图3 1 、3 2 ) 7 8 】。 1 r 8 捌 最 鲁 图3 一l2 0 0 5 年规模以上工业增加值指标比较 书露蒸_ _ _ _ - d _ i _ _ i全国广东浙江江苏山东 i 圈轻工业i 2 0 5 8 53 6 2 0 7 92 1 3 92 6 3 2 0 62 9 3 5 3 l _ 重工业l 4 5 8 4 04 6 6 9 2 l2 7 6 65 4 2 2 6 l5 4 7 6 6 图3 22 0 0 5 年规模以上工业增加值增长比例比较 童 零 丑 出 舞 全国广东 l 浙江 i 江苏 l 山东 l 囹轻工业 1 5 2 1 7 1 i 8 3 i 2 0 8 l 3 0 8 l 重工业 1 71 7 l 2 5 8 l 2 3 6 l 2 8 ( 1 ) 与全国规模以上工业增加值主要分类指标对比 2 0 0 5 年，全国全部工业增加值7 6 1 9 0 亿元，比上年增长1 1 4 。规模 以上工业增加值6 6 4 2 5 亿元，增长1 6 4 ；轻工业增加值2 0 5 8 5 亿元，增 长1 5 2 ；重工业增加值4 5 8 4 0 亿元，增长1 7 0 。 通过比较发现，山东规模以上工业企业增加值高于全国平均水平1 2 个百分点；轻工业增加值高于全国1 5 6 个百分点；重工业增加值高于全国 1 1 个百分点。工业增速高导致我省的能耗水平高。 ( 2 ) 与先进省份规模以上工业增加值主要分类指标对比 1 8 第三章山东省能源利用状况 与广东、浙江、江苏等先进省份相比较，主要呈现两个特点：一是山 东规模以上工业增加值增速快，比广东高1 1 4 个百分点，比浙江高1 0 3 个百分点，比江苏高5 9 个百分点；二是山东重工业增速高，比广东高1 1 个百分点，比浙江高4 4 个百分点，比江苏高2 2 个百分点。工业的高速 增长带来高强度的能源消耗。 ( 3 ) 规模以上轻重工业与全国及先进省份比较 山东省轻重工业比例接近全国和江苏的比例水平( 见图3 3 ) ，但山 东的能耗水平却高于全国平均水平4 9 个百分点；江苏重工业比重高于山 东2 2 个百分点，万元g d p 能耗却低于山东2 8 个百分点。这充分说明山东 工业的发展以能源高密度为基础盯“1 ，能源消耗量大。 3 3 3 工业产品结构和能源消费与先进省份比较n 8 3 山东的工业产品以高耗能行业的产品为重要支撑，而能源消费总量中 又以煤炭、石油和天然气等化石燃料为主，占9 7 以上。 2 0 0 5 年，山东的制造业实现增加值6 9 9 9 4 亿元，占全省规模以上工 业的8 3 2 。其中，纺织、机械、食品、化工、建材等制造工业完成增加 值5 6 9 3 3 亿元，占规模以上工业的6 7 7 ；电子信息、生物制药、新材料 等三大高新技术领域完成增加值9 5 7 0 亿元，占1 1 6 。 广东的九大工业产业完成增加值6 1 0 8 4 5 亿元，占全省工业增长的 7 7 2 。其中电子信息、电气机械及专用设备、石油及化学三大新型支柱产 1 9 山东大学硕士学位论文 业完成增加值4 0 6 4 8 0 亿元，占规模以上工业的6 6 5 ；纺织服装、食品 饮料、建筑材料三大传统支柱产业增加值1 3 9 8 7 4 亿元，占2 2 9 ；造纸、 医药、汽车三大潜力产业增加值6 4 4 9 0 亿元，占1 0 6 ；制造业完成工业 增加值2 0 2 5 5 5 亿元，占3 3 2 。 不难看出，山东的传统产业占规模以上工业的比重仍然偏大，传统产 业仍然是工业的重要支撑，这种产业结构是导致山东能耗居高不下的重要 因素之一。 第四章多信息融合能源利用数据处理系统理论基础 第四章多信息融合能源利用数据处理系统理论基础 由于我省乃至全国工业用能比重明显偏高，开展能源利用测试，实施 对钢铁、有色、建材、化工、石化等高耗能行业用能情况以及对重点用能 单位能源利用状况和主要耗能设备、工艺系统的监测，提高主要耗能设备 的能源利用效率，推进工业企业节能降耗，无疑成为缓解能源约束矛盾， 提高经济增长质量和效益的有效手段之一。 鉴于能源利用测试的重要性和严肃性，在保证现场测试质量的同时， 能源利用测试数据的有效处理也成为决定整个能源利用测试工作水准的重 要环节。该类型的测试信息量大、涉及面广，因此，十分有必要对能源利 用测试的各个环节进行系统的规划和处理。 第一节多传感器信息融合 在传统的工业测控系统中，对各传感器采集的信息通常单独进行加工 处理，互不影响。这不仅导致数据处理工作量的增加，而且也割断了各传 感器间信息的联系，丢失了信息的有机组合所蕴涵的信息特征，造成了信 息资源的极大浪费。 信息融合，也叫数据融合，是指利用计算机技术对来自多传感器的探 测信息按时序和一定准则加以自动分析和综合的信息处理过程。其实质就 是对源自多传感器在不同时刻的目标信息和同一时刻的多目标信息的处理 技术1 。单个传感器只能在某一范围内、从某一方面描述被测对象，只能 提供局部、有时甚至是不精确的信息。多传感器数据融合则是综合利用多 传感器信息，通过多传感器信息相互间的关联和互补，克服单个传感器的 不确定性和局限性，提高整个测试系统的技术性能，全面准确地描述被测 对象。多传感器信息融合能够通过对大量数据的综合处理，在正确认识被 测对象和相关环境的基础上，进行分类、判断和决策口“。 4 1 1 信息融合的原理4 1 2 1 山东大学硕士学位论文 信息融合的加工对象来自多传感器，其核心是协调优化和综合处理信 息。信息融合就是将来自多传感器的多元信息进行智能化处理，从而得出 更为准确可信的结论。 信息融合的过程具有一定的时间性和空间性。分布在不同位置的多传 感器在对运动的目的进行观测时，各传感器在不同的时间和空间的观测值 将不同，从而形成了一个观测值的集合。例如：s 个传感器在n 个时刻观 测同一个目标可以写成s n 个观测值，其集合z 为： z = z j ( j = 1 ，2 ，3 ，s ) ( 1 ) z = z 。( k ) j( k = 1 ，2 ，3 ，n )( 2 ) 式中，z 。表示第j 号传感器的第i 个目标的观测值； z ，( k ) 表示第j 号传感器在k 时刻的观测值。 4 1 2 信息融合的相关算法钉 多传感器信息融合是多学科交叉的一门新学科，涉及信号获取、处理、 概率统计、信息论、模式识别、人工智能等理论，需要根据不同的应用背 景采取有效的处理手段，选择相应的融合算法。常用的有经典推理、贝叶 斯统计推断、d e m p s t e r s h a f e r 证据理论、自适应算法、人工神经网络等。 ( 1 ) 理论依据 多传感器信息融合系统所运用的算法基于以下几种理论： 判断或检测理论。通过把被测对象的测量值与被选假设进行比较， 以确定哪个假设能最佳地描述观测值。例如，b a y e s 理论就是用测量值的 概率描述和先验概率来计算每个假设的概率。当系统获得一个新的检测值 时，依据b a y e s 方法可以由先验知识与这一新的检测值对所有假设的可信 度进行更新。 估计理论。需要与该参量相关的多个观测变量的测量值来实现估计。 依据据概率理论，采用几种最优化准则来实现估计，如观测残差的平方和 最小法、加权的最小平方法、似然函数极大法和误差方差最小法等。 据关联理论。对所有测量值的相关性进行度量，在相关的基础上把 2 2 第四章多信息融合能源利用数据处理系统理论基础 测量值按数据源分成若干个集合，以实现将来自多传感器的数据源的测量 值按来源的不同分成不同的集合进行关联处理。 ( 2 ) 常用信息融合算法 表4 1 为一些常用的信息融合方法。 表4 一l 常用的信息融合方法 经典方法现代方法 估计方法统计方法信息论法人工智能方法 加权平均法经典推理法聚类分析模糊逻辑 极大似然估计贝叶斯估计模板法产生式规则 最小二乘法品质因素法熵理论神经网络 卡尔曼滤波d s 证据决策理论遗传算法 模糊积分理论 基于参数估计的b a y e s 算法( 贝叶斯算法) 设传感器的概率事件a 、b 包含于事件域f ，且事件a 出现的概率p ( a ) 大于零，则称； p ( b i a ) = p ( a b ) p ( a ) 此式为a 发生条件下，事件b 发生的条件概率。 若b 。、b 。、b 。、b 。为基本事件空间q 的一个划分，且p ( b 。) 大于零， i = 1 ，2 ，3 n 。则对任一事件a ，p ( a ) 大于零，则有 p ( b ila ) ：争坐邋( 4 p ( ab ；) p ( b ；) 式中，p ( b i l a ) 一一后验概率，是重新加以修正的概率； p ( b ；) 一一先验概率，根据已有数据分析所得。 这种信息融合方法的误差处理与数据融合都是按等精度测量来考虑 的，即认为测试设备、进行测试的条件和测试人员基本不变。在实际情况 下，绝对恒定的测量条件是不存在的。 第四章多信息融合能源利用数据处理系统理论基础 的加权因子为： 砟= j 旨p - 1 ，2 n 盯；荟毒 ，= l up 此时所对应的最小均方误差为： 盯2 ；l _ 。“土 台盯； 通过上面的公式可以计算最优加权因子，再根据实际的测量值便可以 计算出融合以后的最优值。 证据论证推理( d s 方法) 信息融合的任务是把各个传感器在空间或时间上冗余或互补的数据， 依据某种规则来进行组合，以获得对被测对象的一致性描述或理解，使该 系统比组成它的各个系统具有更优