基于TOPSIS原理的注汽管線保溫材料優選

劉承婷，李 瑞，楊盼盼

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

基于TOPSIS原理的注汽管線保溫材料優選

劉承婷，李 瑞，楊盼盼

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

注汽管線保溫材料的性能影響管線保溫情況，進而影響稠油油田生產能耗。通過實地調研與理論研究相結合的方法，基于TOPSIS原理建立一種優選保溫材料的評價體系，通過TOPSIS原理與熵權法、層次分析法結合，優選注汽管線保溫材料。

TOPSIS；注汽管線；保溫材料；熵權法；層次分析法

稠油開采以汽驅為主，稠油熱采地面輸汽管線的保溫狀況直接影響注汽管線的散熱損失，進而影響到達井底的蒸汽干度[1,2]。同時，隨著能源價格上漲，企業成本逐年提高，而地面輸汽管線的散熱損失占注汽系統熱損失的80%以上，選擇注汽保溫材料對于稠油油田降低運行成本具有重要作用[3]。目前油田常用的注汽管線保溫材料有硅酸鋁、復合硅酸鹽、鈦陶瓷等多種材料，保溫材料的選用要綜合考慮多方面因素，各因素對于保溫材料終選的影響程度難以量化和綜合比較，因此， 建立一種基于多種因素指標值的保溫材料評定體系具有必要性。

1 評價體系

1.1 TOPSIS原理

TOPSIS[4]是一種逼近理想解的統計分析方法，起源于上世紀80年代。通過對評價對象多屬性的評估排列順序，計算評價對象與理想解的歐式距離。理想解是一個虛擬的最優解，距離理想解越近，評定目標就越符合要求。由于多目標評估時，可能產生多個目標與理想解間的歐式距離相同，因此，還要計算評價對象與負理想解間的距離，負理想解是虛擬的最差解。TOPSIS原理簡便、實用，在多屬性決策中應用廣泛。

1.2 評定指標權重確定方法

常用的指標權重計算方法有專家評分法、層次分析法、變異系數法和熵權法等，這些權重計算方法各具特色，總體來說，主觀賦權方法強調評價者的知識和經驗，客觀賦權法則以客觀數據為依據。本文采用客觀賦權方法中的熵權法計算指標權重。熵表示系統的無序程度，系統的信息越多，則熵值越?。环粗畡t大。熵權法計算步驟如下：

（1）計算指標熵值

式中:ijx—第i個評價對象的第j個指標的規范化值；

n—評價對象的個數。

（2）計算熵權

式中: m —評價指標個數。

1.3 評價指標的選取

注汽管線保溫材料的選擇主要從技術性、安全性和經濟性三方面方面考慮。導熱系數直接影響管線散熱損失的大小，容重則會影響保溫材料是否下沉，最高使用溫度決定了保溫材料的溫度上限，以上三項指標用技術性指標表示。保溫材料在管道運行中可能受到來自注汽管線和外部環境的影響，會改變保溫材料的性能，保溫材料選取是要考慮管線的抵御外部影響的能力，本文以安全性指標表示。保溫材料的經濟性同樣會制約材料的選取，我們的目標是選用性能優良、經濟合理的保溫材料。注汽管線保溫材料的評價指標選擇如表1。

2 實例分析

2.1 注汽管線保溫材料的單項指標評定

以微孔硅酸鈣、硅酸鋁纖維、超細玻璃棉和鈦陶瓷四種常用保溫材料為例，評估保溫材料性能。

由式（1）計算各指標熵值，以規范化后的導熱系數指標為例，計算過程如下：

由式（2）計算各指標熵權，以導熱系數指標的熵權為例計算

其他指標熵值及熵權計算過程同上（表2）。以指標規范化矩陣和評價指標熵權計算加權規范化矩陣，計算公式如下:

2.1.1 技術性指標評價

技術性指標加權規范化矩陣如下：

表1 注汽管線保溫材料評價指標表Table 1 Evaluation index of the steam injection pipeline insulation material

對文獻[5]中及統計數據標準化處理，可以得到評價指標的標準化矩陣。標準化處理采用如下公式

式中:ija —第i個評價對象的第j個指標值。

由公式（3）計算可得，規范化矩陣如下:

表2 指標熵值及熵權匯總表Table 2 Summary of the index Entropy and Entropy weight

注汽管線保溫材料的技術性指標中，導熱系數和容重為逆向指標，指標值越小越好，使用溫度指標為正向指標，指標值越大越好，以此為依據確定理想解和負理想解如下：

采用下式計算四種保溫材料與理想解和負理想解之間的距離，

式中: gij—保溫材料指標與理想解或負理想解間的歐式距離；

gj—表示理想解或負理想解得指標值。

通過計算可以得到四種保溫材料與理想解、負理想解間的歐式距離，分別為以相對于理想解的接近程度進行注汽管線保溫材料的排序，相對接近程度按下式計算：

2.1.2 安全性指標和經濟性指標評價

計算原理如上，安全指標評定中四種材料相對于理想解得接近程度值分別為鈦陶瓷與理想安全指標最接近，材料排序為：鈦陶瓷、微孔硅酸鈣、超細玻璃棉和硅酸鋁纖維。

2.2 保溫材料綜合評估

在對技術性指標、安全性指標和經濟性指標評估的基礎上，進行綜合評估確定最終選用的注汽管線保溫材料。綜合評價全面考慮注汽管道保溫指標的影響，采用層次分析法確定指標權重，首先對注汽管線保溫材料評估指標打分，分值給予標準以判定尺度定義表為準則，建立判斷矩陣；其次，計算判斷矩陣最大特征根對應的特征向量，歸一化處理后即可得到所求指標權重；最后，要進行一致性檢驗，通過計算矩陣的最大特征值maxλ 和一致性指標CI，當一致性比率CR=CI/RI＜0.1時，指標權重符合要求。判斷矩陣如下：

以保溫材料單項指標評估權重與層次分析法確定的權重結合進行綜合評估

由計算結果可知，微孔硅酸鈣最適宜用作注汽管線保溫材料。微孔硅酸鈣保溫材料的安全性指標低于鈦陶瓷，但經濟性指標和技術性指標明顯優于后者。而與其它兩種材料相比，微孔硅酸鈣優點明顯。

3 結 論

本文基于TOPSIS原理優選注汽管線保溫材料，以技術性、安全性和經濟性三大類指標構建評價體系，以熵權法計算指標單項評估的權值，通過計算材料與理想解、負理想解間的距離，得出評價保溫材料與理想保溫材料的相對貼近度，從而得出考慮單項指標的材料優劣順序；再以層次分析法與TOPSIS相結合進行綜合評估，優選出性能最佳的保溫材料，簡化了保溫材料選擇時的計算過程，評價指標以保溫材料的性能為依據，評價結果可信有用。

［1］ 劉曉燕，王金昌，項新耀，劉立君. 稠油開采熱注系統輸汽管道保溫結構的優化設計[J]. 油氣田地面工程,1999(05):50-52．

［2］ 韓彥榮,謝華. 熱力管道保溫材料的選用分析[J]. 制冷與空調(四川),2006(04):59-61．

［3］ 丁波，李立，韓峰，賈文放，景天豪. 河南油田稠油熱采注汽管網保溫技術應用分析[J]. 石油天然氣學報,2010(05):371-373．

［4］ 景國勛，施式亮,等. 系統安全評價與預測[M].中國礦業大學出版社,2009-08．

［5］ 劉承婷. 蒸汽管道保溫材料與保溫結構優化研究[D].大慶：東北石油大學,2013．

Selection of Steam Injection Pipeline Insulation Material by the Principle of TOPSIS

LIU Cheng-ting，LI Rui，YANG Pan-pan
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

The performance of the steam injection pipeline insulation material can affect the insulation of the pipeline, so it will affect the energy consumption of heavy oil field production. In this paper, combined with the field research and theoretical research, an evaluation system to select the insulation material of the steam injection pipeline by the principle of TOPSIS was established. The insulation material can be correctly selected by combining the principle of TOPSIS with Entropy method and AHP.

TOPSIS; Steam injection pipeline; Insulation material; Entropy method; AHP

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0558-03

2014-11-06

劉承婷（1978-），女，黑龍江大慶人，副教授，博士，2012年博士畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：儲運系統安全工程，多相流體力學。E-mail：435276627@qq.com。

李瑞（1988-），男，在讀碩士，研究方向：儲運系統安全工程。E-mail：lirui1988we@163.com。