基于AHP-FCE模型的儲氣庫壓縮機組重要度評估研究

游 赟 ，周博涵 ，禹貴成

（1.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.中國石油天然氣集團有限公司西南油氣田分公司儲氣庫管理處，重慶 401121）

1 引言

壓縮機組作為儲氣庫地面工程中的關鍵設備，其運行狀態直接影響著整個系統的安全生產和經濟效益。在日常的設備管理中，為減少壓縮機組過度且頻繁維修的必要，亟需對壓縮機組的各零部件設備進行分層分級管理，實現設備的差異化檢維修。由于儲氣庫使用的壓縮機組具有功率大、設備部件結構復雜、自動化程度高等特點[1-2]，對此通過探索基于風險的設備重要度評估[3-4]，識別出高風險、高后果的零部件，從而在壓縮機組全壽命運維周期各環節中實施重點對象管控十分必要。本文綜合考慮儲氣庫壓縮機組運行規律和失效模式影響因素，建立了一套重要度評估指標體系，引入可拓層次分析的迭代模糊綜合評價模型（AHP-FCE），減少人為主觀因素干預，更加科學的實現儲氣庫壓縮機組零部件的重要度排序，可為規范設備管理程序，合理配置檢維修資源，確保儲氣庫安全穩定運行提供技術支持。

2 重要度評估指標體系的建立

重要度評估是主觀評價和客觀的數學處理共同得出的結果。儲氣庫壓縮機組各部件設備結構較復雜，在生產運維過程中對不同故障失效模式產生影響的因素也較多。通過調研分析，本文建立了一套重要度評估指標體系，見圖1。重要度評估指標的構建主要涵蓋了監測性、技術性、操作性、狀態性、安全性、可靠性、維修性、經濟性8個方面的一級指標。為進一步增強一級指標評估的準確性，每個一級指標下設3個以上的二級指標，作為對一級指標的補充和解釋，共計28個二級指標。

圖1 重要度評估指標體系

3 評估指標賦值與排序計算

AHP-FCE模型是金菊良教授提出的一種基于改進層次分析法的模糊綜合評價模型，具有精度高、修正小、一致性指標更加合理等優點。采用該方法進行評估指標賦值和排序計算的具體步驟為。

3.1 標準化處理

為使得評估指標一致性更加合理，對指標樣本數據{x（i，j）|i=1～n，j=m|}進行標準化處理。鑒于對設備零部件重要度的評估過程中得分值越大表示安全性越低，采用越小越優模型[6]：

式中 r（i，j）——標準化后的評價指標值

xmax（i），xmin（i）——評估體系中第i個指標的最大值和最小值

由標準化處理后的r（i，j）值為元素可組成單因素的模糊評價矩陣R=（r（i，j））n×m。

3.2 構建可拓判斷矩陣

構建可拓區間判斷矩陣A=（A-,A+）為正互反矩陣，A+、A-分別為可拓區間上、下端點構成的矩陣，求出滿足一致性條件的權重矢量[7-8]：

（1）求A-，A+的最大特征值所對應的具有正分量的歸一化特征矢量X-，X+。

（2）由A-=（a-ij）n×m，A+=（a+ij）n×m計算k和m的值，其中：

（3）判斷矩陣的一致性[8-9]：若0≤k≤1≤m說明可拓區間判斷矩陣具有較好的一致性；若一致性程度過低則應校正判斷矩陣直到滿足要求。

（4）求出權重量

式中 snk——第k層第n個因素對上一層的某個因素的可拓區間權重量

3.3 層次排序

（1）單層排序

通過構建的可拓區間數形成單層可拓的判斷矩陣，代入單層排序計算求取二級指標對一級指標的隸屬度排序。設若V=（Si，Sj）≥0，（i≠j）表示Si≥Sj的可能性程度[7，10]：

式中 Pi——某層級第i個因素對上一層的某個因素的單排序，經歸一化得到P=（P1，P2，…，Pn）T，表示某層級各因素對上一層的某個因素的單排序權重矢量；S-i，S+i，S-j，S+j表示2個單層權重矢量拓區間數的上、下端點

（2）總排序

則第k層上全體元素對總目標的排序權重矢量為

根據體系層級對上式簡化為：Wk=PkPk-1…P3W2，式中W2即是單項排序矢量[7]。

2.4 模糊綜合評價

（1）確定因素集U={u1，u2，…，un} 和評價集V={v1，v2，…，vn}。

（2）建立單因素評判矩陣：對單因素ui（i=1，2，…，n）的評判，得到V上的模糊集｛ri1，ri2，…，rin｝，其中ri1表示ui對v1的隸屬度，評判矩陣為

（3）確定權重和單因素模糊綜合評價模型[7]：

按M（°，+）模型將權重矢量W與評判矩陣R進行合成運算，可得各因素的模糊綜合評價模型：

對多層級的重要度評價指標，可引入各級模糊綜合評價的計算模型，使綜合評價模型更加準確，其中二級綜合評價模型為

式中 M為各因素間的模糊評判結果

Wi——第i個因素的等級權重集，Wi=（Wi1，Wi2,…，Wi3）

Bi——第i個因素的一級模糊評判結果

3.5 判斷矩陣的一致性指標

根據AHP-FCE模型判斷數的取值是通過大量計算得出的結果，當判斷矩陣的一致性指標系數GIG (n) ＜0.10時，可認為該判斷矩陣通過一致性檢驗[6]。

3.6 最終排序的確定

采取線性加權法確定每個零部件的最終排序[11]：

由于各指標對權重的敏感性較高，利用多次賦值進行權重計算可有效降低計算誤差。

4 實例應用

相國寺儲氣庫是是西南地區首座利用碳酸鹽巖儲層改建的儲氣庫，擔負著季節調峰、事故應急及戰略儲備等重任[12-13]。該儲氣庫共有8臺美國ARIEL公司的KBU/6往復式機組，單臺機組設計處理量166×104m3/d[14-15]。

4.1 機組系統劃分

結合相國寺儲氣庫KBU/6往復壓縮機組的結構特點和工作特性，劃分機組為6個子系統，包括動力系統、密封系統、潤滑系統、冷卻系統、進出工藝管道系統、驅動系統，每個子系統繼續劃分為37個零部件，如圖2。

圖2 壓縮機系統劃分

4.2 指標權重與評分計算

對評估體系中每個二級評估因素下分為四級評分制，分別對應的分值為A-1，B-4，C-7，D-10。邀請25位專家對37個壓縮機零部件評價打分，根據收回的評分結果應用構建的AHP-FCE模型進行數據處理和評分計算，建立的計算程序框圖如圖3所示。

圖3 AHP-FCE模型計算程序框圖

需說明的是，一次計算得出的結果并不具有普遍性。為追求計算結果的準確性，利用隨機抽樣重復上述計算過程。本文經過25次重復計算得出25組的計算結果與專家的直接平均值權重進行對比，得出評估指標權重及排序為：狀態性（0.14405）＞可靠性（0.13006）＞監測性（0.1342）＞維修性（0.138105）＞操作性（0.1233）＞經濟性（0.118255）＞技術性（0.10819）＞安全性（0.103815）。

由此，結合指標權重得到相國寺儲氣庫往復式壓縮機組的設備重要度得分和排序，其結果如表1所示。

表1 壓縮機組重要度得分和排序

4.3 評估結果

根據評估得分結果，可判斷相國寺壓縮機組零部件中處于高風險設備有13個（分值≥0.1）、中風險設備有17個（0.1＞分值＞0.08）、低風險設備有7個（分值≤0.08）。通過評估結果，應采取相應措施優化維保計劃，有針對性的對高、中風險部件實施預維修，從而降低事故發生的可能性。

5 結論

本文建立了基于可拓層次分析法的迭代模糊綜合評價模型（AHP-FCE）應用于儲氣庫壓縮機組重要度評估，極大減少專家評分的主觀因素影響，計算方法可操作性強，且評估結果比較客觀、合理。通過采用該方法對相國寺儲氣庫KBU/6型往復式壓縮機組進行部件劃分和重要度評估，判斷出高風險零部件13個、中風險零部件17個、低風險零部件7個，其評估結果與現場設備的實際運行情況相符合，由此可掌握壓縮機組各部件的重要程度，并針對高重要度零部件進行重點監控和預維護。這為進一步改善壓縮機組運行狀態，完善儲氣庫設備運維管理機制，提高企業安全管理水平提供了參考。