基于粗糙集理論的天然氣處理廠綜合能效評價研究

袁志華 朱禎 陳瑞熙

（1.西南油氣田分公司川東北氣礦；2.西南油氣田公司川中北部采氣管理處；3.西南石油大學石油與天然氣工程學院）

某天然氣處理廠是其氣田企業地面工程的核心，是由裝置、設備、管網等組成的工藝網絡。其任務是從井口收集采出液（氣、水），輸送至計量站、轉運站、集中處理站進行計量、分離、凈化等，最后出口。該天然氣處理廠的生產過程是一個相互作用、相互制約、相互關聯的復雜生產過程。由于其系統龐大，系統分散，熱損失大，管理難度大，從而制約了該天然氣處理廠效率的提高。為達到節能減排、提質增效的目的，必須形成一套針對處理廠綜合能效評價體系，找出能源利用中的薄弱環節，幫助氣田企業降低生產成本，優化企業成本結構。

1 基于粗糙集理論的能效評價方法

粗糙集理論是一種數學工具，可以用來分析、推理和挖掘數據之間的關系，發現隱藏的知識，探索數據之間潛在的規律[1]。由于粗糙集自身的特點，它廣泛應用于綜合評價中[2-5]。

1.1 評價體系指標確定及范圍選取

基于天然氣處理廠能效評價指標體系的層次性和可操作性原則，并根據其自身的結構特點，將該評價體系劃分為以下三個層次：一級指標：即天然氣處理廠；二級指標：天然氣處理廠能效評價體系的二級指標，即系統的各能效指標，包括新鮮水能效指標、電能能效指標、自用氣能效指標和甲醇能效指標，這些能效指標構成評價指標體系的二級指標；三級指標：即新鮮水能效指標、電能能效指標、自用氣能效指標和甲醇能效指標所對應評價體系的基本元素。

對于三級指標而言，每個指標最優參數范圍。通過HYSYS軟件對天然氣處理廠進行模擬，結合參考設備的銘牌參數和調研相關文獻、標準，可以確定各個指標的參數范圍[6]。其中三級指標的指標類型有正向與逆向兩種，正向表示增加了裝置或整個系統的能效；逆向則相反。

1.2 評價體系的指標權重計算

設S=(U，A，V，f)是一個基于粗糙集理論的知識表達系統，C是條件屬性，D是決策屬性，且C?U=A,C?D=?，D對C的依賴度τ可定義為

式中：Card為集合中元素的個數，即集合基數；POSCD為集合D關于C的正區域。

式（1）稱作集合D在τ程度上依賴于集合C，記作C?τD。顯然τ∈[0，1]，若τ=0，表示D中屬性完全獨立于C中所有屬性；若τ∈(0，1)，表示D中屬性部分依賴于C中屬性；若τ=1，表示D中屬性完全依賴于C中屬性。

式中：U/D表示依據決策屬性D對論域U進行的劃分。

對于決策表來說，粗糙集理論中用粗糙度的概念表述條件屬性對于決策屬性分類的近似程度。粗糙度的公式為

在粗糙集理論中，引入了相對重要度這一概念以表征Ci對于D的重要程度，即從集合C中去掉某一屬性Ci時，決策屬性集合D關于C的正區域將受到的影響，計算方法如下：

基于粗糙集理論的條件屬性的權重就是該條件屬性相對重要度與所有條件屬性相對重要度和之比，即：

1.3 評價體系最終評價分數結果

通常難以用一個明確的值來對客觀事物或者現象進行描述和度量，而模糊隸屬函數，就是在該過程中，表示該事物或者現象模糊程度的函數。模糊隸屬函數法就是利用隸屬度函數進行模糊綜合評價。通過指標無量綱化處理使其具有可比性，才能進行綜合評價。在模糊數學中，常用[0，1]區間的一個實數來表示事物隸屬于某一標準的程度。該函數就是描述事物或者現象的屬性從屬于某一標準到不屬于某一標準的這個漸變過程的。

利用模糊隸屬函數法對指標數據進行無量綱化處理后，根據所計算得到的各個指標權重，進行線性加權計算，從而得到最終評價結果。具體算法如下：

1）確定各個能效評價指標的上下限。

2）確定各個能效指標的模糊隸屬度函數類型。

對于正向指標，采用升嶺形分布模糊隸屬度函數模型，即：

對于逆向指標，采用降嶺形分布模糊隸屬度函數模型，即：

3）進行模糊變換及標準量化。利用模糊隸屬度函數求得的指標模糊隸屬度值f(xi)是在0～1的實數，消除了指標量綱的影響。習慣上將指標模糊隸屬度值乘以100，作為指標的評價標準值，即：

4）準則層各指標的最終得分：

式中：Fi為第i個準則層指標的評價值；Fij為第i個準則層指標的第j個指標層指標的標準量化值；wij為第i個準則層指標的第j個指標層指標相對準則層的權重；i為要評價的準則層指標的序號；j為要評價的準則層指標下的指標層指標的序號；n為要評價的準則層指標的指標層指標的數目。

5）被評價目標的綜合評價得分：

式中：F為被評價指標體系的綜合得分值；Fi為被評價指標體系中第i個準則層指標的得分值；wi為被評價指標體系中第i個準則層能效指標相對目標層的權重；i為被評價指標體系中準則層指標的序號；m為被評價指標體系中準則層指標的數目。

2 某天然氣處理廠能效評價體系建立

1）確立各級指標。結合該天然氣處理廠的工藝流程與實際情況，結合相關標準文獻處理廠綜合評價指標[7-10]見表1。

表1 處理廠綜合評價指標

2）指標范圍確定。工藝流程HYSYS模型見圖1。將HYSYS模型的各個節點參數與實際調研所得數據對比，HYSYS模型準確性認證見表2。

表2 HYSYS模型準確性驗證

圖1 工藝流程HYSYS模型

通過對比HYSYS模型與實際生產報表中關鍵設備數據與模擬工況中關鍵節點的數據，發現模擬的結果數據與實際生產報表數據基本一：（有些誤差在工程中可以忽略不計），驗證了HYSYS模型的準確性。

以C11為例，展示參數范圍取值過程。在模擬計算過程中，控制環境溫度為25℃，大氣壓力為一個標準大氣壓，壓縮機其它參數保持默認設置。分別選取進口壓力為1.90、1.95、2.00、2.10、2.15、2.20 MPa，壓縮機壓縮機進口壓力變工況運行參數模擬結果見表3。

表3 壓縮機進口壓力變工況運行參數模擬結果

壓縮機進口壓力與壓縮機效率的關系見圖2，當壓縮機各級進口溫度、出口壓力及壓縮機轉速不變時，隨著進口壓力的提高，壓縮機的效率隨著進口壓力的升高而迅速下降，能效降低。綜上，最終將進口壓力范圍為1.96～2.21 MPa。得到的天然氣處理廠三級指標參數見表4所示。

表4 三級指標參數

圖2 壓縮機進口壓力與壓縮機效率關系

3 某天然氣處理廠能效評價體系評價結果

基于粗糙集理論，利用Python語言輔助處理數據，三級指標屬性重要度與權重計算結果見表5。

表5 三級指標屬性重要度與權重計算結果

根據上述三級指標的40個樣本數據，將對應單元的各項指標的單位樣本數據進行相加，結合等距離離散的原則，首先建立二級指標決策表，參考三級指標計算步驟，可以得出二級指標屬性重要度和權重得分結果見表6。

表6 二級指標屬性重要度與權重得分結果

4 結論與建議

本文基于粗糙集理論建立了某天然氣處理廠的綜合能效評價體系，并對某天然氣處理廠進行了評價，可以得出如下結論：

1）HYSYS模型用于模擬天然氣處理廠的各項工藝參數的結果較為準確，能夠模擬實際工況下的工藝參數，從而可以得到評價體系各三級指標的指標范圍。

2）天然氣處理廠綜合能效評價體系中各二級指標的權重重要度順序為自用氣能效指標、電能指標、甲醇回收指標、新鮮水指標，可見對于該天然氣處理廠，自用氣部分是能效評價中最為重要的一部分。

3）對該天然氣處理廠進行評價得分可以看到，新鮮水能效指標、電能能效指標以及自用氣能效指標的得分相對較高，相比之下，甲醇能效指標的得分較低，因此在提質增效方面要重點從甲醇能效指標入手，比如進行甲醇回收-注入循環等措施。