基于模糊層次分析法的煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)

金鑫，魏長(zhǎng)吉，蔡少輝，宋關(guān)偉，董超群,，邱奎

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司華東油氣分公司，南京 210019；2.中國(guó)石油化工股份有限公司臨汾煤層氣分公司，山西臨汾 041000；3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

煤層氣是我國(guó)重要的非常規(guī)油氣資源，儲(chǔ)量豐富，隨著“雙碳”政策的實(shí)施，清潔能源需求量迅速增加[1-2]。往復(fù)式壓縮機(jī)是煤層氣開(kāi)采的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，通常將其布置于壓縮機(jī)棚區(qū)，機(jī)組壓縮缸、管線散熱不暢，冷卻系統(tǒng)效果不佳[3]。現(xiàn)場(chǎng)多采取水冷、風(fēng)冷或水冷加風(fēng)冷制冷方式，雖然一定程度上降低了溫升，但也給機(jī)組冷卻系統(tǒng)（包括水泵、風(fēng)機(jī)及散熱器等）設(shè)備的安全性帶來(lái)隱患[4]。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組的管理為定期維修，冷卻系統(tǒng)的管理大多采取事故后評(píng)價(jià)的方法，或?qū)ζ涠ㄐ苑治觯瑥墓芾砑笆褂谜叩慕嵌葲](méi)有適當(dāng)?shù)亩吭u(píng)價(jià)方法[5]。本文基于模糊層次分析的評(píng)價(jià)方法對(duì)壓縮機(jī)組在考慮多因素、多結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，建立了機(jī)組冷卻系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)方法。

模糊層次分析法通過(guò)建立不同層次的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則將復(fù)雜問(wèn)題分解，將元素間相對(duì)重要性量化為判斷矩陣，將權(quán)重整合到整體目標(biāo)層，建立模糊分析定量評(píng)價(jià)方法。但由于評(píng)價(jià)人員主觀經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)的局限性，模糊數(shù)學(xué)理論將定性分析進(jìn)行量化處理[6]。本文針對(duì)煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)，將冷卻系統(tǒng)各因素對(duì)安全性的影響權(quán)重，采用基于模糊層次分析法的評(píng)價(jià)方法建立冷卻系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)，以期為油氣田單位完整性管理提供參考。

1 壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

1.1 機(jī)組冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

煤層氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)多采用整體式或分體式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多，冷卻系統(tǒng)多采用風(fēng)冷加水冷的方式。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括水泵、風(fēng)機(jī)葉片、散熱器及曲軸等關(guān)鍵件，也包括水管、水池及各種閥門等結(jié)構(gòu)，缺少系統(tǒng)的安全性評(píng)估評(píng)價(jià)方法。本文利用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法建立機(jī)組冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)體系，用層次分析法對(duì)機(jī)組冷卻系統(tǒng)全要素指標(biāo)進(jìn)行分解，按照不同要素進(jìn)行分類，以專家評(píng)分及調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)為依據(jù)，參照壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)及使用效果的認(rèn)識(shí)，建立機(jī)組冷卻系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，利用模糊綜合評(píng)價(jià)建立其冷卻系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)體系。

1.2 機(jī)組冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

通過(guò)層次分析法將冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)分成A、B、C三層，以確定各指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)層次

1）目標(biāo)層A。層次分析法最終目標(biāo)層，即煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性安全評(píng)價(jià)體系。2）準(zhǔn)則層B。為煤層氣壓縮機(jī)完整性評(píng)價(jià)要考慮的準(zhǔn)則要素，結(jié)合整體系統(tǒng)安全、結(jié)構(gòu)安全及效率效果三項(xiàng)準(zhǔn)則，建立評(píng)價(jià)過(guò)程要考慮的主要評(píng)價(jià)依據(jù)。3）指標(biāo)層C。為評(píng)價(jià)過(guò)程中各類具體指標(biāo)，根據(jù)機(jī)組冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)全要素要求，確定“結(jié)構(gòu)安全”等4項(xiàng)系統(tǒng)安全要素集；“水泵結(jié)構(gòu)可靠性”等4項(xiàng)結(jié)構(gòu)可靠性要素集；“水冷效果”冷卻效果要素集，以此建立煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)安全完整性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

采用層次分析法確定煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“冷卻系統(tǒng)”）權(quán)重，在完整性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上同級(jí)指標(biāo)兩兩比較，建立比較矩陣，同時(shí)對(duì)矩陣進(jìn)行單排序、各層次結(jié)果一致性檢驗(yàn)，以此構(gòu)成各項(xiàng)指標(biāo)的比較權(quán)重。

2.1 判斷矩陣的確定

本文采用1～9標(biāo)度量法確定各層指標(biāo)重要度判定。10位專家分別現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分，標(biāo)度取值表如表1所示，同層次指標(biāo)兩兩比較得判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

2.2 層次分析法層次單排序

2.3 層次分析法總權(quán)重

根據(jù)層次分析法確定總權(quán)重需對(duì)各層次權(quán)重進(jìn)行組合計(jì)算，第k層組合權(quán)重wk由本層相對(duì)權(quán)重Rk與上層組合權(quán)重wk-1的乘積求得[8]，即

總權(quán)重也需要進(jìn)行多層次組合的一致性檢驗(yàn)[9]。第k

3 模糊綜合評(píng)價(jià)原理

煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是將基于模糊算法通過(guò)評(píng)委專家將定性結(jié)果轉(zhuǎn)化為等效定量的評(píng)價(jià)。通過(guò)模糊數(shù)學(xué)對(duì)煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)各指標(biāo)完整性要素進(jìn)行全面評(píng)估，定性地反映煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效果，進(jìn)行定量地評(píng)價(jià)。模糊層次分析評(píng)價(jià)法將層次結(jié)構(gòu)中各因素指標(biāo)權(quán)重對(duì)所有專家評(píng)分進(jìn)行初級(jí)評(píng)價(jià)，在整體評(píng)價(jià)時(shí)可由下至上逐層加權(quán)多級(jí)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，最后根據(jù)隸屬度最大準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)等級(jí)。主要步驟如下：

1）設(shè)定準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)集U={U1，U2，…，Un}。

2）準(zhǔn)則層指標(biāo)集Ui={ui1，ui2，…，uik}，（i=1，2，…，n）。以準(zhǔn)則層“系統(tǒng)安全性”指標(biāo)為例：Ui={ui1，ui2，…，uik}={結(jié)構(gòu)安全、冷卻工質(zhì)安全、控制系統(tǒng)安全、氣質(zhì)安全}。

3）然后確定煤層氣壓縮機(jī)完整性各指標(biāo)ui的權(quán)重集wi={wi1，wi2，…，wik}，i=1，2，…，n。

4）建立煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集，評(píng)語(yǔ)分5個(gè)等級(jí)，V={V1，V2，V3，V4，V5}={十分滿意V1（ ）,滿意V2（ ）,一般V3（ ），較差（V4），很差（V5）}，綜合評(píng)語(yǔ)內(nèi)涵解釋如表2所示。

表2 評(píng)語(yǔ)集及等級(jí)賦值

10位專家參與研究評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬程度，給出具體隸屬度平均值，作為隸屬度數(shù)值。

5）專家評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)要素層指標(biāo)的評(píng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到Ui的評(píng)價(jià)矩陣Ri為

7）冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)向量A＝B·W=（b1，b2，…，bn），構(gòu)成一個(gè)綜合評(píng)價(jià)模型（A，V，R，W），依據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則取向量A最大值作為評(píng)判結(jié)果。

4 煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)

明確煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層，建立冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定影響冷卻系統(tǒng)安全的重要因素，經(jīng)專家評(píng)分，確立模糊數(shù)學(xué)模型及最大隸屬度原則，得最終評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊層次分析法實(shí)質(zhì)是對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量分析，確定主要影響因素并賦以權(quán)重，根據(jù)最大隸屬度確定冷卻系統(tǒng)基于安全、可靠及冷卻效果的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.1 冷卻系統(tǒng)各級(jí)權(quán)重確定

考慮冷卻系統(tǒng)的安全性、結(jié)構(gòu)可靠性及冷卻效果三要素的準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)兩兩因素比較得到一級(jí)判斷矩陣B為

同理，經(jīng)二級(jí)指標(biāo)層各因素兩兩比較后，C1層系統(tǒng)安全性判斷矩陣、C2層次結(jié)構(gòu)可靠性判斷矩陣、C3層冷卻效果指標(biāo)的判斷矩陣分別為：

判斷指標(biāo)矩陣經(jīng)計(jì)算并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得系統(tǒng)安全性、結(jié)構(gòu)可靠性及冷卻效果對(duì)上一層的單層權(quán)重為WB，二級(jí)指標(biāo)各判斷矩陣考慮要素的權(quán)重分別記為Wc1、Wc2和Wc3：

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

邀請(qǐng)10位專家評(píng)價(jià)各指標(biāo)對(duì)應(yīng)于整體性能的隸屬度，并給出具體隸屬度平均值，作為最終各因素隸屬度的數(shù)值，如表3所示。

由表3可知，C1層煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)整體性能的模糊矩陣為

表3 各因素對(duì)應(yīng)隸屬度值

式中：C1為系統(tǒng)安全指標(biāo)的模糊評(píng)語(yǔ)矩陣；B1為冷卻系統(tǒng)安全性指標(biāo)的權(quán)重集；R1為冷卻系統(tǒng)中系統(tǒng)安全性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊判斷矩陣。

C2層煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)整體性能模糊矩陣為：

式中：C2為結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的模糊評(píng)語(yǔ)矩陣；B2為冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的權(quán)重集；R2為冷卻系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊判斷矩陣。

C3層各因素對(duì)應(yīng)煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)整體性能的模糊矩陣為

將結(jié)果歸一化處理得

對(duì)照評(píng)語(yǔ)集等級(jí)賦值按照百分制評(píng)分結(jié)果為

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)模糊綜合層次分析法評(píng)價(jià)結(jié)果及最大隸屬度原則，冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)安全性準(zhǔn)則層最大隸屬度值為0.377，評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意；結(jié)構(gòu)可靠性準(zhǔn)則層模糊評(píng)價(jià)矩陣最大隸屬度值為0.406，評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意；冷卻系統(tǒng)冷卻效果準(zhǔn)則層模糊矩陣最大隸屬度值為0.44，評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意。綜合考慮系統(tǒng)安全性、結(jié)構(gòu)可靠性及冷卻效果各因素總體模糊判斷矩陣最大隸屬度值為0.4，評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意，根據(jù)評(píng)語(yǔ)集賦值綜合考慮完整性評(píng)價(jià)因素得分75.5，結(jié)果評(píng)價(jià)滿意。

5 結(jié)語(yǔ)

考慮煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)安全性、可靠性及冷卻效果，結(jié)合模糊綜合層次分析法評(píng)價(jià)理論建立定量評(píng)價(jià)體系。根據(jù)層次分析法構(gòu)建因素權(quán)重，采用模糊評(píng)價(jià)、層次分析、綜合評(píng)語(yǔ)集及最大隸屬度原則，建立了煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)體系，將現(xiàn)場(chǎng)比較模糊的評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)專家評(píng)分方式轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。通過(guò)案例分析對(duì)某氣田煤層氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)，得系統(tǒng)安全性、結(jié)構(gòu)可靠性及冷卻效果評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意，冷卻系統(tǒng)整體完整性評(píng)價(jià)結(jié)果為75.5分，根據(jù)評(píng)語(yǔ)集及最大隸屬原則評(píng)價(jià)結(jié)果為滿意，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合度較好。