基于TOPSIS原理的注汽管線保溫材料優(yōu)選

劉承婷，李 瑞，楊盼盼

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000）

基于TOPSIS原理的注汽管線保溫材料優(yōu)選

劉承婷，李 瑞，楊盼盼

（東北石油大學(xué)， 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(jìn)而影響稠油油田生產(chǎn)能耗。通過實(shí)地調(diào)研與理論研究相結(jié)合的方法，基于TOPSIS原理建立一種優(yōu)選保溫材料的評(píng)價(jià)體系，通過TOPSIS原理與熵權(quán)法、層次分析法結(jié)合，優(yōu)選注汽管線保溫材料。

TOPSIS；注汽管線；保溫材料；熵權(quán)法；層次分析法

稠油開采以汽驅(qū)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(jìn)而影響到達(dá)井底的蒸汽干度[1,2]。同時(shí)，隨著能源價(jià)格上漲，企業(yè)成本逐年提高，而地面輸汽管線的散熱損失占注汽系統(tǒng)熱損失的80%以上，選擇注汽保溫材料對(duì)于稠油油田降低運(yùn)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(fù)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(duì)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(biāo)值的保溫材料評(píng)定體系具有必要性。

1 評(píng)價(jià)體系

1.1 TOPSIS原理

TOPSIS[4]是一種逼近理想解的統(tǒng)計(jì)分析方法，起源于上世紀(jì)80年代。通過對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象多屬性的評(píng)估排列順序，計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的歐式距離。理想解是一個(gè)虛擬的最優(yōu)解，距離理想解越近，評(píng)定目標(biāo)就越符合要求。由于多目標(biāo)評(píng)估時(shí)，可能產(chǎn)生多個(gè)目標(biāo)與理想解間的歐式距離相同，因此，還要計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與負(fù)理想解間的距離，負(fù)理想解是虛擬的最差解。TOPSIS原理簡(jiǎn)便、實(shí)用，在多屬性決策中應(yīng)用廣泛。

1.2 評(píng)定指標(biāo)權(quán)重確定方法

常用的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法有專家評(píng)分法、層次分析法、變異系數(shù)法和熵權(quán)法等，這些權(quán)重計(jì)算方法各具特色，總體來說，主觀賦權(quán)方法強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，客觀賦權(quán)法則以客觀數(shù)據(jù)為依據(jù)。本文采用客觀賦權(quán)方法中的熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。熵表示系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)的信息越多，則熵值越小；反之則大。熵權(quán)法計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算指標(biāo)熵值

式中:ijx—第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的規(guī)范化值；

n—評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)。

（2）計(jì)算熵權(quán)

式中: m —評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

注汽管線保溫材料的選擇主要從技術(shù)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三方面方面考慮。導(dǎo)熱系數(shù)直接影響管線散熱損失的大小，容重則會(huì)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(xiàng)指標(biāo)用技術(shù)性指標(biāo)表示。保溫材料在管道運(yùn)行中可能受到來自注汽管線和外部環(huán)境的影響，會(huì)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(biāo)表示。保溫材料的經(jīng)濟(jì)性同樣會(huì)制約材料的選取，我們的目標(biāo)是選用性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)合理的保溫材料。注汽管線保溫材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇如表1。

2 實(shí)例分析

2.1 注汽管線保溫材料的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)定

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

由式（1）計(jì)算各指標(biāo)熵值，以規(guī)范化后的導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)為例，計(jì)算過程如下：

由式（2）計(jì)算各指標(biāo)熵權(quán)，以導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)的熵權(quán)為例計(jì)算

其他指標(biāo)熵值及熵權(quán)計(jì)算過程同上（表2）。以指標(biāo)規(guī)范化矩陣和評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算加權(quán)規(guī)范化矩陣，計(jì)算公式如下:

2.1.1 技術(shù)性指標(biāo)評(píng)價(jià)

技術(shù)性指標(biāo)加權(quán)規(guī)范化矩陣如下：

表1 注汽管線保溫材料評(píng)價(jià)指標(biāo)表Table 1 Evaluation index of the steam injection pipeline insulation material

對(duì)文獻(xiàn)[5]中及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。標(biāo)準(zhǔn)化處理采用如下公式

式中:ija —第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)值。

由公式（3）計(jì)算可得，規(guī)范化矩陣如下:

表2 指標(biāo)熵值及熵權(quán)匯總表Table 2 Summary of the index Entropy and Entropy weight

注汽管線保溫材料的技術(shù)性指標(biāo)中，導(dǎo)熱系數(shù)和容重為逆向指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好，使用溫度指標(biāo)為正向指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好，以此為依據(jù)確定理想解和負(fù)理想解如下：

采用下式計(jì)算四種保溫材料與理想解和負(fù)理想解之間的距離，

式中: gij—保溫材料指標(biāo)與理想解或負(fù)理想解間的歐式距離；

gj—表示理想解或負(fù)理想解得指標(biāo)值。

通過計(jì)算可以得到四種保溫材料與理想解、負(fù)理想解間的歐式距離，分別為以相對(duì)于理想解的接近程度進(jìn)行注汽管線保溫材料的排序，相對(duì)接近程度按下式計(jì)算：

2.1.2 安全性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)

計(jì)算原理如上，安全指標(biāo)評(píng)定中四種材料相對(duì)于理想解得接近程度值分別為鈦陶瓷與理想安全指標(biāo)最接近，材料排序?yàn)椋衡佁沾伞⑽⒖坠杷徕}、超細(xì)玻璃棉和硅酸鋁纖維。

2.2 保溫材料綜合評(píng)估

在對(duì)技術(shù)性指標(biāo)、安全性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行綜合評(píng)估確定最終選用的注汽管線保溫材料。綜合評(píng)價(jià)全面考慮注汽管道保溫指標(biāo)的影響，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，首先對(duì)注汽管線保溫材料評(píng)估指標(biāo)打分，分值給予標(biāo)準(zhǔn)以判定尺度定義表為準(zhǔn)則，建立判斷矩陣；其次，計(jì)算判斷矩陣最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化處理后即可得到所求指標(biāo)權(quán)重；最后，要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過計(jì)算矩陣的最大特征值maxλ 和一致性指標(biāo)CI，當(dāng)一致性比率CR=CI/RI＜0.1時(shí)，指標(biāo)權(quán)重符合要求。判斷矩陣如下：

以保溫材料單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估權(quán)重與層次分析法確定的權(quán)重結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)估

由計(jì)算結(jié)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(biāo)低于鈦陶瓷，但經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和技術(shù)性指標(biāo)明顯優(yōu)于后者。而與其它兩種材料相比，微孔硅酸鈣優(yōu)點(diǎn)明顯。

3 結(jié) 論

本文基于TOPSIS原理優(yōu)選注汽管線保溫材料，以技術(shù)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三大類指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，以熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)單項(xiàng)評(píng)估的權(quán)值，通過計(jì)算材料與理想解、負(fù)理想解間的距離，得出評(píng)價(jià)保溫材料與理想保溫材料的相對(duì)貼近度，從而得出考慮單項(xiàng)指標(biāo)的材料優(yōu)劣順序；再以層次分析法與TOPSIS相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)估，優(yōu)選出性能最佳的保溫材料，簡(jiǎn)化了保溫材料選擇時(shí)的計(jì)算過程，評(píng)價(jià)指標(biāo)以保溫材料的性能為依據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果可信有用。

［1］ 劉曉燕，王金昌，項(xiàng)新耀，劉立君. 稠油開采熱注系統(tǒng)輸汽管道保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(diào)(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(wǎng)保溫技術(shù)應(yīng)用分析[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào),2010(05):371-373．

［4］ 景國(guó)勛，施式亮,等. 系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009-08．

［5］ 劉承婷. 蒸汽管道保溫材料與保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].大慶：東北石油大學(xué),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(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)安全工程，多相流體力學(xué)。E-mail：435276627@qq.com。

李瑞（1988-），男，在讀碩士，研究方向：儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)安全工程。E-mail：lirui1988we@163.com。