基于FAHP-模糊綜合評(píng)判方法的測(cè)試分離器選型優(yōu)化

，， ， ，

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

測(cè)試分離器作為原油生產(chǎn)工藝中的重要分離設(shè)施，用于將采出的原油進(jìn)行初步分離，以估測(cè)原油的含水率、含氣率[1]。由于測(cè)試分離器種類(lèi)和參數(shù)眾多，因此根據(jù)海上平臺(tái)原油處理的實(shí)際條件，在海量產(chǎn)品中進(jìn)行科學(xué)決策和選擇，成為平臺(tái)選型配置中亟待解決的問(wèn)題[2]。

本文在模糊綜合評(píng)判法的基礎(chǔ)上，利用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱(chēng)FAHP)建立了層次結(jié)構(gòu)模型，確定了準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重，搭建了FAHP-模糊綜合評(píng)判體系，對(duì)測(cè)試分離器進(jìn)行綜合分析和權(quán)衡評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試分離器根據(jù)需求的科學(xué)量化選型優(yōu)化。

1 基于FAHP的模糊綜合評(píng)判體系構(gòu)建

FAHP是為克服傳統(tǒng)的層次分析法在判斷矩陣一致性上存在一定缺陷所改進(jìn)的算法[3]。模糊綜合評(píng)判法可對(duì)涉及模糊的、難以量化的多因素問(wèn)題進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[4]。通過(guò)將兩者結(jié)合，有利于更客觀準(zhǔn)確地反映各標(biāo)準(zhǔn)的特性，極大地提高了設(shè)備選型的科學(xué)性和合理性。

1.1 綜合評(píng)價(jià)模型建立

決策者針對(duì)某一特定的決策問(wèn)題，分析其影響因素以及各因素之間的因果關(guān)系，將其自上而下分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層3層體系結(jié)構(gòu)[5]。綜合評(píng)價(jià)模型的建立是模糊層次分析法的基礎(chǔ)，也是決策的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了決策者對(duì)決策問(wèn)題的理解程度和研究程度[6]。

1.2 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重表征方法

1) 確定優(yōu)先關(guān)系矩陣。

將準(zhǔn)則層的各因素進(jìn)行重要性對(duì)比，作出優(yōu)先關(guān)系矩陣F=(fij)n×n，其中：

(1)

式中：s(i)、s(j)為指標(biāo)fi、fj之間的相對(duì)重要性程度。

2) 優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)為模糊一致矩陣。

3) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

運(yùn)用按行求和歸一化法的計(jì)算方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，如下：

(2)

1.3 基于模糊評(píng)價(jià)綜合準(zhǔn)則的決策方法

針對(duì)多因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，問(wèn)題在于怎樣建立評(píng)判矩陣和確定權(quán)重向量。模糊評(píng)價(jià)的具體方法步驟如下：

1) 選取評(píng)語(yǔ)集。

模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)評(píng)語(yǔ)集的劃分通常分為5級(jí)和9級(jí)，各因素的重要程度通過(guò)評(píng)語(yǔ)的分?jǐn)?shù)值定性表示[7]。構(gòu)建的評(píng)語(yǔ)集可表示為V={v1,v2,v3,…,vn}。

2) 構(gòu)建評(píng)判矩陣。

將準(zhǔn)則層各評(píng)判指標(biāo)作一致化處理，轉(zhuǎn)化成效益型指標(biāo)，該屬性值越大越好[8]。然后進(jìn)行單因素評(píng)判，得出備選方案與各評(píng)判指標(biāo)的關(guān)系，并用eij表示，建立的模糊評(píng)判矩陣E=(eij)。通過(guò)隸屬度函數(shù)變換并對(duì)模糊評(píng)判矩陣作歸一化處理，得到隸屬度矩陣S=(sij)。隸屬度矩陣元素表示如下：

(3)

式中：max(e(j))、min(e(j))為準(zhǔn)則j對(duì)備選方案的最大值、最小值。

3) 模糊綜合決策。

利用準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重WA-B和隸屬度矩陣S求出各備選方案的綜合評(píng)價(jià)值WA-C=SWA-B，根據(jù)備選方案層次總排序選出最優(yōu)方案。

2 測(cè)試分離器選型優(yōu)化研究

測(cè)試分離器的設(shè)備選型要先滿足處理要求[9]，即能夠達(dá)到目標(biāo)油田的處理任務(wù)，包括最大油處理量、最大氣處理量、最大生產(chǎn)水處理量等，其工作的好壞以分離質(zhì)量和分離程度來(lái)衡量。由于測(cè)試分離器設(shè)備是定制設(shè)備，主要參數(shù)差別較大，本文在對(duì)測(cè)試分離器調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)對(duì)可選測(cè)試分離器設(shè)備的核心參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到的可選方案及詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 可選的測(cè)試分離器方案

表1(續(xù))

2.1 建立遞階層次決策模型

根據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)油氣水處理系統(tǒng)設(shè)備配置原則，測(cè)試分離器設(shè)備選型的準(zhǔn)則參數(shù)主要有油出口含水率(B1)，水出口含油率(B2)，設(shè)計(jì)壓力(B3)，設(shè)計(jì)溫度(B4)，沉降分離時(shí)間(B5)等，方案層中可選的測(cè)試分離器型號(hào)包括XSL-I、WS、HBP、HXS、HPT和BSSWS等。測(cè)試分離器的選型遞階層次模型如圖1所示。

圖1 測(cè)試分離器的選型遞階層次模型

2.2 確定優(yōu)先關(guān)系矩陣

根據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)油氣水處理系統(tǒng)設(shè)備配置原則，處理能力是首要考慮原則，因此將油出口含水率、水出口含油率作為第1階次考慮的因素；將設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力作為第2階次考慮因素。由于分離器處理效果的評(píng)定因素已經(jīng)作為第1階次因素，將沉降分離時(shí)間作為第3階次考慮因素。根據(jù)每個(gè)型號(hào)的測(cè)試分離器對(duì)準(zhǔn)則層的影響，明確方案層中各因素對(duì)準(zhǔn)則層的優(yōu)先關(guān)系，得到如表2所示優(yōu)先關(guān)系矩陣。

表2 A-Bi優(yōu)先關(guān)系矩陣

2.3 優(yōu)先關(guān)系矩陣模糊歸一化處理

將優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)成模糊一致矩陣，并根據(jù)公式(2)求得準(zhǔn)則層中各因素Bi對(duì)A的指標(biāo)權(quán)重WA-Bi，如表3所示。

表3 A-Bi模糊一致矩陣

2.4 模糊評(píng)判矩陣構(gòu)建

按模糊評(píng)價(jià)方法，本文采用5級(jí)劃分法進(jìn)行綜合評(píng)定獲取各評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相對(duì)于方案的模糊語(yǔ)言評(píng)分。評(píng)語(yǔ)集V={最大，大，中，小，最小}，相應(yīng)的分?jǐn)?shù)集為{9，7，5，3，1}。

油出口含水率、水出口含油率、沉降分離時(shí)間為“成本型”指標(biāo)，該屬性值越小越好；設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力為“固定型”指標(biāo)，即屬性值以某一特定值最好?？紤]石油組成和油井井口壓力，分離器的操作壓力設(shè)計(jì)為2.5 MPa(對(duì)于三相分離器，按操作壓力可分為負(fù)壓(<0.1 MPa)、低壓(<1.5 MPa)、中壓(1.5～6.0 MPa)和高壓(>6.0 MPa))，操作溫度根據(jù)測(cè)試計(jì)量加熱器出口溫度設(shè)計(jì)為60 ℃。

將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化成“效益型”指標(biāo)，構(gòu)建的備選測(cè)試分離器與評(píng)判準(zhǔn)則模糊評(píng)判矩陣E，如表4所示。

2.5 模糊評(píng)判矩陣轉(zhuǎn)化為隸屬度矩陣

利用式(3)將模糊評(píng)判矩陣E經(jīng)過(guò)隸屬度函數(shù)變換并歸一化處理得到對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣S，如表5所示。

表4 模糊評(píng)判矩陣

表5 隸屬度矩陣

2.6 模糊綜合決策

進(jìn)行模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算，求出方案層各因素Ci對(duì)目標(biāo)層A的綜合評(píng)價(jià)值WA-Ci=WA-BiS，并獲得如表6所示層次總排序。

表6 層次總排序

根據(jù)表6中的綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算結(jié)果得出，HXS型分離器為最優(yōu)方案。

3 選型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

本文利用Visual Studio 2010.NET集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于FAHP的測(cè)試分離器選型系統(tǒng)[10]。選型優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)方案流程

選型軟件劃分為輸入?yún)^(qū)、功能區(qū)、圖表區(qū)和輸出區(qū)四個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試分離器根據(jù)輸入?yún)?shù)的智能選型。

如圖3所示，輸入?yún)^(qū)分為設(shè)計(jì)要求和備選方案參數(shù)2部分，在選型過(guò)程中，軟件會(huì)基于設(shè)計(jì)要求對(duì)備選方案的參數(shù)進(jìn)行比較分析，以生成最優(yōu)方案；功能區(qū)包括選型、讀取、清除、退出等4個(gè)功能鍵，通過(guò)引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了備選方案參數(shù)的快速讀取，簡(jiǎn)化了選型過(guò)程；圖表區(qū)所顯示的是該選型方法的決策模型；輸出區(qū)用于顯示最優(yōu)方案的型號(hào)。

圖3 軟件運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)論

1) 本文將模糊層次分析法和模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合，搭建了FAHP-模糊綜合評(píng)判體系，并將其應(yīng)用到測(cè)試分離器的選型中。

2) 利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和智能算法開(kāi)發(fā)了選型軟件平臺(tái)，簡(jiǎn)化了選型過(guò)程，提高了選型過(guò)程的科學(xué)化、智能化水平。

3) FAHP-模糊綜合評(píng)判體系可廣泛應(yīng)用于鉆井設(shè)備的優(yōu)化選型中，可有效地降低生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率。

4) 該評(píng)價(jià)方法在處理復(fù)雜選型問(wèn)題上存在一定的不足，仍需做進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高其適用范圍。

[1] 陸建昌.測(cè)試分離器與測(cè)試分析儀表[J].中國(guó)海上油氣：工程，1996(5)：38-40.

[2] 孫郭鋒.海上平臺(tái)生產(chǎn)水處理系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，33(13)：249-249.

[3] 肖文生，田雪，吳磊，等.基于FAHP的深水半潛式平臺(tái)鉆井設(shè)備選型[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24(4)：244-248.

[4] 陳希祥，邱靜，劉冠軍.基于層次分析法與模糊綜合評(píng)判的測(cè)試設(shè)備選擇方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31(1)：68-73.

[5] 周慧勤，馬進(jìn)，符金偉.基于AHP模糊綜合評(píng)判法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型研究[J].華東電力，2012(9)：1494-1498.

[6] 符學(xué)葳.基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)研究和應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[7] 盛晨興，徐泰富.模糊綜合評(píng)判法在船舶主機(jī)選型中的應(yīng)用[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6(6)：9-12.

[8] 楊振杰.空氣鉆井設(shè)備配置選型及性能分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(5)：113-119.

[9] 吳磊，肖文生，劉琦，等.半潛式生產(chǎn)平臺(tái)油氣水處理設(shè)備配置選型研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(9)：67-70.

[10] 張春平，郁大照，王超.基于C#的實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(8)：136-138.