基于模糊層次分析法的煤層氣壓縮機冷卻系統完整性評價

金鑫，魏長吉，蔡少輝，宋關偉，董超群,，邱奎

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

0 引言

煤層氣是我國重要的非常規油氣資源，儲量豐富，隨著“雙碳”政策的實施，清潔能源需求量迅速增加[1-2]。往復式壓縮機是煤層氣開采的重要動力設備，通常將其布置于壓縮機棚區，機組壓縮缸、管線散熱不暢，冷卻系統效果不佳[3]。現場多采取水冷、風冷或水冷加風冷制冷方式，雖然一定程度上降低了溫升，但也給機組冷卻系統（包括水泵、風機及散熱器等）設備的安全性帶來隱患[4]。現場對機組的管理為定期維修，冷卻系統的管理大多采取事故后評價的方法，或對其定性分析，從管理及使用者的角度沒有適當的定量評價方法[5]。本文基于模糊層次分析的評價方法對壓縮機組在考慮多因素、多結構評價準則基礎上，建立了機組冷卻系統的完整性評價方法。

模糊層次分析法通過建立不同層次的評價準則將復雜問題分解，將元素間相對重要性量化為判斷矩陣，將權重整合到整體目標層，建立模糊分析定量評價方法。但由于評價人員主觀經驗及數據的局限性，模糊數學理論將定性分析進行量化處理[6]。本文針對煤層氣壓縮機冷卻系統結構進行完整性評價，將冷卻系統各因素對安全性的影響權重，采用基于模糊層次分析法的評價方法建立冷卻系統的完整性評價，以期為油氣田單位完整性管理提供參考。

1 壓縮機冷卻系統評價體系

1.1 機組冷卻系統評價方法

煤層氣壓縮機結構多采用整體式或分體式，結構復雜、易損件多，冷卻系統多采用風冷加水冷的方式。冷卻系統結構包括水泵、風機葉片、散熱器及曲軸等關鍵件，也包括水管、水池及各種閥門等結構，缺少系統的安全性評估評價方法。本文利用模糊綜合評價的方法建立機組冷卻系統完整性評價體系，用層次分析法對機組冷卻系統全要素指標進行分解，按照不同要素進行分類，以專家評分及調查問卷數據為依據，參照壓縮機冷卻系統性能評價標準、測試標準、現場維修維護及使用效果的認識，建立機組冷卻系統的評價準則，利用模糊綜合評價建立其冷卻系統的完整性評價體系。

1.2 機組冷卻系統評價指標確定

通過層次分析法將冷卻系統完整性評價指標分成A、B、C三層，以確定各指標權重，指標體系如圖1所示。

圖1 煤層氣壓縮機冷卻系統完整性評價層次

1）目標層A。層次分析法最終目標層，即煤層氣壓縮機冷卻系統完整性安全評價體系。2）準則層B。為煤層氣壓縮機完整性評價要考慮的準則要素，結合整體系統安全、結構安全及效率效果三項準則，建立評價過程要考慮的主要評價依據。3）指標層C。為評價過程中各類具體指標，根據機組冷卻系統完整性評價全要素要求，確定“結構安全”等4項系統安全要素集；“水泵結構可靠性”等4項結構可靠性要素集；“水冷效果”冷卻效果要素集，以此建立煤層氣壓縮機冷卻系統安全完整性評價層次結構。

2 評價指標權重確定

采用層次分析法確定煤層氣壓縮機冷卻系統（簡稱“冷卻系統”）權重，在完整性評價基礎上同級指標兩兩比較，建立比較矩陣，同時對矩陣進行單排序、各層次結果一致性檢驗，以此構成各項指標的比較權重。

2.1 判斷矩陣的確定

本文采用1～9標度量法確定各層指標重要度判定。10位專家分別現場評分，標度取值表如表1所示，同層次指標兩兩比較得判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標度及其含義

2.2 層次分析法層次單排序

2.3 層次分析法總權重

根據層次分析法確定總權重需對各層次權重進行組合計算，第k層組合權重wk由本層相對權重Rk與上層組合權重wk-1的乘積求得[8]，即

總權重也需要進行多層次組合的一致性檢驗[9]。第k

3 模糊綜合評價原理

煤層氣壓縮機冷卻系統的評價是將基于模糊算法通過評委專家將定性結果轉化為等效定量的評價。通過模糊數學對煤層氣壓縮機冷卻系統各指標完整性要素進行全面評估，定性地反映煤層氣壓縮機冷卻系統的結構及效果，進行定量地評價。模糊層次分析評價法將層次結構中各因素指標權重對所有專家評分進行初級評價，在整體評價時可由下至上逐層加權多級進行模糊評價，最后根據隸屬度最大準則確定評價等級。主要步驟如下：

1）設定準則層評價指標的目標集U={U1，U2，…，Un}。

2）準則層指標集Ui={ui1，ui2，…，uik}，（i=1，2，…，n）。以準則層“系統安全性”指標為例：Ui={ui1，ui2，…，uik}={結構安全、冷卻工質安全、控制系統安全、氣質安全}。

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

4）建立煤層氣壓縮機冷卻系統完整性評價評語集，評語分5個等級，V={V1，V2，V3，V4，V5}={十分滿意V1（ ）,滿意V2（ ）,一般V3（ ），較差（V4），很差（V5）}，綜合評語內涵解釋如表2所示。

表2 評語集及等級賦值

10位專家參與研究評價指標的隸屬程度，給出具體隸屬度平均值，作為隸屬度數值。

5）專家評價通過對要素層指標的評分進行評價，得到Ui的評價矩陣Ri為

7）冷卻系統完整性評價向量A＝B·W=（b1，b2，…，bn），構成一個綜合評價模型（A，V，R，W），依據最大隸屬度準則取向量A最大值作為評判結果。

4 煤層氣壓縮機冷卻系統完整性評價

明確煤層氣壓縮機冷卻系統完整性評價目標層、準則層及指標層，建立冷卻系統評價指標體系，確定影響冷卻系統安全的重要因素，經專家評分，確立模糊數學模型及最大隸屬度原則，得最終評價結果。模糊層次分析法實質是對冷卻系統進行定性和定量分析，確定主要影響因素并賦以權重，根據最大隸屬度確定冷卻系統基于安全、可靠及冷卻效果的評價結果。

4.1 冷卻系統各級權重確定

考慮冷卻系統的安全性、結構可靠性及冷卻效果三要素的準則，經過兩兩因素比較得到一級判斷矩陣B為

同理，經二級指標層各因素兩兩比較后，C1層系統安全性判斷矩陣、C2層次結構可靠性判斷矩陣、C3層冷卻效果指標的判斷矩陣分別為：

判斷指標矩陣經計算并進行一致性檢驗，得系統安全性、結構可靠性及冷卻效果對上一層的單層權重為WB，二級指標各判斷矩陣考慮要素的權重分別記為Wc1、Wc2和Wc3：

4.2 模糊綜合評價

邀請10位專家評價各指標對應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值，如表3所示。

由表3可知，C1層煤層氣壓縮機冷卻系統整體性能的模糊矩陣為

表3 各因素對應隸屬度值

式中：C1為系統安全指標的模糊評語矩陣；B1為冷卻系統安全性指標的權重集；R1為冷卻系統中系統安全性指標對應的模糊判斷矩陣。

C2層煤層氣壓縮機冷卻系統整體性能模糊矩陣為：

式中：C2為結構可靠性指標的模糊評語矩陣；B2為冷卻系統結構可靠性指標的權重集；R2為冷卻系統中結構可靠性指標對應的模糊判斷矩陣。

C3層各因素對應煤層氣壓縮機冷卻系統整體性能的模糊矩陣為

將結果歸一化處理得

對照評語集等級賦值按照百分制評分結果為

4.3 評價結果分析

根據模糊綜合層次分析法評價結果及最大隸屬度原則，冷卻系統的系統安全性準則層最大隸屬度值為0.377，評價結果為滿意；結構可靠性準則層模糊評價矩陣最大隸屬度值為0.406，評價結果為滿意；冷卻系統冷卻效果準則層模糊矩陣最大隸屬度值為0.44，評價結果為滿意。綜合考慮系統安全性、結構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，評價結果為滿意，根據評語集賦值綜合考慮完整性評價因素得分75.5，結果評價滿意。

5 結語

考慮煤層氣壓縮機冷卻系統安全性、可靠性及冷卻效果，結合模糊綜合層次分析法評價理論建立定量評價體系。根據層次分析法構建因素權重，采用模糊評價、層次分析、綜合評語集及最大隸屬度原則，建立了煤層氣壓縮機冷卻系統的完整性評價體系，將現場比較模糊的評價指標通過專家評分方式轉化為定量評價。通過案例分析對某氣田煤層氣壓縮機冷卻系統評價，得系統安全性、結構可靠性及冷卻效果評價結果為滿意，冷卻系統整體完整性評價結果為75.5分，根據評語集及最大隸屬原則評價結果為滿意，與現場實際吻合度較好。