多层次模糊评价模型在煤层气压缩机系统完整性评价的应用.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）多层次模糊评价模型在煤层气压缩机系统完整性评价的应用金鑫，魏长吉，蔡少辉，宋关伟，董超群，邱奎（中国石油化工股份有限公司临汾煤层气分公司，山西 临汾 ；重庆科技学院 重庆高新区大学城，重庆 ）摘要：针对煤气田现役煤层气增压集输用压缩机组系统安全运行及安全管理问题，开展了对煤层气压缩机组系统的完整性评价研究，利用多层次模糊评价模型建立压缩机组系统的完整性评价方法。根据多层次模糊评价法建立基于系统结构完整性及性能完整性为准则的评价体系，根据层次分析法建立各指标权重，结合模糊评价模型和专家评分建立目标集、权重集、评语集及判断矩阵，并通过一致性判断，根据最大隶属度准则得到各因素的评判结果。经过延川某煤层气田在役压缩机组系统的案例评判，得机组系统结构完整性及性能完整性评价结果为良好，整体完整性评价结果为 分，与现场实际吻合度较好。煤层气压缩机组系统完整性评价可为机组现场安全管理、高效运行效果的评估提供理论支持及评价措施。关键词：煤层气压缩机；层次分析法；模糊评价；完整性评价中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：重庆市教委基金项目（，）；“石油天然气装备”教育部重点实验室项目（），（，；，）：，设 计 研 究 年 期（总第 期），：；引言我国煤层气资源丰富，埋深 以内浅层资源为 ，占全球煤层气资源总量的 ，经过 多年的勘探开发，中国煤层气已经走向规模化的发展道路 ，但因煤层气田属于低孔、低渗地质开发难度大 。章朋等 开展煤储层稳定性评价，对煤储层稳定性开展动态评价为合理开采提供理论依据。冯玉龙等 利用多层次模糊数学法对煤层气井产能进行综合评价，为煤层气开采甜点区优选及产能预测提供合理优选方案。往复式压缩机是煤层气开采的重要动力设备，但因其自身结构复杂、受力部件多、故障率高等特点，需要完善机组系统的检测和评价方法 。机组现场管理大多采取的是定期维修或事故后维修的方法，也有采取基于检测的预防性维修的方法 ，但从评价的角度来看也仅是定性分析，从管理及使用者的角度来讲没有适当的定量评价方法 ，笔者基于模糊层次分析的数学方法对压缩机组在考虑多因素、多结构评价准则基础上，建立了机组系统的完整性评价方法。模糊层次分析法通过划分目标层、准则层及指标层建立评价层次，利用模糊数学将指标量化，将定性问题进行量化分析，是一种有效的多属性决策评价方法 。通过建立不同层次的评价准则将复杂问题进行分解，通过元素重要性两两对比建立判断矩阵，进而建立模糊分析的综合评价方法 。但由于评价人员主观经验及数据的局限性，通过模糊数学理论来将具有模糊概念的定性分析进行量化处理 。刘耀铃等 通过模糊层次分析法建立复杂装备性能评价指标对装备进行评价，孙博等 通过模糊层次分析建立桥梁火灾风险评估体系，肖运启等 运用模糊数学建立基于趋势预测的大型风电机组运行状态的综合评价方法。汪培庄 将模糊数学中的隶属度理论应用到模糊综合评判中，从而将各种不确定性问题的模糊层次分析法应用更广泛的评价问题。李磊等 人将模糊层次分析法对风电机组零部件的风险评估，周苏华等 人建立模糊层次法应用于预应力锚索加固边坡的稳定性评价，实现了将定性的模糊问题定量化评价。本文针对煤层气压缩机组系统结构完整性评价，以延川南煤层气压缩机评价为案例，采用基于多层次模糊评价模型建立机组系统的完整性评价方法，以期为油气单位完整性管理提供评价依据。基于层次分析法的压缩机评价体系 层次分析法利用层次分析法对煤层气压缩机组系统基于结构完整性及性能完整性进行评价，按照全要素指标进行分解，按照不同要素进行分类，不同层次要素之间重要性两两比较，建立模糊评价体系，根据煤层气机组现场管理者、操作者的综合评定，以专家评分及调查问卷数据为依据，参照压缩机组系统性能评价标准、测试标准、现场维修维护及使用效果的认识，建立机组系统的评价准则，利用模糊综合评价建立其机组系统的完整性评价体系。机组系统完整性评价体系煤层气压缩机结构复杂，从完整性角度分析分为结构完整性与性能完整性，结构完整性包括机组动力端与压缩端等结构，性能完整性是保证机组安全运行的部件，包括冷却系统、仪控系统及润滑系统。本文基于机组系统结构完整性及性能完整性的评价，建立完整性评价体系，为机组安全运行提供管理准则。本文根据结构与性能建立准则层如图 所示，利用模糊综合评价的方法建立机组系统完整性评价体系。目标层为煤层气压缩机组系统完整性安全评价，准则层为压缩机完整性评价要考虑的结构完整与性能准则要素，指标层为在评价过程中机组系统包含的各类具体部件及其辅助系统等。通过层次分析法将机组系统完整性评价指标分设 计 研 究 年 期（总第 期）图 煤层气压缩机冷却系统完整性评价层次成 、四层，以确定各指标权重，指标体系如图 所示。目标层 ：层次分析法最终目标层，即煤层气压缩机组系统完整性安全评价体系；准则层 ：煤层气压缩机完整性评价要考虑的准则要素，考虑机组完整性评价体系中结构完整性与性能完整性准则，是建立评价过程主要评价依据。指标层 ：评价过程中结构完整性包括的动力端 与压力端、性能完整性包括冷却系统、仪控系统 及润滑系统 对机组系统整体安全性影响。指标层 ：机组评价过程中包括的各类具体指标项目，根据机组系统结构完整性评价全要素要求，机组动力端与压缩端等 项具体机械结构为系统结构完整性要素集；冷却系统、仪表控制系统及润滑系统等 项为性能完整性要素集，以此建立煤层气压缩机组系统完整性评价层次结构。评价指标权重确定采用层次分析法确定煤层气压缩机组系统权重，在其完整性评价指标基础上，对同级指标进行成两两比较，建立成对比判断矩阵。为使判断矩阵符合实际情况，需对矩阵进行一致性检验。同层次排序结果代表指标对上一层次重要性的权重，以此构成各项指标的比较权重。判断矩阵的确定本文采用 标度量法确定各层指标重要度的判定。由 位相关产品设计、现场使用专家分别进行评分，为使评分更具合理性（要求专家成员应具有大专以上学历，从事现场管理、使用或设计经验年以上），标度取值表如表，同层次指标两两比较得出判断结果完成判断矩阵构建。设 个评价对象集 ，两个因素成对比较，即 为 ，专家评价结果经过两两比较之后按矩阵标度建立比较判断矩阵为 ，即：（）判断矩阵 需要满足一致性条件 ：（）正互反性：，；（）一致性：，指标结果进行一致性检验。层次分析法确定权重层次分析法确定权重需要确定判断矩阵并确定特征向量和最大特征值，用方根法计算指标权重表 判断矩阵标度及其含义标度重要性标度 含义表示 个元素相比，具有同等重要性表示 个元素相比，前者比后者稍微重要表示 个元素相比，前者比后者明显重要表示 个元素相比，前者比后者强烈重要表示 个元素相比，前者比后者极端重要、表示为上述相邻判断的中间值注：，且 与 存在反比关系时，即满足 。设 计 研 究 年 期（总第 期）值，判断矩阵 每一行元素积 ，各行 的 次方根值珚槡，式中 为矩阵阶数。向量归一化后 珚 珚，即为所求各项指标权重。判断矩阵 的最大特征值为 （）（）式中 （）为消除评判过程指标重要度不一致，须对构建的判断矩阵进行一致性检验，满足 （）判断矩阵随机一致性指标 通过表 得，判断矩阵一致性比率 ，判断矩阵一致性可以接受，否则需重新建立判断矩阵 。层次分析法总权重根据层次分析法确定总权重需对各层次权重进行组合计算，如式（），层组合权重 由本层相对权重 与上层组合权重 的乘积求得 ，即 （）总权重也需要进行多层次组合的一致性检验 。第 层的第 个元素的一致性指标 ，和，则第 层综合性检验指标：，（）第 层的一致性比率，当 时，认为判断矩阵整体一致性是可以接受的；当 时，具有不满意一致性，应予以调整或舍弃不用。模糊评价模型原理煤层气压缩机组系统的评价是将基于模糊算法通过评委专家将定性结果转化为等效定量的评价方法。通过模糊数学方法对煤层气压缩机组系统各指标完整性要素进行全面评估，将定性的反映煤层气压缩机组系统的结构及效果，进行定量的分析，更好的反映现场实际。模糊层次分析评价法将层次结构中各因素指标权重对所有专家评分结果进行初级评价，在整体评价时可由下至上逐层加权多级进行模糊评价，最后根据隶属度最大准则确定评价等级。主要步骤如下（）设定准则层评价指标的目标集（，）。（）准则层 由指标 ，构成，则指标集 ，（，）。准则层“结构完整性”指标：，动力端、压缩端 。（）然后确定煤层气压缩机完整性各指标 的权重集：，（，）。（）根据现场管理及使用人员的评价结果，建立煤层气压缩机组系统完整性评价的评语集，主观评语分 个等级，优秀（），良好（），一般（），较差（），很差（），综合评语内涵解释见表 。表 平均随机一致性指标 值 设 计 研 究 年 期（总第 期）表 评语集及评价区间值评语等级评语说明赋值 优秀认为各项性能指标达到极限，性能完美 ，良好性能指标可以接受，但仍有改进空间 ，一般性能基本可以接受，但仍需进行改进 ，较差存在有一定的问题，进行改进空间较大 ，很差存在问题较多，必须进行优化改进 ，为准确研究完整性主观评价与各评价指标的隶属程度，邀请 位业内专家参与主观评判，对各评价指标对应于整体性能的隶属度判断，采取专家评分区间的比例构成模糊评价矩阵。并以具体隶属度区间平均值作为评判各因素隶属度数值。（）专家评价通过对要素指标进行评价，得到的评价矩阵，如式 （，；，）（）各子目标第一级准则层模糊评语评判向量，由子集 构成准则层第二级评判矩阵（，），如下 （，）（，）（）（）由此得机组系统的完整性评价向量（，），构成一个模糊评价模型（，），对评价向量进行归一化处理，使得模糊评价结果更具合理性，依据最大隶属度准则取向量 最大值作为评判结果，并分析评价结论和评价要素对完整性影响。煤层气压缩机组系统完整性评价明确了煤层气压缩机组系统完整性评价的目标层、准则层及指标层并建立机组系统评价指标体系，确定影响机组系统结构完整性及性能完整性的重要程度，通过定性分析调查表并邀请专家评分，通过模糊数学算法及最大隶属度确定评价结果。多层次模糊评价的实质是对机组系统进行定性和定量分析，确定主要影响因素并赋以权重，最后根据最大隶属度确定其机组系统在基于结构完整性和性能完整性因素考虑的评价结果。机组系统各级权重确定 一级、二级权重确定考虑机组系统结构完整性、性能完整性要素准则，经过两两因素比较得到一级判断矩阵 如表 所示。同理，根据专家评分建立结构完整性因素的动力端、压缩端判断矩阵与权重如表 。建立压缩机组系统性能完整性判断矩阵及各指标权重如表 所示。三级判断矩阵及权重确定同理，经二级指标层各因素两两比较后，动力端 层考虑系统结构安全性因素的驱动电机 、曲轴结构 、轴承结构 及机体结构 建立的判断矩阵为：压缩端 层考虑系统结构安全性因素的压缩缸体 、活塞结构 、活塞杆 及连杆 、十字头 、进排气阀 及余隙系统 建立的判断矩阵为：表 一级判断矩阵及权重 结构完整性 性能完整性 权重结构完整性 性能完整性 表 结构完整性 指标 动力端 压缩端 权重动力端 压缩端 表 性能完整性 指标 冷却系统 仪控系统 润滑系统 权重冷却系统 仪控系统 润滑系统 设 计 研 究 年 期（总第 期）冷却系统 层考虑系统性能完整性因素的风冷效果 、水冷却效果 、散热管散热效果 及散热器可靠性 建立的判断矩阵为：仪控系统 层考虑系统性能完整性因素的仪控系统安全性 、仪控系统灵敏性 及仪控系统稳定性 的判断矩阵为：润滑系统 层考虑系统性能完整性因素的油品质量 、润滑效果 及油品劣化速率 的判断矩阵为：经计算，各组判断矩阵的特征值及单层次各因素权重如下：判断矩阵一致性检验为检验各指标判断矩阵是否合理，避免判断矩阵出现逻辑性错误，需要进行矩阵结果的一致性检验及总权重一致性检验，经计算判断矩阵各指标一致性比率 均小于 ，逻辑上重要程度比较具有一致性，各判断矩阵一致性比率结果如表 所示。表 判断矩阵一致性比率 模糊矩阵 一致性判断 模糊矩阵 ，符合一致性模糊矩阵 ，符合一致性模糊矩阵 ，符合一致性模糊矩阵 ，符合一致性模糊矩阵 ，符合一致性层次总排序 ，符合一致性 层次分析法确定机组系统各指标权重经计算，得煤层气压缩机组系统各级指标单层次权重集及组合权重如表 所示。模糊评价评判矩阵及隶属函数 建立模糊评价判断矩阵确定了安全评价目标、层次结构及指标权重后，根据模糊评价模型原理、专家评分及数据资料的分析和研究后，将煤层气压缩机组系统各部件的评价因素完整性情况等级量化为优秀、良好、一般、表 各级指标权重及组合权重表指标 权重指标权重指标权重综合权重结构完整性 动力端 压缩端 驱动电机 曲轴结构 轴承结构 机体结构 压缩缸体 活塞结构 活塞杆结构 连杆结构 十字头结构 进排气阀结构 余隙系统 结构完整性 冷却系统 仪控系统 润滑系统 风冷却效果 水冷却效果 散热管散热效果 散热器效果 仪控系统安全性 仪控系统灵敏性 仪控系统稳定性 油品质量 润滑效果 油品劣化速率 设 计 研 究 年 期（总第 期）较差和很差，用评判语集进行描述。选择 位专家进行评价，各评价指标对应于整体性能的隶属度进行判断，根据对应得分区间等级建立模糊评价矩阵。动力端模糊评价矩阵：压缩端模糊评价矩阵：冷却系统模糊评价矩阵：仪控系统模糊评价矩阵：润滑系统模糊评价矩阵：确定模糊评价隶属度值煤层气压缩机组系统完整性评价指标层各因素对应的模糊矩阵为，指标层各因素对应的权重为则各指标层模糊评价结果为：确定模糊评价结果综合煤层气压缩机组系统完整性评价对应各因素模糊评价结果，得压缩机组系统一级、二级评价层的综合评价结果。压缩机组系统结构完整性 评价结果为：压缩机组系统性能完整性 评价结果为：设 计 研 究 年 期（总第 期）煤层气压缩机组系统完整性综合评价结果为：结果归一化处理得：对照评语集等级赋值按照百分制评分结果为 评价结果分析针对煤层气压缩机组各因素采用多层次模糊评价模型对其结构完整性与性能完整性指标进行评价，结合层次分析法确定各因素权重及模糊评价最大隶属度原则，机组系统模糊评价矩阵最大隶属度值为 ，评价结果为良好；结构可靠性准则层模糊评价矩阵最大隶属度值为 ，评价结果为良好；机组系统性能完整性准则层模糊矩阵最大隶属度值为 ，评价结果为良好。二级评价指标中冷却系统评价最大隶属度值为 ，评价结果为一般，其余二级指标评价结果为良好。综合考虑系统结构完整性与性能完整性因素评价结果，结合评语集赋值综合考虑完整性评价结果为 ，评价结果为良好。结论考虑煤层气压缩机组系统结构完整性与性能完整性因素，根据多层次模糊评价模型对煤层气压缩机组各系统进行完整性评价，建立定量评价体系。层次分析法构建各级评价准则并确定权重，根据模糊数学算法的模糊评价、层次分析、综合评语集及最大隶属度原则，建立煤层气压缩机组系统的完整性评价体系。通过案例对临汾延川某气田煤层气压缩机组系统评价，机组结构完整性评价结果良好，性能完整性评价结果良好，性能评价指标冷却系统评价结果为一般，其余指标评价结果为良好。机组系统整体完整性评价结果为 ，评价结果良好。该站场机组冷却系统效果不太满意，整体评价结果及各指标项评价结果与现场实际吻合度较好。多层次模糊评价模型对煤层气压缩机完整性评价方法可为油气单位在安全管理、高效使用等方面提供可靠有效的评估。参考文献：徐凤银，王勃，赵欣，等“双碳”目标下推进中国煤层气业务高质量发展的思考与建议 中国石油勘探，（）：高慧，冯春，朱心广，等 基于连续 非连续元三维煤层气压裂开采分析 山东大学学报（工学版），（）：李鑫 构造对深层煤层气井产能的控制研究 油气藏评价与开发，（）：章朋，孟雅，刘超英，等 煤层气井排采中煤储层稳定性分析方法与应用 以郑庄区块为例 煤炭学报，（）：冯玉龙，周林元，王乾，等 基于多层次模糊数学法的煤层气井产能综合评价模型 煤田地质与勘探，（）：童亮，董超群，田芳，等 煤层气压缩机压缩温度对机组性能影响研究 石油机械，（）：董超群，梁政，唐伟，等 天然气压缩机活塞杆失效机理及疲劳寿命分析 机械设计，（）：董超群，梁政，田家林，等 天然气压缩机组用燃气发动机故障诊断技术分析 北京工业大学学报，（）：孔豫豫，范灵鹏 基于道化学的煤层气开采增压站内压缩机评价 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