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1、精选优质文档-倾情为你奉上油气储运2005年设计计算天然气长输管道设计方案综合评价系统3文涛33汪玉春(西南石油学院郭怡(中石化西南分公司川西采输处文涛汪玉春等:天然气长输管道设计方案综合评价系统,油气储运,2005,24(81014。摘要在总结已有的用于输气管多方案综合评价方法的基础上,构建了一个完整的输气管道设计方案综合评价系统,其步骤是,结合层次分析法(AHP 的研究成果,解决了模糊综合评价中工艺参数和经济指标的权重取值问题,完善了模糊综合评价法;采用效用函数法和密切值法对输气管设计方案集进行综合评价,引入最大兼容度概念对评价方法再进行综合评判,采用最大兼容度模型得到兼容多种评价方法的排
2、序结果,以此作为最终的输气管设计方案优选结果。算例分析表明,该系统能够优选出既满足工艺要求,又经济合理的输气管最佳方案,具有一定的实用价值。主题词输气管道设计方案优化综合评价系统一、构建输气管道设计方案综合评价系统的必要性天然气长输管道工程具有高技术、高投入、高风险的特点,对各工程方案进行科学决策非常重要。自20世纪90年代以来,随着模糊集合论、灰色理论和物元分析的引入,形成了一套比较完善的用于油气管道设计的多方案综合评价方法。总结这些方法主要有17灰色关联分析法、灰色物元分析法、模糊物元分析法、灰色多目标局势决策法、模糊物元局势决策法以及层次分析法(AHP 等。综合比较这些方法,灰色物元分析
3、和模糊物元分析是在灰色关联法和模糊综合评价的基础上引入了物元概念,在算法上实际是相通的。而对于多目标局势决策,其在算法上有一定改进,但是方法本身计算比较复杂。层次分析法计算过程也较复杂,但是在权重确定上有其可取之处。输气管道工程是一个复杂而多变的系统工程,评价结果是否符合工程实践,需要考虑许多因素,只用一种评价方法来判断设计方案的优劣在某些情况下是不够全面的。只有同时采用多种评价方法来进行综合分析,才能选取符合工程实际的最优方案。但是不同方法的方案优选结果都有一定的差异,如何把多种评价方法的方案优选结果兼容起来,使之最大限度地体现各种评价方法的结果和优点,是一个值得研究的问题。根据这个思路,在
4、三个方面进行了探索,一是结合层次分析法的权重分析成果对模糊综合评价进行了改进;二是在对现有评价方法综合研究的基础上,提出了用于天然气长输管道多方案综合评价的效用函数法8和密切值法9两种新方法;三是引入兼容度10的概念,采用最大兼容度法对灰色关联法及以上三种方法进行再评价,对输气管道设计方案集做到优中选优。通过以上研究,构建了一个较完整的输气管道设计方案综合评价系统,见图1。3四川省高校重点学科建设资助项目,编号:SZ D0416。,四川省成都市新都区;电话:(。01图1输气管道设计方案综合评价系统框图二、输气管道设计方案的模糊综合评价采用模糊综合评价对输气管设计方案集进行综合评判涉及权重的概念
5、,而对天然气长输管道指标体系的权重分析,因为经济指标和工艺参数的重要程度本身就是一个模糊的概念,再加上各指标之间还存在着复杂的相互作用关系,所以解决起来较为困难。利用文献7和文献9层次分析法的权重分析结果,在一定程度上解决了原方法中权重取值问题。按照图2的构造层次分析图对输气管道各个指标的关系进行分析,“最优设计方案”属于目标层;“管道工艺参数”和“管道经济参数”属于参数层;最底层属于指标层。1、“管道设计参数”目标层和其下的工艺参数的权重分析在天然气长输管道建设中,管道和压缩机站的投资一般占工程建设投资的绝大部分。管道投资的多少由管径的大小决定,而压缩机站站数会对工程建设投资产生重大的影响,
6、并且会直接决定管道建成后的运行费用。由此可见,相对于其它工艺参数,管径和压缩机站站数非常重要。结合工程实际,按照AHP法7,9步骤构建的“管道设计参数”目标层和其下的工艺参数的权重矩阵为:231=(0.3846,0.0769,0.0769,0.0769,0.38462、“经济技术参数”目标层和其下的几个参数之间的权重分析总折算费用相对于其它经济参数非常重要,该“经济技术参数”目标层和其下的几个参数的权重矩阵为:232=(0.125,0.125,0.125,0.625于是可以得到指标层和“最优设计方案的确立”目标层的权重为:131=(0.1923,0.03845,0.03845,0.03845,
7、0.1923132=(0.0625,0.0625,0.0625,0.3125代入模糊综合评价的从优隶属度计算公式:b j=nk=1krk j(1式中rk j各方案各种指标的隶属度。 文献3和文献4给出了具体计算步骤。图2输气管道设计方案各指标AHP权重层次图三、输气管道综合评价的新方法1、效用函数法8(1基本原理效用函数法类似于线性加权法,但它不采用直接对目标加权的方式,而是将目标值转化为效用值之后,再进行加权,并构成一个新的综合的单目标函数,直接利用效用函数来获取目标的等价效用值的方法,被称为效用函数法9。(2在输气管道综合评价中的应用对于输气管道评价指标体系,工艺参数指标有管径、输送压力、
8、首站压比、中间站压比和压缩机站站数;经济参数有管道投资费、建站投资费、操作经营费和年折合费。对这些指标采用式(2进行无量纲化处理:uij=a ijm ax1ima ij1+m in1ima ijm ax1ima ij(i=1,2,m;j=1,2n(211第24卷第8期文涛等:天然气长输管道设计方案综合评价系统式中a ij 第i 个方案的第j 个指标值;m 方案数目;n 指标数目。结合工程实际,在天然气长输管道指标体系中,工艺参数指标在管道强度约束,水力约束满足的条件下,输送压力越高越好,而其他工艺参数指标都是越小越好。对于经济指标,显然是越小越好。各方案的效用函数值采用下式计算:U j =mi
9、 =1iu ij(3式中i 各指标的权重系数(见“输气管道设计方案的模糊综合评价”部分的权重分析。在效用函数的定义下,效用函数值越大,方案越优。2、密切值法密切值法是由距离法改进而来的,它的基本思想是,先找出关于方案集(决策点的“最优点”和“最劣点”,然后找出尽可能接近“最优点”而远离“最劣点”的决策点,即所寻求的“满意方案”。密切值法的指标体系与效用函数法在输气管道中的应用相同,也是由5个管道工艺参数指标和4个管道经济参数指标构成,其计算步骤如下。(1规范化指标矩阵b ij =a ij (当指标值为正向指标-a ij (当指标值为逆向指标(4正向指标是指值越大越好的指标,逆向指标是指值越小越
10、好的指标。对于输气管道评价指标体系,各项指标的具体分类无论是效用函数法,还是密切值法都是一致的。可令为:u ij =b ijm k =1b2ij12(5(2求方案集的“最优点”和“最劣点”令:m ax 1i mu ij =u +j ,m in1i mu ij =u -j(3求各方案的“密切值”,并选取“满意方案”C i =d +i d+-d -i d-(6d +i= nj =1a2ju ij -u +j212d -i =nj =1a2ju ij -u-j212d +=m in1i md+i d-=m ax 1i md -i(7在密切值法定义下,密切值最小的方案为“满意方案”。四、用最大兼容度法
11、评价输气管道设计方案1、兼容度概念10以(h +1为评价方法的数量,m 为方案数目,则对某个指标评价体系,可以得到(h +1种排序结果。根据多元统计分析理论,等级相关系数算式如下:r ij =1mmk =1a (i k -a -(i a (j k -a -(j 1mmk =1a (i k-a-(i 21mmk =1a (j k-a-(j 2=1-6m (m2-1mk =1a (i k-a (j k2(8在式(8中,a i k表示第k 号方案在第i 种方法下的评价结果,a-(i 为aik的平均值,其可以度量第i,j 两个评价方案a ik 和a jk 之间的相关程度。而某个评价方法的兼容度,是指该
12、方法与其它评价方法的等级相关系数的加权平均值。r y =1hh j =1ry j(9显然,若每种评价方法相对独立,则兼容度越大,其评价方法的代表性越强,可靠性越高,它在兼容度概念下也就越好。2、最大兼容度评价模型根据文献10,采用式(10计算各方案在最大兼容度模型下的最终排序值,再根据计算结果按递增规律得到最终的方案优劣序号。y k =1h +1h +1j =1a(j k(k =1,2,m (103、兼容度法在输气管道方案评价中的应用先对输气管道各设计方案的工艺、经济计算方案采用单一评价方法进行评价,得到多个排序结果,再引入兼容度概念对各评价方法进行综合评判,根21油气储运2005年据计算得到
13、的兼容度值,可以大致掌握各种方法对当前输气管道工程的适用性,然后采用最大兼容度评价模型计算,得到最终的兼容多种评价方法优点的最优天然气长输管道设计方案排序结果。4、应用最大兼容度模型的工程意义作为工程技术人员,其理论成果必须要结合工程实际,为工程实践服务。最大兼容度模型不仅可以科学评判某种评价方法对于某个具体工程情况的适用性,而且还可以综合各种评价方法的结果,得出更全面、更适合于工程实际的输气管道最优设计方案。另外,通过对多种评价方法获得的评价结果进行再评价和再综合,从中可以直观地看出某具体工程情况下的最优方案、最劣方案以及中间方案的分布趋势,对工程设计具有显著的指导作用。五、算例设计一条长为
14、km,任务输量为8108 m3/a的输气管道,天然气在处理厂的出厂压力为5.88MPa,全线终点压力(城市配气站进站压力不低于0.98MPa,天然气相对密度为0.6。通过经济计算,得到36个方案1。对上述工艺设计方案和经济计算结果分别采用灰色关联法、模糊综合评价、密切值法和效用函数法进行评价计算,其中灰色关联法计算结果引用文献1的计算结果值,并采用最大兼容度模型对以上4种方法的评价结果进行兼容计算,得到最终的方案排序结果,其中灰色关联度、从优隶属度和效用函数值为越大越好,密切值为越小越好,从而得到4种评价结果,最后一列为采用最大兼容度模型得到的最终排序结果,见表1。从表1可以看出排序前两位的是
15、方案3和方案4,具体参数见表2。表2的结果与工程实际基本吻合,在处理厂的出厂压力较高(5.88MPa的情况下,充分利用这个压力输送显然是比较合理的选择,这4种方法的兼容度计算结果见表3。表1某输气管道工程设计方案集评价结果方案编号评价排序关联度从优隶属度密切值效用函数值最大兼容度最终排序评价结果关联度从优隶属度密切值效用函数值最大兼容度计算结果0.6590.649 1.2340.70320.75 .7270.6600.0100.8197.75 .7700.6560.2460.882 4.50 .8020.6550.6360.909 5.00 .6460.6490.6260.79616.75 .
16、7020.6500.2990.8708.00 .7430.6510.6470.903 6.25 .7290.871 3.4120.89310.50 .6680.6440.4340.85811.25 .7150.6480.6660.8979.00 .7130.871 3.4120.89311.75 0.6450.78610.1010.78622.75 50.5900.612 2.2740.63530.50 0.6590.6220.5740.78719.00 60.6710.6140.8270.81518.00 166*.7220.603 1.9310.86317.00 10.5860.611 1
17、.2010.76326.75 70.6030.606 1.0960.79724.00 20.6660.606 1.9710.85720.75 0.6610.6007.7780.80419.00 60.5500.797 2.2690.73931.75 40.5700.600 1.5810.77830.00 80.6410.598 2.0170.85124.25 0.6460.5977.7780.80420.75 .7050.797 1.2730.72216.75 0.6820.6810.4270.80812.25 0.6870.6510.6320.83513.00 50.6850.641 1.3
18、320.85217.0031第24卷第8期文涛等:天然气长输管道设计方案综合评价系统续表1方案编号评价排序关联度从优隶属度密切值效用函数值最大兼容度最终排序评价结果关联度从优隶属度密切值效用函数值最大兼容度计算结果40.6080.621 1.1630.78322.25 90.6170.6400.9790.81519.25 00.6220.632 1.4720.84720.00 90.6290.629 3.1100.85624.50 30.5710.599 2.3790.75829.00 00.5830.628 1.6080.79625.50 60.5920.623 1.7090.83323.2
19、5 20.6050.623 3.2040.84827.25注为灰色关联法计算结果;为模糊综合评价计算结果;为密切值法计算结果;为效用函数法计算结果;为最大兼容度法计算结果。表2最优设计方案工艺及经济参数原方案号管径(mm壁厚(mm输送压力(MPa首站压比中间站压比站数(座管道投资费用(元/(kma建站投资费用(元/(kma经营管理费用(元/(kma折合费用(元/(kma3457.06 5.88 1.00 1. 4478.06 5.88 1.00 1.2表3兼容度计算结果灰色关联效用函数密切值法模糊综合0.80920.79120.77060.7640表3的计算结果表明,在本算例中灰色关联法在兼容
20、度概念下具有较好的适用性和可靠性,其他几种方法次之。这个结论通过观察表1数据也可以清楚地看出,即灰色关联法的评价结果和最大兼容度法的结果最接近,然后依次是效用函数法、密切值法和模糊综合评价法。六、结论算例计算结果表明,各种评价方法对于某个天然气管道工程具有不同程度的适用性。在本算例中除了采用最大兼容度法评价外,采用灰色关联法评价也能取得较好的评价效果。比较而言,灰色关联法是比较理想的一种评价方法,而如果单独采用模糊综合评价或者密切值法进行评价,效果则不太理想。对于天然气长输管道设计,应按照以下步骤进行。(1优化设计提出方案。(2采用多种评价方法进行评价排序。(3对多种方法采用最大兼容度概念进行
21、综合评价,以综合各方法的排序结果作为最终的方案评判结果,所有的过程构成了输气管道设计方案综合评价系统。参考文献1,汪玉春:输气管优化设计新方法,天然气工业,1993,13(6。2,肖芳淳:灰色物元分析在优选油气管道设计方案中的应用,油气田地面工程,1996,15(1。3,肖芳淳:天然气管网系统输送方案模糊物元优选法,油气田地面工程,1997,16(5。4,肖芳淳:模糊物元评价法的研究,油气田地面工程,1997, 16(11。5,宋东昱肖芳淳等:多目标灰色局势决策在油气管道设计中的应用,石油学报,1994,15(1。6,肖芳淳:油气管道设计中多目标模糊物元局势决策,油气田地面工程,1996,15
22、(7。7,刘武:基于层次分析法的天然气长输管道设计优选,石油规划设计,2002,13(5。8,郭亚军:综合评价理论与方法,科学出版社(北京,2002。9,王登赢:多目标决策方案优选的密切值法,系统工程,1989(1。10,傅荣林等:兼容多个综合评价方案及其分类的数学模型,系统工程学报,1999,6(2。11,Q in Shoukang:The W eighted Vect or A lgorithm s in One Pers on and One Criteri on,Pr oceedings of The Fifth I nternati onal Sy mposium on The An
23、alytic H ierarchy Pr ocess,Kobe,Japan,1999.12,Zabeh L A:Fuzzy Sets,I nf or mati on and Contr ol,1987(8.(收稿日期:编辑:刘春阳41油气储运2005年60 油 气 储 运 2005 年 作 者 介 绍 熊 辉 助理工程师 , 1977 年生 , 2000 年毕业于西南石油学院油气储运专业 ,现在中国石油管道公司科技中 心储运工艺研究所从事储运工艺研究工作 。 马伟平 见本刊 2005 年第 4 期作者介绍 。 钟仕荣 见本刊 2005 年第 7 期作者介绍 。 文 1980 年生 , 2002
24、 年毕业于西南石油学院油气储运专业 ,现为西南石油学院研究生院油气储运专业 涛 在读硕士生 ,主要从事储运工程优化设计研究工作 。 仝兴华 博士 ,教授 , 1960 年生 , 1980 年毕业于原华东石油学院机械系力学专业 ,现任石油大学 (山东 副校 长、 中国力学学会理事和山东省力学学会副理事长 。 初飞雪 工程师 , 1971 年生 , 1999 年毕业于天津大学机械设计与理论专业 , 获硕士学位 , 现在石油大学 (北 京 油气储运工程系攻读博士学位 ,主要研究方向为油气储运系统最优化 。 陈 俊 高级工程师 , 1966 年生 , 2004 年毕业于石油大学 (北京 油气储运专业
25、,获博士学位 ,现在石油大学 (北京 石油工程学院从事油气储运的研究与生产管理工作 。 龚大利 高级工程师 , 1971 年生 , 1994 年毕业于大庆石油学院石油工程专业 ,现任中国石油天然气管道局大 庆输油气公司副经理 ,从事输油气理论研究工作 。 龚树鹏 政工师 , 1964 年生 , 1982 年毕业于河北电大企业管理专业 ,现任中国石油管道公司总经理办公室副 主任 。 李志勇 助理工程师 , 1978 年生 , 2000 年毕业于河北建筑科技学院土木工程专业 ,现在中国石油天然气管道 工程有限公司从事管道大 、 中型穿跨越设计工作 。 赵炳刚 高级工程师 , 1958 年生 , 1
26、983 年毕业于原中国石天然气管道职工学院线路工程专业 , 1995 年毕业 于石油大学 (北京 ,获工学硕士学位 ,现在中国石油天然气管道工程有限公司从事油气管道工程 项目设计 、 设计管理和工程总承包管理工作 。 于 达 副教授 , 1956 年生 , 1982 年毕业于抚顺石油学院机械专业 ,现在石油大学 (北京 从事教学与科研 工作 。 夏于飞 教授级高级工程师 , 1961 年生 , 1986 年毕业于中国科技大学应用化学专业 ,获硕士学位 ,现为中国 石油化工股份有限公司销售公司副总经理 ,从事管道管理及技术工作 。 许 铁 高级工程师 , 1959 年生 , 1985 年毕业于原
27、中国石天然气管道职工学院自动化专业 ,现在中国石油管 道公司管道科技研究中心从事节能测试工作 。 孙建华 助理工程师 , 1970 年生 , 1991 年毕业于胜利石油学校石油储运专业 , 2001 年毕业于南京大学法律 专业 ,现在中国石化管道储运分公司运销处从事输油调度管理工作 。 李海川 工程师 , 1965 生 , 1987 年毕业于大连大学工学院工业与民用建筑专业 ,现任中国石油西气东输管道 公司宁陕管理处副处长 。 赵鲁邹 工程师 , 1972 年生 , 1994 年毕业于石油大学 (山东 石油储运专业 ,现在华东管道设计研究院工作 。 鲍时付 工程师 , 1974 年生 , 1998 年毕业于成都理工学院信息工程专业 ,现在中国石化管道储运分公司黄岛 油库从事输油生产技术管理工作 。 专心-专注-专业