天然气管道设计方案综合评价系统

peonutpedro

  天然气管道设计方案综合评价系统



　　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，该系统能够优先出既满足工艺要求，又经济合理的输气管最佳方案，具有一定的实用价值。

　　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，灰色物元分析和模糊物元分析是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外。
　　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和密切值法两种新方法：三是引入兼容度的概念，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。







　　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，而对天然气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。




图2 输气管道设计方案各指标AHP权重层次图



　　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，并且会直接决定管道建设后的运行费用。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：

　　ω231＝（0.384 6，0.076 9，，0.076 9，，0.076 9，0.384 6）

　　2、“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：

　　ω232＝（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：

　　ω131＝（0.192 3，0.038 45，0.038 45，0.038 45，0.192 3）

　　ω132＝（0.062 5，0.062 5，0.062 5，0.312 5）

　　代入模糊综合评价的从优隶属度计算公式：

　　

　　式中rkj——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。

　　三、输氧管道综合评价的新方法

　　1、效用函数法

　　（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。

　　（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、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：

　　

　　式中 aij——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：

　　

　　式中 ωi——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

　　　　

　　正向指标是指值越大越好的指标，逆向指标是指值越小越好的指标。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：

　　　　

　　　　（2） 求方案集的“最优点”和“最劣点”

　　　　令：

　　　　

　　　　（3） 求各方案的“密切值”，并选取“满意方案”

　　　　

　　　　

　　在密切值法定义下，密切值最小的方案为“满意方案”。

　　四、用最大兼容度法评价输气管道设计方案

　　1、 兼容度概念

　　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：

　　

　　

　　

　　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。

　　

　　3、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，根据计算得到的兼容度值，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作实际，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780km，任务输量为8×108m3/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（城市酸气站进站压力）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。

　　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种方法的一应俱全结果进行兼容计算，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，密切为越小越好，从而得到4种评价结果，最后一旬为采用最大兼容度模型得到的最终排序结果见表1。



表1 某输气管道工程设计方案集评价结果





　　注 ①为灰色关联法计算结果；②为模糊综合评价计算结果；③为密切值法计算结果；④为效用函数法计算结果；⑤为最大兼容度法计算结果。

　　从表1和序表1可以看出排序前两位的是方案3和方案4，具体参数见表2。



表2 最优设计方案工艺及经济参数




　　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个方法的兼容度计算结果见表3。



表3 兼容度计算结果





　　表3的计算结果表明，在本算例中灰色关联法在兼容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。