基于模糊层次分析法的煤层气压缩机冷却系统完整性评价

金鑫，魏长吉，蔡少辉，宋关伟，董超群,，邱奎

（1.中国石油化工股份有限公司华东油气分公司，南京 210019；2.中国石油化工股份有限公司临汾煤层气分公司，山西临汾 041000；3.重庆科技学院，重庆 401331）

0 引言

煤层气是我国重要的非常规油气资源，储量丰富，随着“双碳”政策的实施，清洁能源需求量迅速增加[1-2]。往复式压缩机是煤层气开采的重要动力设备，通常将其布置于压缩机棚区，机组压缩缸、管线散热不畅，冷却系统效果不佳[3]。现场多采取水冷、风冷或水冷加风冷制冷方式，虽然一定程度上降低了温升，但也给机组冷却系统（包括水泵、风机及散热器等）设备的安全性带来隐患[4]。现场对机组的管理为定期维修，冷却系统的管理大多采取事故后评价的方法，或对其定性分析，从管理及使用者的角度没有适当的定量评价方法[5]。本文基于模糊层次分析的评价方法对压缩机组在考虑多因素、多结构评价准则基础上，建立了机组冷却系统的完整性评价方法。

模糊层次分析法通过建立不同层次的评价准则将复杂问题分解，将元素间相对重要性量化为判断矩阵，将权重整合到整体目标层，建立模糊分析定量评价方法。但由于评价人员主观经验及数据的局限性，模糊数学理论将定性分析进行量化处理[6]。本文针对煤层气压缩机冷却系统结构进行完整性评价，将冷却系统各因素对安全性的影响权重，采用基于模糊层次分析法的评价方法建立冷却系统的完整性评价，以期为油气田单位完整性管理提供参考。

1 压缩机冷却系统评价体系

1.1 机组冷却系统评价方法

煤层气压缩机结构多采用整体式或分体式，结构复杂、易损件多，冷却系统多采用风冷加水冷的方式。冷却系统结构包括水泵、风机叶片、散热器及曲轴等关键件，也包括水管、水池及各种阀门等结构，缺少系统的安全性评估评价方法。本文利用模糊综合评价的方法建立机组冷却系统完整性评价体系，用层次分析法对机组冷却系统全要素指标进行分解，按照不同要素进行分类，以专家评分及调查问卷数据为依据，参照压缩机冷却系统性能评价标准、测试标准、现场维修维护及使用效果的认识，建立机组冷却系统的评价准则，利用模糊综合评价建立其冷却系统的完整性评价体系。

1.2 机组冷却系统评价指标确定

通过层次分析法将冷却系统完整性评价指标分成A、B、C三层，以确定各指标权重，指标体系如图1所示。

图1 煤层气压缩机冷却系统完整性评价层次

1）目标层A。层次分析法最终目标层，即煤层气压缩机冷却系统完整性安全评价体系。2）准则层B。为煤层气压缩机完整性评价要考虑的准则要素，结合整体系统安全、结构安全及效率效果三项准则，建立评价过程要考虑的主要评价依据。3）指标层C。为评价过程中各类具体指标，根据机组冷却系统完整性评价全要素要求，确定“结构安全”等4项系统安全要素集；“水泵结构可靠性”等4项结构可靠性要素集；“水冷效果”冷却效果要素集，以此建立煤层气压缩机冷却系统安全完整性评价层次结构。

2 评价指标权重确定

采用层次分析法确定煤层气压缩机冷却系统（简称“冷却系统”）权重，在完整性评价基础上同级指标两两比较，建立比较矩阵，同时对矩阵进行单排序、各层次结果一致性检验，以此构成各项指标的比较权重。

2.1 判断矩阵的确定

本文采用1～9标度量法确定各层指标重要度判定。10位专家分别现场评分，标度取值表如表1所示，同层次指标两两比较得判断矩阵。

表1 判断矩阵标度及其含义

2.2 层次分析法层次单排序

2.3 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，第k层组合权重wk由本层相对权重Rk与上层组合权重wk-1的乘积求得[8]，即

总权重也需要进行多层次组合的一致性检验[9]。第k

3 模糊综合评价原理

煤层气压缩机冷却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。通过模糊数学对煤层气压缩机冷却系统各指标完整性要素进行全面评估，定性地反映煤层气压缩机冷却系统的结构及效果，进行定量地评价。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：

1）设定准则层评价指标的目标集U={U1，U2，…，Un}。

2）准则层指标集Ui={ui1，ui2，…，uik}，（i=1，2，…，n）。以准则层“系统安全性”指标为例：Ui={ui1，ui2，…，uik}={结构安全、冷却工质安全、控制系统安全、气质安全}。

3）然后确定煤层气压缩机完整性各指标ui的权重集wi={wi1，wi2，…，wik}，i=1，2，…，n。

4）建立煤层气压缩机冷却系统完整性评价评语集，评语分5个等级，V={V1，V2，V3，V4，V5}={十分满意V1（ ）,满意V2（ ）,一般V3（ ），较差（V4），很差（V5）}，综合评语内涵解释如表2所示。

表2 评语集及等级赋值

10位专家参与研究评价指标的隶属程度，给出具体隶属度平均值，作为隶属度数值。

5）专家评价通过对要素层指标的评分进行评价，得到Ui的评价矩阵Ri为

7）冷却系统完整性评价向量A＝B·W=（b1，b2，…，bn），构成一个综合评价模型（A，V，R，W），依据最大隶属度准则取向量A最大值作为评判结果。

4 煤层气压缩机冷却系统完整性评价

明确煤层气压缩机冷却系统完整性评价目标层、准则层及指标层，建立冷却系统评价指标体系，确定影响冷却系统安全的重要因素，经专家评分，确立模糊数学模型及最大隶属度原则，得最终评价结果。模糊层次分析法实质是对冷却系统进行定性和定量分析，确定主要影响因素并赋以权重，根据最大隶属度确定冷却系统基于安全、可靠及冷却效果的评价结果。

4.1 冷却系统各级权重确定

考虑冷却系统的安全性、结构可靠性及冷却效果三要素的准则，经过两两因素比较得到一级判断矩阵B为

同理，经二级指标层各因素两两比较后，C1层系统安全性判断矩阵、C2层次结构可靠性判断矩阵、C3层冷却效果指标的判断矩阵分别为：

判断指标矩阵经计算并进行一致性检验，得系统安全性、结构可靠性及冷却效果对上一层的单层权重为WB，二级指标各判断矩阵考虑要素的权重分别记为Wc1、Wc2和Wc3：

4.2 模糊综合评价

邀请10位专家评价各指标对应于整体性能的隶属度，并给出具体隶属度平均值，作为最终各因素隶属度的数值，如表3所示。

由表3可知，C1层煤层气压缩机冷却系统整体性能的模糊矩阵为

表3 各因素对应隶属度值

式中：C1为系统安全指标的模糊评语矩阵；B1为冷却系统安全性指标的权重集；R1为冷却系统中系统安全性指标对应的模糊判断矩阵。

C2层煤层气压缩机冷却系统整体性能模糊矩阵为：

式中：C2为结构可靠性指标的模糊评语矩阵；B2为冷却系统结构可靠性指标的权重集；R2为冷却系统中结构可靠性指标对应的模糊判断矩阵。

C3层各因素对应煤层气压缩机冷却系统整体性能的模糊矩阵为

将结果归一化处理得

对照评语集等级赋值按照百分制评分结果为

4.3 评价结果分析

根据模糊综合层次分析法评价结果及最大隶属度原则，冷却系统的系统安全性准则层最大隶属度值为0.377，评价结果为满意；结构可靠性准则层模糊评价矩阵最大隶属度值为0.406，评价结果为满意；冷却系统冷却效果准则层模糊矩阵最大隶属度值为0.44，评价结果为满意。综合考虑系统安全性、结构可靠性及冷却效果各因素总体模糊判断矩阵最大隶属度值为0.4，评价结果为满意，根据评语集赋值综合考虑完整性评价因素得分75.5，结果评价满意。

5 结语

考虑煤层气压缩机冷却系统安全性、可靠性及冷却效果，结合模糊综合层次分析法评价理论建立定量评价体系。根据层次分析法构建因素权重，采用模糊评价、层次分析、综合评语集及最大隶属度原则，建立了煤层气压缩机冷却系统的完整性评价体系，将现场比较模糊的评价指标通过专家评分方式转化为定量评价。通过案例分析对某气田煤层气压缩机冷却系统评价，得系统安全性、结构可靠性及冷却效果评价结果为满意，冷却系统整体完整性评价结果为75.5分，根据评语集及最大隶属原则评价结果为满意，与现场实际吻合度较好。