基于AHP-VIKOR的储罐VOCs减排措施分析＊

王 旭 张 杰 何 兴 付明福 许 野 李 薇

(1.华北电力大学区域能源与环境系统优化教育部重点实验室；2.国家管网集团西部管道有限责任公司)

0 引 言

石化行业VOCs排放量占我国工业VOCs排放量的21%，是最主要的排放源[1-2]。储罐蒸发损耗是油品储运中最大的排放源，占总排放量的56.4%[3]。VOCs从油库储罐中散逸到大气不但会造成油气资源的浪费，同时也会导致油品质量的下降[4]。因此，针对储罐的VOCs减排工作以及相关治理技术的选择尤为重要。

由于评价VOCs控制技术考虑的因素较为复杂，目前针对VOCs控制技术的选择尚未有完善的评价指标体系。张亚青等[5]基于熵权法和层次分析法对化工行业的VOCs控制技术进行综合评价，得出催化燃烧技术在环境和经济方面具有明显优势。田静[6]基于层次分析法构建了包含技术层、经济层、环境层和管理层的VOCs控制技术综合评估体系，得出吸附-催化燃烧技术具有显著的优势。李佳羽等[7]建立基于熵权法与层次分析法相结合的模糊综合评价模型，对9种VOCs末端治理技术进行综合评价，得出吸附技术在治理技术方面优势突出。根据油库的实际状况对不同的源头控制技术进行综合评价，选择最佳的控制技术是十分必要的。层次分析法(AHP)是最为常用的评价方法，应用较为广泛。而直觉模糊多属性决策方法(VIKOR)得到的是带有优先级的折中解[8]，通过确定各个方案与正、负理想的距离来确定方案排序，在获得妥协方面具有很强的优势[9]。AHP-VIKOR(层次分析法—直觉模糊多属性决策方法)已被应用于许多领域，Wang等[10]基于模糊AHP-VIKOR方法对农业废物的处理技术进行排序。Shahnazari等[11]基于AHP方法和VIKOR方法对有机堆肥方法进行排序。

罐区VOCs源头控制的主要措施是通过提高设备的自动化程度以及密封性，减少VOCs的散逸。常见的VOCs排放源头控制措施包括喷涂防腐涂料[12]、安装水喷淋[13]、安装隔热层、二次密封改造[14-15]、安装自动测温装置、增加罐顶互联蒸汽平衡系统[16]和控制储罐进出料温差，具体如表1所示。

表1 VOCs排放源头控制措施

本文主要研究在VOCs排放控制中油库储罐的源头控制技术的选择，从技术性、经济性和环保性三个方面构建评价指标，通过AHP方法确定各指标的权重，运用VIKOR多目标决策方法进行综合排序，建立油库储罐VOCs源头控制综合评价指标体系。根据某油库储罐的实际情况对源头控制技术进行多属性评估和排序，选择最适合的源头控制措施。

1 储罐VOCs源头减排措施综合评价模型

1.1 评价指标的选择

VOCs源头减排措施综合评价指标的构建需要满足系统性、科学性、可操作性和实用性的原则。基于以上原则，结合文献调研和油库储罐VOCs排放特征和治理状况，从技术、经济和环保三个方面选取评价指标，具体指标如表2所示。

表2 罐区VOCs源头减排措施评价指标体系

1.2 综合评价模型

1.2.1 评价指标权重

AHP方法根据分析对象的数据性质，将决策过程层次化、系统化呈现，建立体系和结构清晰的指标评价体系方法[17]。层次分析法通过结合文献和实地调研，咨询相关专家，根据专家提供的信息判断各指标因素的相对重要性，主要步骤如下。

1)构造判断矩阵。Ci、Cj(i，j=1，2，…，n)表示元素。Cij表示Ci对Cj的相对重要性数值，并由Cij组成判断矩阵A。判断矩阵标度定义如表3所示。

(1)

表3 判断矩阵标度定义

2)计算重要性排序。根据判断矩阵，求出其最大特征根λmax所对应的特征向量ω。所求特征向量ω经归一化，即为各评价因素的重要性排序，即评价因素的权重。

Aω=λmaxω

(2)

3)一致性检验。通过一致性检验判断权重分配是否合理，检验公式如下所示。

CR=CI/RI

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

式中：CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵的一般一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，RI值参见表4；n为影响因素个数。

表4 平均随机一致性指标

当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵做适当修正。

1.2.2 VIKOR方法

VIKOR方法通过确定各准则下的正理想解和负理想解，再根据各个方案的评价指标与正理想解的接近程度，在可接受优势和决策过程稳定的条件下对方案进行排序。VIKOR方法的评价步骤如下[18]：

2)确定被评价对象的群体效益值Si和个体遗憾值Ri：

(5)

(6)

式中：ωj为各评价准则的权重，fij为各个备选方案下在相应评价准则下的评价值。

3)计算各个方案产生的利益比率值Q，以便对备选方案进行排序。

Qi=v(Si-S*)/(S--S*)+
(1-v)(Ri-R*)/(R--R*)

(7)

式中：S*=minSi，S-=maxSi，R*=minRi，R-=maxRi，v是群效用权重。

4)根据Qi、Si和Ri的值对被评价对象进行排序。当满足以下两个条件时，可根据Qi的大小排序，Qi值越小，第i个被评价对象排序越靠前。

条件1：Q(a(2))-Q(a(1))≥1/(J-1)

式中：a(1)表示根据Q值排序得出的最优方案，a(2)表示根据Q值排序得出的第二个方案，J为备选方案数目。

条件2：可接受的决策可行度。排序第一的方案的S值或者R值必须同时比排序第二的S值和R值表现好。当有数个方案时，则需要依次比较各方案之间是否符合条件2。

2 案例分析

2.1 案例概况

以某石化项目储油库为例，基于AHP-VIKOR方法对储罐的源头治理措施进行分析和排序，得出针对该储罐最适合的源头治理措施。选择常用的储罐源头治理措施：填涂防腐涂料、安装水喷淋、安装隔热层、二次密封改造、安装自动测温装置、增加罐顶互联蒸汽平衡系统和控制储罐进出料温差7种控制措施，从技术(A1)、经济(A2)和环保(A3)三个方面进行分析评价。建立如图1所示指标评价体系。

图1 储罐VOCs源头减排措施综合评价指标体系

2.2 AHP法求解权重

以储油库中10×104m3的储罐为例，结合资料查询、储罐的实际状况和专家打分的结果，对候选的源头控制措施进行排序。

基于AHP法计算得到各评价指标的权重值，其结果如表5所示。从结果中可以看出，小时处理量和处理效率在评价指标中所占的权重较大，权重均为0.200 49，可见控制措施的技术性对控制措施的选择具有较大的影响。操作人员技术水平权重占比最低，权重为0.011 84。随着工作人员整体素质和安全意识的提高，安全隐患和操作水平的重要程度降低。

表5 基于AHP法的储罐源头控制措施评价指标的权重

2.3 综合技术评价结果

根据计算得到的评价指标的权重，通过VIKOR法计算得到不同的储罐VOCs源头控制措施的综合评价值，其结果如表6所示。根据以上结果可知，该储罐的源头控制措施的综合评估优越度排序为：安装水喷淋>二次密封改造>安装隔热层>填涂防腐涂料>控制储罐进出料温差>安装自动测温装置>增加罐顶互联蒸汽平衡系统。

表6 基于VIKOR方法的某油库储罐源头控制措施的综合评估和排序

油库地区夏季天气炎热，容易导致VOCs排放量增加，因此降温措施排在前列。其中，水喷淋措施不仅在白天通过流水带走顶板和壁板吸收的太阳辐射热，对罐顶及罐壁进行喷淋降温，而且能降低油面温度及其昼夜温度的变化幅度。考虑到二次密封改造可以有效降低阀门附件的VOCs逸散量，排名比较靠前。现场调研和检测结果显示，该油库绝大多数储罐的锈蚀程度为中锈，容易导致VOCs排放量增加，因此，喷涂防腐涂料的措施排名比较靠前。储罐的涂料不仅能起到防腐作用，还可以降低储罐温度。根据综合评价结果，安装水喷淋、二次密封改造和安装隔热层是针对该储罐的实际状况推荐的最适合的源头控制措施。

3 结 论

总结了油库储罐VOCs源头控制措施，从技术性、经济性和环保性三个方面构建评价指标体系，并通过AHP-VIKOR综合评价模型对源头控制措施进行排序。储罐VOCs源头控制措施的综合评价结果为：安装水喷淋>二次密封改造>安装隔热层>填涂防腐涂料>控制储罐进出料温差>安装自动测温装置>增加罐顶互联蒸汽平衡系统。根据综合评价结果，安装水喷淋、二次密封改造和安装隔热层这几种控制措施排名靠前，是最适合该油库储罐的源头控制措施。为油库储罐VOCs源头控制措施评价指标的选取和评价提供了参考。