袁志華 朱禎 陳瑞熙

（1.西南油氣田分公司川東北氣礦；2.西南油氣田公司川中北部采氣管理處；3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院）

某天然氣處理廠是其氣田企業(yè)地面工程的核心，是由裝置、設(shè)備、管網(wǎng)等組成的工藝網(wǎng)絡(luò)。其任務(wù)是從井口收集采出液（氣、水），輸送至計(jì)量站、轉(zhuǎn)運(yùn)站、集中處理站進(jìn)行計(jì)量、分離、凈化等，最后出口。該天然氣處理廠的生產(chǎn)過程是一個(gè)相互作用、相互制約、相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜生產(chǎn)過程。由于其系統(tǒng)龐大，系統(tǒng)分散，熱損失大，管理難度大，從而制約了該天然氣處理廠效率的提高。為達(dá)到節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的，必須形成一套針對(duì)處理廠綜合能效評(píng)價(jià)體系，找出能源利用中的薄弱環(huán)節(jié)，幫助氣田企業(yè)降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化企業(yè)成本結(jié)構(gòu)。

1 基于粗糙集理論的能效評(píng)價(jià)方法

粗糙集理論是一種數(shù)學(xué)工具，可以用來分析、推理和挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隱藏的知識(shí)，探索數(shù)據(jù)之間潛在的規(guī)律[1]。由于粗糙集自身的特點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于綜合評(píng)價(jià)中[2-5]。

1.1 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)確定及范圍選取

基于天然氣處理廠能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次性和可操作性原則，并根據(jù)其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將該評(píng)價(jià)體系劃分為以下三個(gè)層次：一級(jí)指標(biāo)：即天然氣處理廠；二級(jí)指標(biāo)：天然氣處理廠能效評(píng)價(jià)體系的二級(jí)指標(biāo)，即系統(tǒng)的各能效指標(biāo)，包括新鮮水能效指標(biāo)、電能能效指標(biāo)、自用氣能效指標(biāo)和甲醇能效指標(biāo)，這些能效指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的二級(jí)指標(biāo)；三級(jí)指標(biāo)：即新鮮水能效指標(biāo)、電能能效指標(biāo)、自用氣能效指標(biāo)和甲醇能效指標(biāo)所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)體系的基本元素。

對(duì)于三級(jí)指標(biāo)而言，每個(gè)指標(biāo)最優(yōu)參數(shù)范圍。通過HYSYS軟件對(duì)天然氣處理廠進(jìn)行模擬，結(jié)合參考設(shè)備的銘牌參數(shù)和調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)，可以確定各個(gè)指標(biāo)的參數(shù)范圍[6]。其中三級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)類型有正向與逆向兩種，正向表示增加了裝置或整個(gè)系統(tǒng)的能效；逆向則相反。

1.2 評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

設(shè)S=(U，A，V，f)是一個(gè)基于粗糙集理論的知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)，C是條件屬性，D是決策屬性，且C?U=A,C?D=?，D對(duì)C的依賴度τ可定義為

式中：Card為集合中元素的個(gè)數(shù)，即集合基數(shù)；POSCD為集合D關(guān)于C的正區(qū)域。

式（1）稱作集合D在τ程度上依賴于集合C，記作C?τD。顯然τ∈[0，1]，若τ=0，表示D中屬性完全獨(dú)立于C中所有屬性；若τ∈(0，1)，表示D中屬性部分依賴于C中屬性；若τ=1，表示D中屬性完全依賴于C中屬性。

式中：U/D表示依據(jù)決策屬性D對(duì)論域U進(jìn)行的劃分。

對(duì)于決策表來說，粗糙集理論中用粗糙度的概念表述條件屬性對(duì)于決策屬性分類的近似程度。粗糙度的公式為

在粗糙集理論中，引入了相對(duì)重要度這一概念以表征Ci對(duì)于D的重要程度，即從集合C中去掉某一屬性Ci時(shí)，決策屬性集合D關(guān)于C的正區(qū)域?qū)⑹艿降挠绊?，?jì)算方法如下：

基于粗糙集理論的條件屬性的權(quán)重就是該條件屬性相對(duì)重要度與所有條件屬性相對(duì)重要度和之比，即：

1.3 評(píng)價(jià)體系最終評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)結(jié)果

通常難以用一個(gè)明確的值來對(duì)客觀事物或者現(xiàn)象進(jìn)行描述和度量，而模糊隸屬函數(shù)，就是在該過程中，表示該事物或者現(xiàn)象模糊程度的函數(shù)。模糊隸屬函數(shù)法就是利用隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。通過指標(biāo)無量綱化處理使其具有可比性，才能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在模糊數(shù)學(xué)中，常用[0，1]區(qū)間的一個(gè)實(shí)數(shù)來表示事物隸屬于某一標(biāo)準(zhǔn)的程度。該函數(shù)就是描述事物或者現(xiàn)象的屬性從屬于某一標(biāo)準(zhǔn)到不屬于某一標(biāo)準(zhǔn)的這個(gè)漸變過程的。

利用模糊隸屬函數(shù)法對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理后，根據(jù)所計(jì)算得到的各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行線性加權(quán)計(jì)算，從而得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。具體算法如下：

1）確定各個(gè)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的上下限。

2）確定各個(gè)能效指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)類型。

對(duì)于正向指標(biāo)，采用升嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)模型，即：

對(duì)于逆向指標(biāo)，采用降嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)模型，即：

3）進(jìn)行模糊變換及標(biāo)準(zhǔn)量化。利用模糊隸屬度函數(shù)求得的指標(biāo)模糊隸屬度值f(xi)是在0～1的實(shí)數(shù)，消除了指標(biāo)量綱的影響。習(xí)慣上將指標(biāo)模糊隸屬度值乘以100，作為指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，即：

4）準(zhǔn)則層各指標(biāo)的最終得分：

式中：Fi為第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的評(píng)價(jià)值；Fij為第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的第j個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)量化值；wij為第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的第j個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重；i為要評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則層指標(biāo)的序號(hào)；j為要評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則層指標(biāo)下的指標(biāo)層指標(biāo)的序號(hào)；n為要評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則層指標(biāo)的指標(biāo)層指標(biāo)的數(shù)目。

5）被評(píng)價(jià)目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)得分：

式中：F為被評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的綜合得分值；Fi為被評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的得分值；wi為被評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中第i個(gè)準(zhǔn)則層能效指標(biāo)相對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重；i為被評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中準(zhǔn)則層指標(biāo)的序號(hào)；m為被評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中準(zhǔn)則層指標(biāo)的數(shù)目。

2 某天然氣處理廠能效評(píng)價(jià)體系建立

1）確立各級(jí)指標(biāo)。結(jié)合該天然氣處理廠的工藝流程與實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)處理廠綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-10]見表1。

表1 處理廠綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2）指標(biāo)范圍確定。工藝流程HYSYS模型見圖1。將HYSYS模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)與實(shí)際調(diào)研所得數(shù)據(jù)對(duì)比，HYSYS模型準(zhǔn)確性認(rèn)證見表2。

表2 HYSYS模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖1 工藝流程HYSYS模型

通過對(duì)比HYSYS模型與實(shí)際生產(chǎn)報(bào)表中關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)與模擬工況中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)基本一：（有些誤差在工程中可以忽略不計(jì)），驗(yàn)證了HYSYS模型的準(zhǔn)確性。

以C11為例，展示參數(shù)范圍取值過程。在模擬計(jì)算過程中，控制環(huán)境溫度為25℃，大氣壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓縮機(jī)其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。分別選取進(jìn)口壓力為1.90、1.95、2.00、2.10、2.15、2.20 MPa，壓縮機(jī)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力變工況運(yùn)行參數(shù)模擬結(jié)果見表3。

表3 壓縮機(jī)進(jìn)口壓力變工況運(yùn)行參數(shù)模擬結(jié)果

壓縮機(jī)進(jìn)口壓力與壓縮機(jī)效率的關(guān)系見圖2，當(dāng)壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口溫度、出口壓力及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著進(jìn)口壓力的提高，壓縮機(jī)的效率隨著進(jìn)口壓力的升高而迅速下降，能效降低。綜上，最終將進(jìn)口壓力范圍為1.96～2.21 MPa。得到的天然氣處理廠三級(jí)指標(biāo)參數(shù)見表4所示。

表4 三級(jí)指標(biāo)參數(shù)

圖2 壓縮機(jī)進(jìn)口壓力與壓縮機(jī)效率關(guān)系

3 某天然氣處理廠能效評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)結(jié)果

基于粗糙集理論，利用Python語言輔助處理數(shù)據(jù)，三級(jí)指標(biāo)屬性重要度與權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 三級(jí)指標(biāo)屬性重要度與權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述三級(jí)指標(biāo)的40個(gè)樣本數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)單元的各項(xiàng)指標(biāo)的單位樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，結(jié)合等距離離散的原則，首先建立二級(jí)指標(biāo)決策表，參考三級(jí)指標(biāo)計(jì)算步驟，可以得出二級(jí)指標(biāo)屬性重要度和權(quán)重得分結(jié)果見表6。

表6 二級(jí)指標(biāo)屬性重要度與權(quán)重得分結(jié)果

4 結(jié)論與建議

本文基于粗糙集理論建立了某天然氣處理廠的綜合能效評(píng)價(jià)體系，并對(duì)某天然氣處理廠進(jìn)行了評(píng)價(jià)，可以得出如下結(jié)論：

1）HYSYS模型用于模擬天然氣處理廠的各項(xiàng)工藝參數(shù)的結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠模擬實(shí)際工況下的工藝參數(shù)，從而可以得到評(píng)價(jià)體系各三級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)范圍。

2）天然氣處理廠綜合能效評(píng)價(jià)體系中各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重重要度順序?yàn)樽杂脷饽苄е笜?biāo)、電能指標(biāo)、甲醇回收指標(biāo)、新鮮水指標(biāo)，可見對(duì)于該天然氣處理廠，自用氣部分是能效評(píng)價(jià)中最為重要的一部分。

3）對(duì)該天然氣處理廠進(jìn)行評(píng)價(jià)得分可以看到，新鮮水能效指標(biāo)、電能能效指標(biāo)以及自用氣能效指標(biāo)的得分相對(duì)較高，相比之下，甲醇能效指標(biāo)的得分較低，因此在提質(zhì)增效方面要重點(diǎn)從甲醇能效指標(biāo)入手，比如進(jìn)行甲醇回收-注入循環(huán)等措施。