＊李亞平 王軍防 裘冬平 朱忠正

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司 江蘇 221008 2.西南石油大學(xué) 四川 610500）

華北原油管網(wǎng)東起曹妃甸、塘沽碼頭，西至燕山、石家莊，沿途包括曹津線、426塘沽線等7條原油管線，總里程超過(guò)七百公里。該管網(wǎng)輸送的介質(zhì)主要為阿曼、科威特等多地進(jìn)口的20余種原油以及混合原油，經(jīng)油庫(kù)中轉(zhuǎn)后輸送至燕化、天化等下游煉化企業(yè)?？傆?jì)包括碼頭2座、中轉(zhuǎn)油庫(kù)7座、煉廠4座，關(guān)聯(lián)的油罐總數(shù)超過(guò)160個(gè)。根據(jù)各煉廠的油品需求、日消耗量及庫(kù)存情況，結(jié)合站場(chǎng)不同的配泵方案與進(jìn)罐策略，單次排產(chǎn)的可行方案可達(dá)十余種之多。而不同的排產(chǎn)方案關(guān)聯(lián)著不同的啟停泵、空罐時(shí)間等內(nèi)容，使得如何篩選出經(jīng)濟(jì)性較高且易于站場(chǎng)操作的最佳排產(chǎn)方案顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外排產(chǎn)方案的優(yōu)化評(píng)價(jià)方法主要以系統(tǒng)能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)[1-3]。通過(guò)采用連續(xù)時(shí)間模型如MINLP，SOS等[4-8]，以及基于混雜Petri網(wǎng)的原有排產(chǎn)模型等非均勻調(diào)度方法[9]，建立復(fù)雜的非線性優(yōu)化評(píng)價(jià)模型[10-11]，求解獲得能耗最低的油品排產(chǎn)順序、輸量、運(yùn)行周期等。上述方法雖可保證能耗經(jīng)濟(jì)性，但并未考慮工藝操作的便捷性和安全性。例如，當(dāng)同一排產(chǎn)周期內(nèi)油品輸量相差較大時(shí)，最低能耗方案會(huì)要求為不同輸量油品匹配不同的開(kāi)泵方案，即油品切換就伴隨泵的啟停。使得較短周期內(nèi)頻繁啟停泵，引發(fā)泵體磨損及人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)現(xiàn)有模型獲取的最優(yōu)排產(chǎn)方案尚不能兼顧經(jīng)濟(jì)性、操作便捷性和安全性，難以滿足華北原油管網(wǎng)對(duì)于最佳排產(chǎn)方案的需求。

基于上述問(wèn)題，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及專(zhuān)家討論，梳理出運(yùn)行操作成本、重新配泵次數(shù)以及管道停輸時(shí)間三個(gè)指標(biāo)?；趯哟畏治龇ㄟM(jìn)行權(quán)重分配，向量規(guī)范化法對(duì)數(shù)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，建立了排產(chǎn)方案優(yōu)選的多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型及其求解方法。通過(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了多指標(biāo)評(píng)價(jià)的可行性與適用性，建立的評(píng)價(jià)方法能夠?yàn)槿A北原油管網(wǎng)及其他具有相似需求的管網(wǎng)排產(chǎn)方案篩選提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.指標(biāo)體系的建立

原油管網(wǎng)最優(yōu)排產(chǎn)方案，兼顧經(jīng)濟(jì)性、操作便捷性與安全性，是典型的多指標(biāo)優(yōu)化評(píng)價(jià)?？紤]排產(chǎn)方案中不同參數(shù)的重要程度及獲得數(shù)據(jù)的便利性，初步提出了六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：運(yùn)行操作成本；油庫(kù)空罐個(gè)數(shù)；油品供給變化；管道停輸時(shí)間；油品庫(kù)存量；重新配泵次數(shù)。

以上述六個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)，在管道管理人員及站場(chǎng)操作工人中展開(kāi)問(wèn)卷調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果選出對(duì)排產(chǎn)運(yùn)營(yíng)影響最大的指標(biāo)，其中運(yùn)行操作成本、重新配泵次數(shù)、管道停輸時(shí)間三個(gè)指標(biāo)得票率分別為27%、35%、26%，而其它三個(gè)指標(biāo)占比較低（均不超過(guò)5%）。因此，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)為：運(yùn)行操作成本、重新配泵次數(shù)、管道停輸時(shí)間。

(1)方案運(yùn)行操作成本

方案運(yùn)行操作成本包括泵能耗費(fèi)用、油輪滯期費(fèi)用。

①泵能耗費(fèi)用

假設(shè)全線有u個(gè)泵站，第x站有kx臺(tái)泵，則全線泵站能耗費(fèi)用為：

式中：Sd為泵站能耗費(fèi)用，元；t為排產(chǎn)周期，h；u為全線泵站數(shù)；kx為x站泵的臺(tái)數(shù)；e(x)為第x站當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)，元/(kW·h)；O(x,j)為第x站j泵的開(kāi)啟狀態(tài)，=1為開(kāi)啟，=0為關(guān)閉；Q(x,j)為第x站輸送j油品時(shí)的流量，m3/h；ρ(x,i)第x站輸送的i油品的密度，kg/m3；η(x)為第x站泵機(jī)組的總效率；g為重力加速度，9.8m/s2；a、b為常數(shù)；Q為離心泵排量，m3/h。

②油輪滯期費(fèi)用

由于油輪閑置或延誤產(chǎn)生的費(fèi)用即油輪滯期費(fèi)用：

式中：Sz為油輪滯期費(fèi)用，元；v為油輪編號(hào)；Nv為油輪數(shù)量，個(gè)；Cv為單位時(shí)間內(nèi)油輪逾期罰值，元；Tfv,i為油輪v在時(shí)間t開(kāi)始卸載原油i的時(shí)間，h；Tav為油輪v到達(dá)碼頭的時(shí)間，h。

故排產(chǎn)方案運(yùn)行操作成本可以表示為：

(2)重新配泵的次數(shù)

實(shí)際方案應(yīng)盡可能的減少重新配泵的次數(shù)，保證油品輸送的平穩(wěn)。重新配泵次數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)管道停輸時(shí)間

由于管道停輸后存在凝管的風(fēng)險(xiǎn)，因此要考慮管道是否存在停輸及停輸時(shí)間，其值為：

式中：T為管道停輸時(shí)間，h；ti為方案中第i次出現(xiàn)斷油時(shí)間，h；tj為方案中第j次出現(xiàn)無(wú)罐儲(chǔ)油的時(shí)間，h；tk1為ti、tj間隔時(shí)間，h；tk2為ti、tj重合時(shí)間，h。

2.多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的建立

得到指標(biāo)計(jì)算式和數(shù)值后，利用多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型將其統(tǒng)一起來(lái)，計(jì)算式可表達(dá)為：

式中：I為優(yōu)選計(jì)算結(jié)果；yi為第i個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值；αi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

下面我們將討論用主觀賦權(quán)法賦值權(quán)重和無(wú)量綱化處理消除量綱的影響[12-13]。

(1)基于主觀賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

目前，常用的主觀賦權(quán)法為專(zhuān)家估測(cè)法和層次分析法。層次分析法可將總體的量化任務(wù)分解成更加具體的多級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)，并結(jié)合專(zhuān)家評(píng)價(jià)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算匯總得出最終結(jié)果。將專(zhuān)家的主觀評(píng)價(jià)和計(jì)算過(guò)程的客觀形式結(jié)合在一起，能夠合理客觀地反映出實(shí)際的情形[12]，其建立過(guò)程如下：

首先，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步總結(jié)出指標(biāo)間的偏好信息，150位專(zhuān)家小組在這三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間進(jìn)行重要性抉擇得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）。

表1 指標(biāo)偏好信息

其次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)偏好信息并結(jié)合專(zhuān)家評(píng)價(jià)構(gòu)造出判斷矩陣A，計(jì)算出A的最大特征值得：λmax=3.025，對(duì)應(yīng)的特征向量：w=(0.5084，0.7433，0.4347)T。

最后，對(duì)判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果作一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證主觀權(quán)重的判斷矩陣是否應(yīng)該被接受：基于式（7）計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.與R.I.值相除[14]。滿足C.R.=C.I./R.I.＜0.1時(shí)，認(rèn)為比較矩陣的判斷可以接受，可以得到最終評(píng)價(jià)權(quán)重向量；否則，需要重新計(jì)算。其中，C.I.為判斷矩陣的一致性指標(biāo)，反應(yīng)矩陣的非一致性程度，R.I.為平均隨機(jī)的一致性指標(biāo)，它是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得，對(duì)于低階的判斷矩陣，其值查表可得為0.5149[15]。

利用判斷矩陣的最大特征值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)有：

式中：C.I.為以判斷矩陣A生成的一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)。

計(jì)算得：

矩陣A通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。將所得的特征向量w規(guī)范化后得到權(quán)重系數(shù)列向量α=(0.301，0.441，0.258)T。

(2)無(wú)量綱化處理

無(wú)量綱化也叫做數(shù)據(jù)規(guī)范化，它是通過(guò)數(shù)學(xué)變換來(lái)消除原始指標(biāo)量綱及量級(jí)影響的方法[13]。目前常用的無(wú)量綱化的方法中，極差變換法忽略了指標(biāo)的差異性，線性比例變換法需要指標(biāo)值全為正數(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)樣本變換法更適用于實(shí)際值呈正態(tài)分布的情形[16]。相對(duì)于其他幾種方法，向量規(guī)范法體現(xiàn)出了指標(biāo)的差異性、全局性和正逆向性[13]。所以選擇向量規(guī)范法，構(gòu)建方法如下：

設(shè)三個(gè)方案A、B、C，各方案的運(yùn)行操作成本：SA、SB、SC，重新配泵次數(shù)：NA、NB、NC，管道停輸時(shí)間：TA、TB、TC。以運(yùn)行操作成本為例，其值的規(guī)范化方法為：

式中：si為方案i運(yùn)行操作成本規(guī)范化后的值，i表示方案A，B，C；Si為方案i運(yùn)行操作成本實(shí)際值。

可見(jiàn)，運(yùn)行操作成本處理后的值已無(wú)量綱影響，同時(shí)運(yùn)用該式計(jì)算出ni、ti，即可進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)計(jì)算。

(3)模型的建立

通過(guò)賦值權(quán)重和無(wú)量綱化處理后可進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將式（6）轉(zhuǎn)化為下式：

式中：I為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；si，ni，ti分別為方案i的三個(gè)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后的值，i表方案序號(hào)；α1～α3分別代表三個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。

因?yàn)槠渲笜?biāo)全為負(fù)向性，故使用該計(jì)算模型得出的綜合評(píng)價(jià)數(shù)值最小的方案為最佳方案[15]。

3.實(shí)例分析

以曹妃甸油庫(kù)—天津油庫(kù)為例，獲取天津油庫(kù)一個(gè)排產(chǎn)周期內(nèi)油品需求的種類(lèi)、需求量以及需求時(shí)間。根據(jù)煉廠需求和油品庫(kù)存情況以及煉廠需求時(shí)間生成相應(yīng)的排產(chǎn)信息和方案（表2、表3）。通過(guò)前述方法得到指標(biāo)規(guī)范化結(jié)果及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（表4）。

表2 排產(chǎn)信息

表3 排產(chǎn)方案

表4 指標(biāo)及指標(biāo)規(guī)范化計(jì)算結(jié)果

由表4可知，按照經(jīng)濟(jì)性最佳進(jìn)行比選，最佳方案為C。而利用本文所提出的評(píng)價(jià)方法，得到的最佳方案是B。因此C方案雖然經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，但其重新配泵次數(shù)過(guò)多導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果靠后。A、B、D方案都有較低的重新配泵次數(shù)，但A、D方案在經(jīng)濟(jì)性和停輸時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)不佳。最佳方案B在三個(gè)指標(biāo)上的表現(xiàn)較為均衡，因此在多指標(biāo)評(píng)價(jià)中的綜合表現(xiàn)最好，實(shí)例應(yīng)用充分體現(xiàn)了多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的適用性。

4.結(jié)論

（1）建立了含排產(chǎn)方案運(yùn)行操作成本、重新配泵次數(shù)和管道停輸時(shí)間在內(nèi)的三指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，采用主觀賦權(quán)法得到指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，基于向量規(guī)范化法對(duì)數(shù)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，形成華北原油管網(wǎng)排產(chǎn)方案的多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型及其求解方法。

（2）以曹妃甸油庫(kù)—天津油庫(kù)為例，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析，獲得了最佳方案B。其三個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)并不是最佳，但因?yàn)槠渚庑远C合評(píng)價(jià)指數(shù)最低，表明了建立的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的可行性。

（3）將多指標(biāo)評(píng)價(jià)應(yīng)用于原油排產(chǎn)方案的優(yōu)選，其篩選結(jié)果可以同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中的可操作性，提升了最佳方案在華北原油管網(wǎng)中的實(shí)用性。