基于層次分析法的冷箱凍堵調(diào)整

楊 遠(yuǎn) 唐文潔 張春光 肖春生 馬玉華.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)) .新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)

基于層次分析法的冷箱凍堵調(diào)整

楊 遠(yuǎn)1唐文潔2張春光2肖春生2馬玉華2
1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)) 2.新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)

為了研究冷箱凍堵原因，量化分析問(wèn)題，找出最佳調(diào)整方案, 結(jié)合某廠液化裝置冷箱凍堵實(shí)例，收集凍堵前與緊急處理后數(shù)據(jù)，運(yùn)用層次分析法結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型。利用該模型，仿真模擬了在當(dāng)前成本與風(fēng)險(xiǎn)下的最佳處理方案和應(yīng)急處理方案,為冷箱凍堵調(diào)整提供了量化依據(jù)。研究結(jié)果表明，當(dāng)前情況下可以均衡降量，同時(shí)關(guān)小LNG線(xiàn)、冷劑線(xiàn)截流閥進(jìn)行應(yīng)急處理，但不能根治問(wèn)題。由此推測(cè)冷箱盤(pán)管有異物堵塞，需停產(chǎn)并拆卸冷箱對(duì)盤(pán)管、過(guò)濾器等附件進(jìn)行檢修。停產(chǎn)檢修拆解情況與仿真模擬吻合,徹底解決了問(wèn)題，說(shuō)明該方法可行，可在其他裝置上分析和處理類(lèi)似問(wèn)題。但層次分析法只能核算出各方案層權(quán)重值，為方案決策做出參考，暫不能得出可調(diào)區(qū)間及調(diào)整程度，下步仍需改進(jìn)。

冷箱 凍堵 層次分析法 模擬仿真 應(yīng)急處理

冷箱作為一種緊湊、易維護(hù)的板翅式換熱器，廣泛運(yùn)用于LNG行業(yè)[3]。但因盤(pán)管材質(zhì)、設(shè)計(jì)精度、環(huán)境等問(wèn)題，導(dǎo)致冷箱不能進(jìn)行DCS自動(dòng)控制。手動(dòng)控制情況下還會(huì)發(fā)生因操作員不同而引發(fā)換熱效率低，導(dǎo)致產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，甚至盤(pán)管堵塞、聯(lián)鎖停機(jī)等情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以苯及其衍生物為主的環(huán)狀芳香烴凝固導(dǎo)致的冷箱天然氣管線(xiàn)凍堵是LNG行業(yè)中的常見(jiàn)現(xiàn)象。當(dāng)前的研究方向主要集中在優(yōu)化冷箱設(shè)計(jì)和完善自控儀表方面[4]。對(duì)凍堵情況的分析也僅僅是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例敘述，缺乏調(diào)整分析。本研究基于層次分析法，對(duì)使用混合冷劑換熱的冷劑線(xiàn)凍堵實(shí)例進(jìn)行了分析，并優(yōu)選了調(diào)整方案。

1 工藝簡(jiǎn)介

某廠液化裝置采用多級(jí)單組分制冷液化工藝，該工藝總體上為傳統(tǒng)階式制冷工藝，最后一級(jí)改進(jìn)為混合冷劑制冷，3種冷劑分別為丙烯、乙烯和甲烷。甲烷制冷循環(huán)的制冷劑為以甲烷為主的配方冷劑，包含了氮?dú)?、甲烷和乙?種組分，其中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為5%～10%，乙烯15%～30%，其余為甲烷。氮?dú)庥晒S氮?dú)庹竟┙o，同時(shí)將已處理的原料氣用于甲烷補(bǔ)償。乙烯、丙烯從各自罐車(chē)供應(yīng)。該裝置具體采用了3個(gè)制冷循環(huán)[5-7]。第一級(jí)丙烯制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量；第二級(jí)乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量；第三級(jí)甲烷混合冷劑制冷劑循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。通過(guò)6個(gè)換熱器和一個(gè)板翅式換熱器(冷箱)冷卻，天然氣的溫度逐漸降低，直至液化。而最后一級(jí)冷箱的調(diào)控以及混合冷劑的配比是影響LNG產(chǎn)品的關(guān)鍵[8]。冷箱的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致冷箱凍堵、LNG產(chǎn)品溫度不達(dá)標(biāo)、能耗過(guò)大等多方面不良后果。本文拋開(kāi)前端復(fù)雜工藝，著重對(duì)冷箱運(yùn)行情況進(jìn)行分析并記錄調(diào)整過(guò)程。

2 問(wèn)題描述

正常生產(chǎn)時(shí)，過(guò)冷至-155 ℃的甲烷混合冷劑進(jìn)入冷箱，再經(jīng)J-T 閥節(jié)流至表壓140 kPa、-158.9 ℃后返回冷箱，為L(zhǎng)NG、甲烷冷劑自身提供冷量，實(shí)現(xiàn)甲烷制冷系統(tǒng)的冷劑循環(huán)。 由于生產(chǎn)需要，LNG產(chǎn)量由冷箱處產(chǎn)品線(xiàn)控制閥提量(300×104m3/d提至350×104m3/d)，同時(shí)加大冷量供給，保持換熱平衡。提量后，由于冷劑線(xiàn)供給增大導(dǎo)致差壓報(bào)警。緊急降量，冷箱工藝流程圖見(jiàn)圖1，各測(cè)點(diǎn)及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)間軸見(jiàn)表1。

表1 各測(cè)點(diǎn)及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)間軸Table1 Timeaxisofeachmeasurementpointandtherelatedrunningdata時(shí)間8:279:009:2910:0010:30冷劑差壓/kPa18.218.423.231.036.8t1/℃-111.9-111.8-115.2-199.3-120.5t2/℃-127.6-127.7-131.3-135.7-136.6t3/℃-155.0-155.0-155.9-156.7-157.3t1#/℃-130.0-131.0-133.7-135.5-137.6t2#/℃-149.3-149.0-150.2-151-153.1t3#/℃-158.5-158.6-159.4-159.7-160.0t4/℃-101.1-101.2-104.9-109.7-112.3LNG產(chǎn)量/(m3·h-1)117338.2118376.0126678.8139621.4147252.7天然氣差壓/kPa1.211.352.664.906.75

由圖2～圖5可以看出，緊急降量后冷劑線(xiàn)回溫響應(yīng)快，天然氣線(xiàn)無(wú)明顯響應(yīng)。天然氣線(xiàn)堵塞程度比冷劑線(xiàn)嚴(yán)重。分析原因后懷疑是甲烷水露點(diǎn)不合格引起天然氣線(xiàn)形成水合物而導(dǎo)致冰堵，同時(shí)懷疑天然氣線(xiàn)、冷劑線(xiàn)濾網(wǎng)破裂導(dǎo)致機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入引起盤(pán)管堵塞[9]。

針對(duì)以上分析，現(xiàn)需要一套科學(xué)可行的調(diào)整方案。在此結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家建議，選取5種調(diào)整方案，運(yùn)用層次分析法針對(duì)該廠工況進(jìn)行科學(xué)分析。

3 模擬仿真

3.1 計(jì)算原理

1.2.3 術(shù)中配合 護(hù)理人員應(yīng)當(dāng)告知患者手術(shù)過(guò)程中為了避免結(jié)石定位不準(zhǔn)確不要隨意變換體位,以免造成不理想的手術(shù)結(jié)果。做好器械準(zhǔn)備,確保手術(shù)過(guò)程中器械齊全。術(shù)中護(hù)理人員要密切觀察患者病情和生命體征的變化,注意其表皮是否有損傷、神志是否清醒,詢(xún)問(wèn)患者有無(wú)頭暈、心慌等不適癥狀,有無(wú)碘過(guò)敏反應(yīng),將搶救藥物準(zhǔn)備好[3]。

層次分析法數(shù)學(xué)模擬首先建立有支配關(guān)系的分組型層次結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)矩陣構(gòu)造，綜合比較各因素間相互影響關(guān)系，計(jì)算其在系統(tǒng)中的權(quán)重，最終確定各因素的相對(duì)重要性，達(dá)到分析或決策的目的[10]。其計(jì)算步驟如下：

(1) 確定問(wèn)題，構(gòu)建物理模型并收集數(shù)據(jù)。

(2) 依次構(gòu)建最高層(目標(biāo)層)、中間層(準(zhǔn)則層)以及最低層(方案層)層次結(jié)構(gòu)模型。

(3) 兩兩比較打分，確定下層對(duì)上層的分?jǐn)?shù)。

準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定的比例。引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來(lái)定義判斷矩陣A=(aij)nxn(見(jiàn)表2)。

表2 判斷矩陣標(biāo)度定義Table2 Scaledefinitionofjudgmentmatrix標(biāo)度含義l兩因素對(duì)比,具有相同重要性3兩因素對(duì)比,前者比后者稍重要5兩因素對(duì)比,前者比后者明顯重要7兩因素對(duì)比,前者比后者強(qiáng)烈重要9兩因素對(duì)比,前者比后者極端重要2,4,6,8表示上述相鄰判斷的中間值倒數(shù)若因素i與因素j的重要性之比為aij,那么因素j與因素i重要性之比為1aij

(4) 層次合成計(jì)算與一致性檢驗(yàn)。

1) 計(jì)算一致性指標(biāo)CI。

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

2) 查找一致性指標(biāo)RI(見(jiàn)表3)。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table3 Consistencyindexofaveragerandomn1234567891011121314RI000.520.891.121.241.361.411.461.491.521.541.561.58

3) 計(jì)算一致性比例CR。

當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為通過(guò)了一次性檢驗(yàn)，否則應(yīng)作適當(dāng)修正。

(5) 計(jì)算權(quán)重向量W。層次分析法有4種計(jì)算方法求權(quán)重：算術(shù)平均法、幾何平均法、特征向量法。在此，本文選用幾何平均法(方根法)。

幾何平均法(方根法)：

(3)

計(jì)算步驟：

1) A的元素按行相乘得一新向量；

2) 將新向量的每個(gè)分量開(kāi)n次方；

3) 將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

3.2 運(yùn)算過(guò)程

基于現(xiàn)有工況、處理手段、考慮細(xì)節(jié)，以冷箱凍堵調(diào)整為目的，指導(dǎo)下步工作。首先根據(jù)調(diào)整原則確定建模中間層(準(zhǔn)則層)。然后結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家建議，選取5種調(diào)整方案作為最低層(方案層)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖6)。

冷箱凍堵調(diào)整各判斷矩陣如表4所示。

將不同方案各準(zhǔn)則要素的權(quán)重矩陣(表4a)Wi與各準(zhǔn)則要素的相對(duì)權(quán)重矩陣(見(jiàn)表4b～表4g)Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序(見(jiàn)表5)。經(jīng)計(jì)算還能得到中間層要素權(quán)重并排序(見(jiàn)表6)。

3.3 結(jié)果與驗(yàn)證

經(jīng)以上模擬分析，由表5得到冷箱凍堵調(diào)整排序?yàn)? C5>C3>C4>C1>C2。由此可知，針對(duì)某廠冷箱凍堵事件，停產(chǎn)檢修，拆卸冷箱對(duì)盤(pán)管、過(guò)濾器等附件檢修(C5)是解決問(wèn)題的最佳方案。通過(guò)模擬懷疑冷箱有過(guò)濾器損壞，盤(pán)管異物堵塞等問(wèn)題。若執(zhí)行此項(xiàng)方案必須停機(jī)，有損耗放空和其他成本損失。而均衡降量，同時(shí)關(guān)小LNG線(xiàn)、冷劑線(xiàn)截流閥(C3)能進(jìn)行應(yīng)急處理，但不能徹底解決問(wèn)題。調(diào)節(jié)冷劑組分配比(C4)也能進(jìn)行應(yīng)急處理，但須專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)，并實(shí)時(shí)取樣化驗(yàn)，較為繁瑣。單純降產(chǎn)量，關(guān)小LNG線(xiàn)截流閥(C1)與單純降冷量，關(guān)小冷劑線(xiàn)截流閥(C2)兩種方案權(quán)重最小，不推薦。

表4 冷箱凍堵調(diào)整各判斷矩陣(4a～4g)Table4 Judgmentmatricesoffrozenblockageadjustmentofcoldbox(4a-4g)表4aAB1B2B3B4B5B6WiB111/51/31/71/710.0368B2131/3330.2415B311/51/710.0625B41270.3773B5170.2339B610.0480λmax:6.5610;CR:0.0891;一次性檢驗(yàn)通過(guò)表4bB1C1C2C3C4C5WiC1111/31/31/70.0602C211/31/31/70.0602C311/21/50.1374C411/40.1881C510.5541λmax:5.1182;CR:0.0264;一次性檢驗(yàn)通過(guò)表4cB2C1C2C3C4C5WiC1111/31/270.1514C211/31/270.1514C31370.4331C4170.2314C510.0327λmax:5.2288;CR:0.0511;一次性檢驗(yàn)通過(guò)表4dB3C1C2C3C4C5WiC1111/31/51/70.0552C211/31/51/70.0552C311/31/50.1195C411/50.2275C510.5487λmax:5.2617;CR:0.0584;一次性檢驗(yàn)通過(guò)表4eB4C1C2C3C4C5WiC1111/31/31/70.0601C211/31/31/70.0601C3111/50.1547C411/50.1547C510.5704λmax:5.0940;CR:0.0210;一次性檢驗(yàn)通過(guò)

續(xù)表4表4fB5C1C2C3C4C5WiC113331/70.1692C21221/70.0927C3131/70.0762C411/70.0491C510.6127λmax:5.3776;CR:0.0843;一次性檢驗(yàn)通過(guò)表4gB6C1C2C3C4C5WiC11121/21/70.0897C2111/21/70.0781C311/21/70.0680C411/70.1360C510.6281λmax:5.1168;CR:0.0261;一次性檢驗(yàn)通過(guò)

表5 方案層權(quán)重排序Table5 Rankingofschemelayerweights方案層C1C2C3C4C5權(quán)重0.10800.08920.19560.15240.4548排序45231

表6 中間層權(quán)重排序Table6 Rankingofthemiddlelayerweights中間層B1B2B3B4B5B6權(quán)重0.03680.24150.06250.37730.23390.0480排序624135

表7 冷箱復(fù)產(chǎn)提量后穩(wěn)產(chǎn)數(shù)據(jù)Table7 Stableoutputdataafterreproductionofcoldbox月平均數(shù)據(jù)4月5月6月7月冷劑差壓/kPa5.236.105.455.87天然氣差壓/kPa3.694.054.033.99t1/℃-118.1-118.6-119.3-117.9t2/℃-128.1-127.9-128.3-128.7t3/℃-135.9-136.1-136.4-135.7t1#/℃-133.2-132.8-133.1-133.1t2#/℃-148.3-149.4-150.1-149.6t3#/℃-152.5-151.6-152.4-152.7

通過(guò)模擬分析，某廠進(jìn)行了均衡降量，同時(shí)關(guān)小LNG線(xiàn)、冷劑線(xiàn)截流閥應(yīng)急處理，凍堵情況有所緩解。但后續(xù)無(wú)論如何調(diào)節(jié)冷劑組分配比和冷量換熱調(diào)整都無(wú)法根治。在停工檢修時(shí)拆解冷箱天然氣與冷劑管線(xiàn)過(guò)濾器時(shí)發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器150 μm紗網(wǎng)均不同程度損壞，冷劑線(xiàn)過(guò)濾器損壞尤其突出。檢修結(jié)果與模擬相吻合。再次開(kāi)工復(fù)產(chǎn)后，提量穩(wěn)產(chǎn)至400×104m3/d。從4月開(kāi)工至7月運(yùn)行數(shù)據(jù)(見(jiàn)表7)可以看出，凍堵問(wèn)題已根治。

4 結(jié) 論

(1) 冷箱凍堵問(wèn)題復(fù)雜。原因多，可能性復(fù)雜。最常見(jiàn)的有苯及苯衍生物為主的環(huán)狀芳香烴凝固導(dǎo)致的冷箱天然氣管線(xiàn)凍堵，也有因?yàn)樘厥鉁囟?、壓力條件導(dǎo)致天然氣水合物的形成。冷劑線(xiàn)凍堵較為少見(jiàn)。而管道及設(shè)備安裝時(shí)都會(huì)進(jìn)行吹掃干燥。異物、水分引起的堵塞更是稀少。但也不排除因過(guò)濾器損壞而導(dǎo)致的管道上游填料、粉塵進(jìn)入冷箱盤(pán)管導(dǎo)致阻塞的情況。也有因盤(pán)管中有異物而形成凝結(jié)核而變相導(dǎo)致的復(fù)合性水合物凍堵。在不能隨意停工檢修的情況下只能依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

(2) 層次分析法能將冷箱凍堵復(fù)雜問(wèn)題分解化，并根據(jù)當(dāng)前情況和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)分析進(jìn)行模擬。最后通過(guò)量化，算出最佳調(diào)整辦法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修情況與調(diào)整后數(shù)據(jù)得出，層次分析法模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢修拆解情況吻合，此方法可行。下步可運(yùn)用在其他裝置的問(wèn)題分析與決策中。

(3) 層次分析法暫時(shí)只能核算出各方案層權(quán)重值，為方案決策作出參考，而不能提出可調(diào)區(qū)間及調(diào)整程度，該法仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

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Adjustment of frozen blockage of cold box based on the analytic hierarchy process

Yang Yuan1， Tang Wenjie2， Zhang Chunguang2， Xiao Chunsheng2， Ma Yuhua2
1．KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity)，Wuhan,Hubei,China； 2．OilFieldOperationArea,XinjiangOilFieldCo.,Karamay,Xinjiang,China

In order to study the reason of frozen blockage, analyze problem quantitatively, and find out the best adjustment scheme, combined with the example of frozen blockage of cold box in one liquefying plant, the data before frozen blockage and after the emergency treatment are collected, then the mathematical model is established by using analytic hierarchy process (AHP) combined with expert experience. By using the model, the best treatment scheme and the emergency treatment plan under current cost and risk are simulated, and quantitative basis for adjustment of cold box frozen blockage can be provided. The simulating result shows that the quantity can be lowered equilibrium currently, at the same time, the intercept valves of LNG line and cooling line can be shut off for emergency treatment, but the problem can not be completely solved. So it is suspected that there is a blockage in cold box coil, shutdown must be done and the cold box must be disassembled to overhaul coil, filters and other accessories. The overhaul situation is in accordance with the simulation result. The problem has been solved completely, and it shows that the method is feasible and can be used to analyze and treat the same problem in other devices. But the AHP can be only used for accounting layer weight value of the program, and to make a reference for scheme decision-making. The adjustable range and degree can not be obtained at present, and the simulation model needs to be improved next step.

cold box, frozen blockage, analytic hierarchy process (AHP), simulation, emergency treatment

楊遠(yuǎn)(1990-)，女，江蘇鹽城人，現(xiàn)為長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院2016級(jí)在讀碩士研究生，專(zhuān)業(yè)：礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)。E-mail:fengjiming@yeah.net

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.011

2016-09-13；編輯：康 莉