基于粗糙集理論的天然氣處理廠綜合能效評價(jià)研究

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，必須形成一套針對處理廠綜合能效評價(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)用于綜合評價(jià)中[2-5]。

1.1 評價(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)，將該評價(jià)體系劃分為以下三個(gè)層次：一級指標(biāo)：即天然氣處理廠；二級指標(biāo)：天然氣處理廠能效評價(jià)體系的二級指標(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)成評價(jià)指標(biāo)體系的二級指標(biāo)；三級指標(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)所對應(yīng)評價(jià)體系的基本元素。

對于三級指標(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對論域U進(jìn)行的劃分。

對于決策表來說，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，引入了相對重要度這一概念以表征Ci對于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重要度與所有條件屬性相對重要度和之比，即：

1.3 評價(jià)體系最終評價(jià)分?jǐn)?shù)結(jié)果

通常難以用一個(gè)明確的值來對客觀事物或者現(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，從而得到最終評價(jià)結(jié)果。具體算法如下：

1）確定各個(gè)能效評價(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)相對準(zhǔn)則層的權(quán)重；i為要評價(jià)的準(zhǔn)則層指標(biāo)的序號(hào)；j為要評價(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）被評價(jià)目標(biāo)的綜合評價(jià)得分：

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

1）確立各級指標(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)處理廠綜合評價(jià)指標(biāo)[7-10]見表1。

表1 處理廠綜合評價(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指標(biāo)參數(shù)見表4所示。

表4 三級指標(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價(jià)體系評價(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)上述三級指標(biāo)的40個(gè)樣本數(shù)據(jù)，將對應(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，首先建立二級指標(biāo)決策表，參考三級指標(biāo)計(jì)算步驟，可以得出二級指標(biāo)屬性重要度和權(quán)重得分結(jié)果見表6。

表6 二級指標(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價(jià)體系，并對某天然氣處理廠進(jìn)行了評價(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)，從而可以得到評價(jià)體系各三級指標(biāo)的指標(biāo)范圍。

2）天然氣處理廠綜合能效評價(jià)體系中各二級指標(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)，可見對于該天然氣處理廠，自用氣部分是能效評價(jià)中最為重要的一部分。

3）對該天然氣處理廠進(jìn)行評價(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。