基于改進(jìn)熵權(quán)?突變級數(shù)法的氣化爐風(fēng)險(xiǎn)評估

張迪，高鵬，田思祺，崔永海

基于改進(jìn)熵權(quán)?突變級數(shù)法的氣化爐風(fēng)險(xiǎn)評估

張迪1，高鵬2，田思祺3，崔永海4

（1.遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.中國石油錦州石化公司，遼寧 錦州 121001； 4.撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113001）

為了提高氣化爐風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性，提出了一種將云模型與突變級數(shù)法相結(jié)合的安全評價(jià)方法。通過查閱文獻(xiàn)及專家分析，將氣化爐風(fēng)險(xiǎn)分為機(jī)械系統(tǒng)、人員、管理以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，建立氣化爐多層次風(fēng)險(xiǎn)評估體系。云模型是一種定性與定量之間相互轉(zhuǎn)換的有效工具，云模型中引入熵與超熵特征值，提出云熵權(quán)法改進(jìn)傳統(tǒng)權(quán)重計(jì)算方法，對所有指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，提高排序結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)歸一公式計(jì)算各層指標(biāo)的突變隸屬度值及氣化爐總突變隸屬度值，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)表判斷氣化爐風(fēng)險(xiǎn)等級。結(jié)果表明，該方法提高了權(quán)重排序的全面性和客觀性，使氣化爐風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果與實(shí)際相符合，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

氣化爐； 突變級數(shù)法； 云模型； 云熵權(quán)法； 風(fēng)險(xiǎn)評估

煤氣化爐是煤氣化工藝的主要設(shè)備，氣化爐在整個(gè)運(yùn)行過程中長期承受高溫、高壓、高酸負(fù)荷，容易產(chǎn)生安全隱患。爐內(nèi)產(chǎn)生的氣體大多是高溫高壓、易燃易爆且有毒的混合氣體，如果發(fā)生事故會造成機(jī)械設(shè)備破壞、環(huán)境污染、人員傷亡，影響后續(xù)工段，嚴(yán)重時(shí)會造成整個(gè)煤氣化工藝裝置的癱瘓[1]。因此，對氣化爐進(jìn)行安全評價(jià)對煤氣化工藝至關(guān)重要。突變級數(shù)法作為一種操作性強(qiáng)、簡單易行的方法，其定量化程度較高。吳婭等[2]結(jié)合突變理論與模糊數(shù)學(xué)的方法，對高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評估，為綜合評估高壓斷路器的運(yùn)行狀況提出了一種新的思路。劉洋等[3]也將模糊數(shù)學(xué)運(yùn)用在突變理論中，建立了一個(gè)新的突變級數(shù)評價(jià)模型，利用突變級數(shù)法實(shí)現(xiàn)了對離心泵的安全性評價(jià)。陳紅江等[4]運(yùn)用突變級數(shù)理論，對電站燃煤鍋爐的結(jié)渣特性進(jìn)行了預(yù)測，該預(yù)測方法采用主觀確定的方法對權(quán)重進(jìn)行排序，存在一定的不合理性。本文對各級指標(biāo)的重要程度進(jìn)行排序時(shí)，采用了改進(jìn)權(quán)重的云熵權(quán)法，此方法可以定量地反映數(shù)據(jù)變化對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

1 突變級數(shù)法的基本原理與步驟

1.1 突變評價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和評價(jià)要求，將需要進(jìn)行評價(jià)的系統(tǒng)按要求分解成不同的評價(jià)單元，按單元聯(lián)結(jié)層次順序排列成樹狀的結(jié)構(gòu)體系。從總的目標(biāo)單元中間的指標(biāo)層，逐級分解直到最底層的評價(jià)單元，建立完整的突變評價(jià)指標(biāo)體系[5]。

1.2 結(jié)合云模型改進(jìn)熵權(quán)法的各指標(biāo)權(quán)重的確定

在云模型中，云圖由許許多多的云滴構(gòu)成，每一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的模糊云滴都與定量區(qū)間內(nèi)的任意某個(gè)值相對應(yīng)。云的整體特征可用具體數(shù)值表示，通常用期望（）、熵（）、超熵（）來表征。越大，云滴之間的距離越大，云層越厚[6]。

通過專家打分法得到底層指標(biāo)不同專家的權(quán)重，記為=X（=1，2，3，…，），通過改進(jìn)的逆向云發(fā)生器[7]將個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成、和，改進(jìn)的逆向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)算法為：

輸入：將所得到的末級指標(biāo)參數(shù)作為發(fā)生器的樣本值，=X（=1，2，3，…，）；

輸出：得到反映云模型特征的值、、。

一般情況下，傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算公式見式（1）[8]。

式中，為評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算方法雖然計(jì)算相對簡便，但是因?yàn)橹豢紤]了，沒有考慮云模型的特征值和的影響，無法客觀全面地反映原始數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果的影響。例如，專家對某兩項(xiàng)指標(biāo)的打分值各不相同，但是這兩項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的平均分卻一致，如果運(yùn)用傳統(tǒng)的權(quán)重方法計(jì)算，則兩項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果一致，而事實(shí)上每個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律是各不相同的。由此可知，傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算方法無法客觀地反映實(shí)際情況。打分值變化規(guī)律不同，和的變化很大?；诖?，本文提出通過云熵權(quán)法來改進(jìn)傳統(tǒng)權(quán)重計(jì)算公式。

改進(jìn)的云熵權(quán)計(jì)算公式見式（2）。

1.3 重要性排序及風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

根據(jù)改進(jìn)的云熵權(quán)法對各層指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，然后根據(jù)權(quán)重由大到小進(jìn)行重要性排序，并確定指標(biāo)與指標(biāo)之間的關(guān)系。如果指標(biāo)與指標(biāo)之間的關(guān)系是“互補(bǔ)型”，則對指標(biāo)權(quán)重求平均值；如果指標(biāo)與指標(biāo)之間的關(guān)系是“非互補(bǔ)型”，則取指標(biāo)權(quán)重的最小值。根據(jù)控制變量數(shù)量的多少選擇對應(yīng)的突變模型，突變模型的勢函數(shù)及歸一公式見表1。表1中，—為不同控制變量的突變隸屬度。

表1　突變模型的勢函數(shù)及歸一公式

對已排序的底層指標(biāo)的規(guī)格化數(shù)據(jù)利用表中對應(yīng)的歸一化公式進(jìn)行運(yùn)算[9]，可以得出最底層單元所對應(yīng)的突變隸屬度。對其他指標(biāo)層重復(fù)以上步驟，即可得到氣化爐總的隸屬度。

1.4 評估等級的確定

在突變級數(shù)法中，各綜合評價(jià)值的計(jì)算結(jié)果都比較高且接近，這與常規(guī)等級標(biāo)準(zhǔn)值差別極大。為了提高突變級數(shù)法的客觀性和全面性，使評價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確，需要對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更細(xì)致的劃分[10]。首先，依據(jù)常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級；然后，設(shè)各底層指標(biāo)的相對隸屬度（=0.2，0.4，0.6，0.8），依次計(jì)算準(zhǔn)則層、系統(tǒng)層、總目標(biāo)層的隸屬度，結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2　風(fēng)險(xiǎn)評估等級及其對應(yīng)的隸屬度

2 實(shí)例分析

SE?東方爐是依托單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化工藝所研發(fā)的氣化爐。該氣化爐對燒嘴和氣化爐的流場進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，具有順暢排渣、高效除灰以及碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在減少能耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)效益最大化。氣化爐綜合評價(jià)體系[11?13]如圖1所示。

圖1　氣化爐綜合評價(jià)體系

根據(jù)熵權(quán)法以及云模型生成的準(zhǔn)確性和有效性需要，依據(jù)某公司氣化爐裝置對底層影響因子打分，其分值在1～100，指標(biāo)越重要其分值越高，專家打分結(jié)果見表3。

表3　專家打分結(jié)果

對比溫度與壓力指標(biāo)的重要性打分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出，壓力指標(biāo)的分值較接近，而溫度指標(biāo)專家打分值則差距較大，說明對溫度指標(biāo)的重要性問題專家意見不統(tǒng)一。將溫度影響因子打分結(jié)果代入逆向云發(fā)生器，集合1=[60 90 83 70 90 80 75 80 90 98]輸入到逆向云發(fā)生器中，得到1=81.6，1=10.778 5，1=12.360 6，然后通過正向云發(fā)生器得到溫度云圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2　溫度云圖

按同樣的方法，可以得到壓力云圖，結(jié)果如圖3所示。由圖2—3可以看出，溫度云圖的云滴比壓力云圖的云滴更分散，云層更厚，溫度指標(biāo)的熵和超熵較大，不確定性高。

圖3　壓力云圖

通過改進(jìn)的云熵權(quán)計(jì)算公式式（2），求出各底層指標(biāo)的權(quán)重h；通過傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算公式式（1），求出各底層指標(biāo)的權(quán)重q。各指標(biāo)的、及權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)確定的權(quán)重，把指標(biāo)按重要性由大到小進(jìn)行排序。在準(zhǔn)則層c1中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐3＞d4＞d1＞d2；在準(zhǔn)則層c2中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐8＞d5＞d6＞d7；在準(zhǔn)則層c3中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐10＞d12＞d9＞d11；在準(zhǔn)則層c4中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐13＞d15＞d14；在準(zhǔn)則層c5中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐17＞d18＞d16；在準(zhǔn)則層c6中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐21＞d19＞d20；在準(zhǔn)則層c7中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐23＞d22；在準(zhǔn)則層c8中，指標(biāo)層的排序?yàn)閐25＞d24。

在機(jī)械系統(tǒng)B1中，準(zhǔn)則層的排序?yàn)閏2＞c1＞c3＞c4＞c5；在非機(jī)械系統(tǒng)B2中，準(zhǔn)則層的排序?yàn)閏8＞c6＞c7。在目標(biāo)層中，系統(tǒng)層的排序?yàn)锽2＞B1。

在本文中，每個(gè)變量的隸屬度均按“互補(bǔ)”原則取均值。由圖1中氣化爐綜合評價(jià)體系可知，該汽化爐綜合評價(jià)體系共有36個(gè)指標(biāo)，構(gòu)成11個(gè)突變系統(tǒng)，其中尖點(diǎn)型突變系統(tǒng)3個(gè)、燕尾型突變系統(tǒng)4個(gè)、蝴蝶型突變系統(tǒng)3個(gè)、棚屋型突變系統(tǒng)1個(gè)。

表4　各指標(biāo)的Ex、En、He及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

通過規(guī)格化處理得出底層指標(biāo)的突變隸屬度。選擇突變類型，利用歸一公式，結(jié)合MATLAB按照重要程度進(jìn)行計(jì)算，得出人、環(huán)、管以及機(jī)械系統(tǒng)和非機(jī)械系統(tǒng)的隸屬度，最后可以得出氣化爐綜合突變隸屬度，結(jié)果見表5。

由表5可知，該氣化爐綜合評價(jià)系統(tǒng)的總突變隸屬為0.986 8。對照表2可知，該氣化爐系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估等級為Ⅱ級，風(fēng)險(xiǎn)水平較低，評價(jià)結(jié)果符合該煤氣化裝置氣化爐系統(tǒng)的實(shí)際情況。氣化爐風(fēng)險(xiǎn)等級較低，不用采取緊急措施進(jìn)行整改或干預(yù)，在設(shè)備運(yùn)行過程中應(yīng)制定正確的操作流程和規(guī)范，對設(shè)備、環(huán)境以及人員加強(qiáng)監(jiān)督與管理，定時(shí)對設(shè)備進(jìn)行檢查與維護(hù)。

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合云模型改進(jìn)熵權(quán)法對影響汽化爐安全的所有指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，能夠避免傳統(tǒng)熵權(quán)公式只考慮單一影響因素帶來的誤差，云熵權(quán)法保證了結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，為重要性排序提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

（2）計(jì)算所得突變級數(shù)隸屬度普遍偏高且接近，通過優(yōu)化隸屬度的取值區(qū)間，評價(jià)等級劃分更加精確，結(jié)果更符合實(shí)際情況。

（3）從本文的評價(jià)結(jié)果可知，結(jié)果的準(zhǔn)確與否和專家打分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)量有一定關(guān)系，因此對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步完善。

表5　各級安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的突變隸屬度值

［1］ 李曉鋒，趙強(qiáng)，李龍軍.HAZOP分析方法在德士古氣化爐上的應(yīng)用［J］.西部煤化工，2014（2）：5?7.

［2］ 吳婭，楊楚明，陳偉根.突變理論在高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)模糊綜合評判中的應(yīng)用［J］.廣東電力，2007，20（9）：5?7.

［3］ 劉洋，段禮祥，鐘龍，等.基于突變級數(shù)法的離心泵機(jī)組安全評價(jià)模型［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（11）：155?160.

［4］ 陳紅江，彭小蘭.突變級數(shù)法在電站燃煤鍋爐結(jié)渣預(yù)測中的應(yīng)用［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（8）：97?102.

［5］ 賈進(jìn)章，董銘鑫.基于突變級數(shù)法的大型商場火災(zāi)危險(xiǎn)性評價(jià)［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，18（1）：61?65.

［6］ 徐征捷，張友鵬，蘇宏升.基于云模型的模糊綜合評判法在風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14（2）：69?72.

［7］ 呂輝軍，王曄，李德毅，等.逆向云在定性評價(jià)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2003，26（8）：1009?1014.

［8］ 熊衛(wèi)紅，張宏志，謝志成，等.基于云理論及熵權(quán)法的變壓器潛在故障風(fēng)險(xiǎn)評估方法［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2018，38（8）：125?130.

［9］ 鄧長濤，嚴(yán)超君，董菁.基于突變理論的工業(yè)園區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［J］.陜西水利，2018（6）：98?101.

［10］ 武珊珊. 基于修正突變級數(shù)法的天然氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

［11］ 楊鵬.基于數(shù)據(jù)分析的煤化工氣化爐智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2020.

［12］ 徐延梅.水煤漿氣化爐關(guān)鍵部件的改進(jìn)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

［13］ 時(shí)傳興.水煤漿氣化裝置系統(tǒng)主壓力管道的可靠性及沖蝕分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

Risk Assessment of Gasifier Based on Improved Entropy Weight?Mutation Progression Method

Zhang Di1， Gao Peng2， Tian Siqi3， Cui Yonghai4

（1.School of Environmental ＆ Safety Engineering， Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001，China；2.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China； 3.PetroChina Jinzhou Petrochemical Company，Jinzhou Liaoning 121001，China； 4.Fushun New Steel Corporation Ltd.，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China）

In order to improve the accuracy of gasifier risk assessment, a safety assessment method that combines cloud model with catastrophe progression method was proposed. Through literature review and expert analysis, the risks of the gasifier are divided into mechanical systems, personnel, management and environmental risks, and a multi?level risk assessment system for the gasifier was established. The cloud model is an effective tool for qualitative and quantitative conversion. The entropy and hyper?entropy feature values of the cloud model were introduced, and the cloud entropy weight method was proposed to improve the traditional weight calculation method, and the weight calculation of all indicators was carried out to improve the accuracy of the ranking results. According to the normalization formula, the mutation membership value of each layer index and the total mutation membership value of the gasifier are calculated, and the risk level of the gasifier is judged according to the risk level evaluation table. The research results show that this method improves the comprehensiveness and objectivity of the weight ranking, and makes the gasifier risk assessment results consistent with the actual situation, which verifies the feasibility and effectiveness of the method.

Gasifier； Catastrophe progression method； Cloud model； Cloud entropy weight method； Risk assessment

TE66；X937

A

10.3969/j.issn.1672?6952.2022.01.010

1672?6952（2022）01?0053?06

2021?02?21

2021?05?29

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFC0808500）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51505207）；遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（LR2017070）；遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（L2019019）。

張迪（1994?），女，碩士研究生，從事大型煤氣化可靠性分析研究；E?mail：17862003150@163.com。

高鵬（1982‐），男，博士，教授，從事機(jī)械系統(tǒng)可靠性研究；E?mail：gaogaopeng@163.com。

http：//journal.lnpu.edu.cn

（編輯 宋錦玉）