基于模糊層次分析的煤氣化爐壽命評價體系

曹壯壯 郭 曉 白 璇 王禹卓 譚 蔚 汪 洋

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

我國是能源消耗大國，在眾多能源中煤炭占較大比重，煤直接燃燒會造成嚴重的環(huán)境污染和大量碳排放。 國家“十四五”規(guī)劃明確要求推動能源清潔低碳安全有效利用。 煤氣化作為煤炭化學(xué)工業(yè)的清潔利用技術(shù)， 是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，其產(chǎn)物既可以作為基本化工原料用于制氫、合成氨及合成油等， 也可以作為清潔燃料用于發(fā)電、冶金、機械及城市燃氣等領(lǐng)域［1］。大力發(fā)展煤氣化技術(shù)，將煤炭清潔化利用，減少環(huán)境污染，符合我國的基本國策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求［2］。 煤氣化裝置具有投入大、可靠性要求高等特點，而煤氣化爐作為煤氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，開展壽命評價體系的研究，及時進行風(fēng)險評估和安全評價，對安全生產(chǎn)具有重要的實際意義［3］。

煤氣化爐的工作環(huán)境條件惡劣，工作溫度超過1 300 ℃，氣化壓力高，處于高溫、高壓及多相流等復(fù)雜的環(huán)境， 各個部件容易發(fā)生磨蝕燒蝕、熱疲勞等問題，進而導(dǎo)致設(shè)備失效。 目前，我國煤氣化爐大型化發(fā)展面臨運行周期短、造價高等諸多問題。 在煤氣化爐內(nèi)關(guān)鍵部件的研究上，周運動等分析影響氣化燒嘴壽命的種種因素，制定相應(yīng)的改進措施［4］；呂詩宏等分析耐火襯里的失效原因，提出相應(yīng)的防護措施［5］；黃雙等則對襯里的狀態(tài)進行評價［6］。 煤氣化爐合成氣水激冷系統(tǒng)的主要部件有激冷環(huán)、下降管及破泡床等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孫嫩霞分析激冷環(huán)的結(jié)構(gòu)并進行結(jié)構(gòu)改進［7］。以上的研究只是對煤氣化爐部件進行分析，并未給出煤氣化爐的壽命評價。 影響煤氣化爐壽命的因素眾多，且大多難以定量描述只能定性分析。 因此，對煤氣化爐進行壽命評價難度很大。

模糊綜合評價法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)，將定性評價問題轉(zhuǎn)化為定量分析的一種方法，其優(yōu)點在于可以通過精確的數(shù)學(xué)方法處理模糊的評價對象，對模糊信息做出較為科學(xué)、 合理的量化評價，這有利于對受到多種不確定性因素制約的復(fù)雜裝備性能作出一個總體評價。 目前，模糊綜合處理已經(jīng)在許多復(fù)雜設(shè)備的壽命或性能評判中得到應(yīng)用，且效果良好。 楊文斌等利用層次分析和模糊綜合法對壓力容器的安全附件進行評估［8］；周建民等提出一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊評價的滾動軸承性能退化評估方法［9］。 劉耀鈴等在已有的復(fù)雜裝備評價方法的基礎(chǔ)上， 提出一種基于AHP-模糊綜合的性能評價體系， 且在無人機告警探測距離性能評判中表現(xiàn)良好［10］。

基于上述分析，筆者提出一種模糊綜合層次評價體系，綜合氣化燒嘴、耐火襯里與合成氣水激冷系統(tǒng)三者的影響因素，進行煤氣化爐整體壽命分析，建立大型煤氣化爐壽命評價體系。

1 煤氣化爐壽命層次分析

層次分析法（AHP）［11］最早由Saaty T L提出，是一種將定性與定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。 該方法的主要思想是依據(jù)所要解決的問題或預(yù)期的總目標(biāo)，將復(fù)雜的問題分解為若干層次，構(gòu)成一個多層次的結(jié)構(gòu)模型，最終使問題成為最低層相對于最高層的相對重要權(quán)的排序［12］。

以Texaco氣流床氣化爐為研究對象進行層次分析，該氣化爐的重要部件有耐火襯里、水激冷系統(tǒng)和氣化燒嘴，其壽命也由三者的壽命共同決定。 其中，耐火襯里壽命的影響因素包括煤種成分、溫度壓力、水煤氧占比、襯里加工質(zhì)量及維修保養(yǎng)情況等；水激冷系統(tǒng)壽命的影響因素包括激冷室液位、溫度壓力波動、粗合成氣固含量、粗合成氣量、激冷水流量及腐蝕氣體含量等；燒嘴可能出現(xiàn)的問題包括冷卻水供應(yīng)不足導(dǎo)致的高溫?zé)龎?、長時間使用出現(xiàn)的磨蝕情況及加工缺陷引起漏水漏氣等。將上述煤氣化爐各個部件受到的影響進行整合分析，得到煤氣化爐爐體壽命層次結(jié)構(gòu)圖 （圖1）， 該圖從左往右依次為決策層、中間層和因素層。

圖1 煤氣化爐壽命預(yù)測層次結(jié)構(gòu)示意圖（AHP圖）

2 基于模糊層次分析法構(gòu)建煤氣化爐壽命評價體系

2.1 模糊關(guān)系矩陣的構(gòu)建

2.1.1 評價等級構(gòu)建

評價等級是針對決策層可能出現(xiàn)的某種狀況的描述，評價集是所有評價等級的集合。 通常情況下，評價的等級會取3～9級，評價等級過多會影響最終結(jié)果的歸屬，評價等級過少則不符合綜合評價的結(jié)果要求。 因此，根據(jù)煤氣化爐的壽命情況，將評價結(jié)果分為5個評價等級“壽命良好、壽命較好、壽命一般、壽命較差、壽命很差”，可以得到煤氣化爐壽命評價集V= {v1， v2， v3， v4， v5}={壽命良好，壽命較好，壽命一般，壽命較差，壽命很差}。

2.1.2 因素集構(gòu)建

2.1.3 隸屬度向量構(gòu)建

隸屬度向量由專家評價得出。 若干專家組成評價組，根據(jù)評價集中的5個等級，給每一個因素集中的評價因素打分。其中，因素集U中任一評價因素ui對評價集V中每一等級vj的隸屬度向量為：

該隸屬度向量中的元素表示，在特定的工況下，專家在定量和定性基礎(chǔ)上對某一評價因素進行分析，得出該工況下某因素對壽命的影響。 例如，某種工況下，粗合成氣固含量較大，若干專家在分析后得到的數(shù)據(jù)為5%的專家認為粗合成氣固含量較大對水激冷系統(tǒng)壽命影響小（即壽命良好）、5%的專家認為影響較?。磯勖^好）、10%的專家認為影響一般（即壽命一般）、10%的專家認為影響較大（即壽命較差）和70%的專家認為影響很大（即壽命很差），可得：

2.1.4 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)隸屬度向量構(gòu)造原則，可分別得到因素層中每個因素對各個風(fēng)險等級的隸屬度，綜合對應(yīng)的向量可以得到總體壽命或者某一部位壽命的模糊關(guān)系矩陣R：

矩陣中rij表示因素ui對評價vj的隸屬度，且取值為：0≤rij≤1。

2.2 權(quán)向量確定

采用層次分析法來確定各個因素的指標(biāo)權(quán)重。

2.2.1 判斷矩陣的構(gòu)建

同一層不同因素的重要性不同，兩兩因素相互比較，根據(jù)其相對重要性等級構(gòu)造判斷矩陣Am×m：

矩陣中aij表示因素i對因素j的重要程度，根據(jù)比例標(biāo)度（表1）［11］可以確定其相對重要等級的量化值，即可得到aij的值。

表1 比例標(biāo)度

此外，矩陣中元素間的關(guān)系為：

2.2.2 權(quán)向量計算

得到判斷矩陣后，求解判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量：

式（2）中Am×m為m階的判斷矩陣，λmax為判斷矩陣的最大特征值，M為最大特征值對應(yīng)的特征向量。將M經(jīng)過歸一化處理之后，得到向量W=［w1，…，wj，…，wm］，該向量為最終的權(quán)向量，向量中元素wj為因素j在同層次因素中的相對權(quán)重。

2.2.3 一致性檢驗

在構(gòu)建判斷矩陣時，僅兩兩因素之間進行局部比較，沒有考慮全局關(guān)系，可能會出現(xiàn)因素i比因素j重要、因素j比因素m重要，而因素m又比因素i重要的情況，即判斷矩陣A是非一致性的。 因此，對矩陣進行一致性檢驗是必要的。

首先，計算一致性指標(biāo)CI：

當(dāng)CI=0時， 認為矩陣A有完全的一致性；CI越大，矩陣越不一致。

其次，根據(jù)判斷矩陣的階數(shù)，由表2得到平均隨機一致性指標(biāo)RI值［11］。

表2 平均隨機一致性指標(biāo)RI值

如果CR＜0.1，則認為判斷矩陣具有良好的一致性，通過了一致性檢驗。

通過上述步驟，即可得到同一層次下不同因素的權(quán)重。

2.3 模糊綜合評判

建立綜合評價模型時， 利用模糊算子。將模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)重向量W進行模糊合成運算：

向量中，bj表示在某一特定的工況下，設(shè)備壽命評價等級為vj的概率。

若假設(shè)，設(shè)備壽命5個等級V={v1，v2，v3，v4，v5}， 對應(yīng)的得分分別為S={100，80，60，40，20}，可以得出最終設(shè)備壽命的得分F=B·ST，并以此來評判該設(shè)備在特定工況下的壽命情況。

綜上所述，可以構(gòu)建一個依據(jù)模糊綜合評價方法，來判斷煤氣化爐設(shè)備壽命的新模型，如圖2所示。

圖2 煤氣化爐壽命預(yù)測流程

3 舉例分析

現(xiàn)有一煤氣化爐， 當(dāng)各因素的隸屬度為Ri=［1，0，0，0，0］時，煤氣化爐工作狀態(tài)處于極佳狀態(tài)，壽命評估為100分。

3.1 權(quán)重計算

3.2 計算隸屬度向量

假設(shè)在兩種工況下，煤氣化爐各因素的隸屬度分別見表3、4。

表3 工況1下煤氣化爐各因素隸屬度

表4 工況2下煤氣化爐各因素隸屬度

（續(xù)表4）

燒嘴壽命模糊關(guān)系矩陣：

燒嘴壽命模糊關(guān)系矩陣：

3.3 評估設(shè)備壽命

3.3.1 工況1

由B2向量可以看出：在工況2下，壽命良好的概率僅為是12.01%， 而壽命較差的概率高達56.60%，可以認為此工況下，設(shè)備壽命不佳。

3.4 設(shè)備得分情況

設(shè)備壽命的5個等級V={v1，v2，v3，v4，v5}，對應(yīng)得分為S={100，80，60，40，20}。 由F=B·ST，可以得出最終設(shè)備壽命的得分。 認為：得分在80分以上，設(shè)備可以較好運行，壽命較長；得分在60及其以下，設(shè)備不可正常工作，壽命不佳；得分在60～80之間，設(shè)備可以運行，但需要及時調(diào)整，處于預(yù)警狀態(tài)。

工況1下，設(shè)備壽命得分F=B·ST=80.208，說明該工況下設(shè)備壽命較好， 但是即將進入預(yù)警狀態(tài)，建議對工況稍作調(diào)整，保證設(shè)備正常運行。

工況2下，設(shè)備壽命得分F=B·ST=52.540，說明該工況下設(shè)備不可正常工作，需要對設(shè)備的各個參數(shù)進行調(diào)整。

4 結(jié)束語

基于模糊層次分析法的煤氣化爐壽命評價體系具有以下特點：

a. 層次分析法能夠針對煤氣化爐的壽命評估問題進行分析， 把影響因素分為若干層次，用框式圖說明不同層次之間的遞進關(guān)系，簡化復(fù)雜的壽命評估問題。

b. 利用模糊綜合評價分析法，將煤氣化爐壽命分析的定性評價問題轉(zhuǎn)化為定量評價過程。 從所舉例子中可以看出，通過該方法處理煤氣化爐的壽命問題，可以實現(xiàn)合理科學(xué)的量化評價。

c. 利用AHP-模糊綜合評價方法， 能夠?qū)γ簹饣癄t壽命做出科學(xué)有效的評價，為后續(xù)的合理操作提供了有效依據(jù)。 同時，所提出的AHP-模糊綜合評價的煤氣化爐壽命評價體系，彌補了煤氣化爐壽命評價方法的空缺。

但是，該方法存在一定的局限性。 模糊合成時，只進行簡單的線性相乘，實際情況可能是非線性甚至是更復(fù)雜的算子；未考慮不同因素之間的交互作用； 隸屬度的構(gòu)建采用專家評價法，具有較大的主觀性，若能通過數(shù)據(jù)分析等方法得到更加客觀的隸屬度，可以提升模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。