基于組合賦權(quán)—改進TOPSIS的原油集輸系統(tǒng)綜合用能評價研究

何建林,梁月玖,成慶林,王 雪,于靖波,孫 巍

(1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院,北京 100083)

近年來,隨著油氣田產(chǎn)能規(guī)模擴大、原油含水率增高等因素影響,油氣田能源消費總量和應(yīng)用強度持續(xù)增加,能耗控制壓力也剛性上升。而原油集輸系統(tǒng)作為油氣田地面工程的核心環(huán)節(jié),其復(fù)雜的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)特點增加了高能耗依賴性,占據(jù)整體油田生產(chǎn)能耗的30%以上[1]。因此,有必要對原油集輸系統(tǒng)的用能水平進行分析,合理評價用能情況,判斷用能薄弱環(huán)節(jié)并提出相應(yīng)的節(jié)能技改措施,對于促進油氣田企業(yè)降本增效、實現(xiàn)“節(jié)能減排、低碳環(huán)?！钡哪繕?biāo)均具有重要意義。

目前,在對原油集輸系統(tǒng)進行用能評價時,多采用單一的主觀或客觀評價方法,忽略了系統(tǒng)整體的評判結(jié)果,不能科學(xué)全面地分析系統(tǒng)整體用能水平。本文基于構(gòu)建的集輸系統(tǒng)用能評價體系,首先,將改進AHP(IAHP)法及熵權(quán)法有機融合進行組合賦權(quán),得到系統(tǒng)評價指標(biāo)的綜合權(quán)重;其次,在傳統(tǒng)TOPSIS評價法的基礎(chǔ)上,引入灰色關(guān)聯(lián)理論,采用灰色關(guān)聯(lián)度替代歐氏距離,通過計算灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度,對集輸系統(tǒng)用能水平進行綜合評判。采用該綜合評價法不僅能兼顧專家評判的主觀臆斷性及數(shù)據(jù)的客觀性,在一定程度上實現(xiàn)各評價方法的優(yōu)勢互補,又考慮了各指標(biāo)間的相互交叉作用,使整體評價結(jié)果更加科學(xué)合理,同時為更加客觀真實地反映系統(tǒng)用能水平奠定理論基礎(chǔ)。

1 集輸系統(tǒng)用能評價體系構(gòu)建

參考GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》《油氣田地面工程技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)手冊》等相關(guān)節(jié)能標(biāo)準規(guī)范,并結(jié)合油田地面集輸系統(tǒng)能耗構(gòu)成特點,篩選出符合生產(chǎn)實際的用能評價指標(biāo)[2],在此基礎(chǔ)上構(gòu)建集輸系統(tǒng)用能評價體系,如圖1所示。

圖1 集輸系統(tǒng)用能評價體系Fig.1 Energy evaluation system of gathering and transportation system

將評價體系劃分為3層,分別為M、P和T層,M層為集輸系統(tǒng)綜合用能水平,P層為綜合實物、強度、效率及其他4個層級指標(biāo),T層為描述各層級的基礎(chǔ)能耗指標(biāo)。

2 基于組合賦權(quán)—改進TOPSIS的綜合用能評價模型

2.1 評價指標(biāo)標(biāo)準化處理

由于集輸系統(tǒng)各用能評價指標(biāo)的量綱、數(shù)量級等不一致,為了消除該情況造成的指標(biāo)不可比性,使計算更加精確方便,須對各評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化處理[3-5]。本文所建立的集輸系統(tǒng)用能評價體系中,既包括描述系統(tǒng)運行狀況的定性指標(biāo),也包括描述系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)的定量指標(biāo),下面分別介紹其具體標(biāo)準化及量化方法。

2.1.1 定量指標(biāo)的標(biāo)準化及量化

對于用能評價體系中燃料消耗量、耗電量等這類定量指標(biāo)的標(biāo)準化處理,主要包括離差標(biāo)準化法(min-max法)、中心化法(Z-Score)及歸一化法(0-1法)等[6],而定量指標(biāo)又包括效益型評價指標(biāo)與成本型評價指標(biāo),本文均采用離差標(biāo)準化法對指標(biāo)實際測算值進行標(biāo)準化及量化處理。

(1)對于效益型評價指標(biāo),其計算公式具體表現(xiàn)為:

(1)

(2)對于成本型評價指標(biāo),其計算公式具體表現(xiàn)為:

(2)

2.1.2 定性指標(biāo)的標(biāo)準化及量化

在實際評價過程中,對于集輸工藝適應(yīng)性、設(shè)備老化程度等這類不能直接通過實際測算數(shù)據(jù)得到評價結(jié)果的定性指標(biāo),可以根據(jù)現(xiàn)場專家或者相關(guān)從業(yè)人員依靠自身經(jīng)驗給出相應(yīng)的評價結(jié)果[7]。為了保證評價結(jié)果的科學(xué)合理性,將評分結(jié)果劃分為一個數(shù)據(jù)區(qū)間,假設(shè)共有k個油氣田相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?按指標(biāo)對系統(tǒng)用能水平的影響程度參與評分,第i個專家對第j個評價指標(biāo)的評分區(qū)間值為[Nij1,Nij2],其中,Nij1,Nij2∈[60,100],δj為第j個指標(biāo)評價值,則有:

第i個專家對第j個評價指標(biāo)值的計算隸屬度為:

(3)

k個專家對第j個評價指標(biāo)值的平均計算隸屬度為:

(4)

令δj為該評價指標(biāo)的量化值,則εj表示為:

(5)

由于評價結(jié)果是離散化和階段化,因此式(5)可簡化為:

(6)

2.2 基于IAHP法確定主觀權(quán)重

傳統(tǒng)AHP法一般采用1～9標(biāo)度對指標(biāo)的影響程度兩兩進行比較來構(gòu)造評判矩陣,然后確定指標(biāo)權(quán)重。然而在實際應(yīng)用時,該方法的評判標(biāo)準過于模糊,導(dǎo)致評判過程復(fù)雜化,同時指標(biāo)間的多次比較使得本身信息損失過多,得到的權(quán)重穩(wěn)定性不高[8]。

本文提出一種改進 AHP(IAHP) 法,即首先按照1～9的標(biāo)度對各評價指標(biāo)進行一次性打分,此過程可避免指標(biāo)間的重復(fù)冗余比較,保留本身具備的 信息大小;其次根據(jù)打分情況建立改進比較矩陣,并按照AHP 法確定指標(biāo)權(quán)重。依據(jù)IAHP法確定的指標(biāo)權(quán)重一定滿足一致性要求,無需額外進行一致性檢驗,其具體計算過程如下。

(1)層次指標(biāo)一次性打分。邀請來自油氣田相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?依據(jù)用能評價體系中評價指標(biāo)的相對重要程度,按照 1～9 的標(biāo)度對指標(biāo)進行打分賦值,各指標(biāo)最終得分取各專家打分平均值,具體的分值情況如下:分值為1、3、5、7、9時,對應(yīng)的重要程度為極其不重要、不重要、中等重要、重要、極其重要;分值為2、4、6、8時,表明對應(yīng)的重要程度介于上述兩相鄰分值尺度之間。

(2)構(gòu)造改進比較矩陣。結(jié)合專家打分情況,構(gòu)造改進比較矩陣。假設(shè)比較矩陣為D=(dij)n×n,ei及ej為同一比較矩陣中兩個指標(biāo)的分值,則dij可以表示為:

(7)

(3)確定評價指標(biāo)權(quán)重。采用乘法加權(quán)對各評價指標(biāo)的主觀權(quán)重進行計算,其計算公式為:

(8)

2.3 基于熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是一種基于數(shù)據(jù)本身的離散性,依據(jù)各評價指標(biāo)所包含信息量的大小以及變異程度來確定指標(biāo)權(quán)重的客觀決策方法[9],具體計算步驟如下。

(1)確定評價指標(biāo)特征比重。第j個評價指標(biāo)的特征比重gij計算公式為:

(9)

式中,yij為第i個待評價對象的第j個指標(biāo)標(biāo)準化之后的數(shù)值。

(2)確定評價指標(biāo)信息熵。第j個評價指標(biāo)的信息熵Gj計算公式為:

(10)

(3)確定評價指標(biāo)權(quán)重。第j個評價指標(biāo)的權(quán)重計算公式為:

(11)

2.4 基于組合賦權(quán)法確定綜合權(quán)重

若采用單一的主客觀賦權(quán)法進行評價,則評價結(jié)果可靠性較低。將IAHP法及熵權(quán)法有機融合進行組合賦權(quán),不僅能兼顧專家評判的主觀臆斷性及數(shù)據(jù)的客觀性,且在一定程度上可實現(xiàn)兩種方法的優(yōu)勢互補,更加精準地判斷評價指標(biāo)權(quán)重。而組合賦權(quán)法具有多種形式,本文采用線性加權(quán)原理建立優(yōu)化模型來確定綜合權(quán)重[10-12]。

(12)

對上述優(yōu)化決策模型關(guān)于λ求導(dǎo),可知當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)為0時偏差平方和最小,此時求得的最優(yōu)賦權(quán)系數(shù)λ=0.5,即當(dāng)主客觀權(quán)重各占50%時得到的組合賦權(quán)最優(yōu)。

則基于IAHP法及熵權(quán)法的指標(biāo)綜合權(quán)重表達式為:

(13)

2.5 改進TOPSIS綜合評價模型

TOPSIS綜合評價法是一種多屬性決策方法,其計算過程簡便,評估結(jié)果較為合理。但在實際應(yīng)用過程中,決策方案可能存在與正、負理想解歐氏距離均貼近的情況,無法準確反映方案優(yōu)劣性[13-15]。本文引入灰色關(guān)聯(lián)理論,采用灰色關(guān)聯(lián)度替代歐氏距離,并根據(jù)各方案的灰關(guān)聯(lián)貼近度進行優(yōu)劣排序,綜合反映系統(tǒng)用能水平情況。

(1)構(gòu)造標(biāo)準化決策矩陣Z=(zij)m×n。對各方案的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)zij進行標(biāo)準化處理,構(gòu)成一個標(biāo)準化決策矩陣Z=(zij)m×n。

(2)確定正、負理想解Z+和Z-。假設(shè)在標(biāo)準化決策矩陣Z=(zij)m×n中,存在:

(14)

(15)

則和即為正、負理想解。

(16)

(17)

(18)

(19)

(5)計算灰關(guān)聯(lián)相對貼近度fi并進行優(yōu)劣排序。各方案的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度fi(i=1,2,…,m)計算公式為:

(20)

當(dāng)灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度越大,表明該方案下集輸系統(tǒng)的用能水平越好。

3 實例分析

以新疆某油田原油集輸系統(tǒng)為例,其總體工藝流程為:井口產(chǎn)出液經(jīng)井口加熱爐加熱后輸送至計量站,計量站主要負責(zé)對井口來液進行安全保護和計量,計量后輸送至接轉(zhuǎn)站,經(jīng)接轉(zhuǎn)站初步分離、加壓、加熱后,將其輸送至聯(lián)合站進行油氣水集中分離,經(jīng)加熱沉降脫水后進入原油穩(wěn)定塔進行穩(wěn)定和脫硫,處理后的合格原油加壓外輸至油庫。該原油集輸系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 新疆某油田原油集輸系統(tǒng)流程示意Fig.2 Flow diagram of crude oil gathering and transportation system in a certain oilfield in Xinjiang

依據(jù)本文提出的系統(tǒng)用能評價體系和用能評價方法,對該原油集輸系統(tǒng)進行綜合用能評價。該系統(tǒng)1—6月份日均實際運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 各月份日均實測數(shù)據(jù)Tab.1 Daily measured data of each month

(1)指標(biāo)標(biāo)準化處理。在8個定量指標(biāo)中,集輸系統(tǒng)燃料消耗量、耗電量、單位原油集輸電耗、氣耗以及綜合能耗均屬于成本型指標(biāo);集輸系統(tǒng)熱能利用率、電能利用率及能源利用率均屬于效益型指標(biāo),根據(jù)式(1)、式(2)得到各定量指標(biāo)的標(biāo)準化數(shù)據(jù)見表2。

表2 各定量指標(biāo)的標(biāo)準化數(shù)據(jù)Tab.2 Standardized data of each quantitative index

應(yīng)用前面介紹的定性指標(biāo)量化及標(biāo)準化方法,根據(jù)式(6)得到各月份定性指標(biāo)專家評估結(jié)果及標(biāo)準值見表3。

表3 定性指標(biāo)的量化及標(biāo)準化數(shù)據(jù)Tab.3 Quantitative and standardized data of qualitative indicators

(2)指標(biāo)權(quán)重確定。首先運用IAHP法確定各評價指標(biāo)的主觀權(quán)重,以準則層權(quán)重計算為例,根據(jù)專家打分,可得改進比較矩陣:

根據(jù)式(8)可知,主觀權(quán)重向量P1=(0.472 9,0.284 4,0.169 9,0.072 8)。

同理,依據(jù)上述思路,可知指標(biāo)層的各主觀權(quán)重,結(jié)果見表4。

表4 集輸系統(tǒng)用能評價指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Weight of energy evaluation index of gathering and transportation system

其次,根據(jù)各評價指標(biāo)的標(biāo)準化數(shù)據(jù),運用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重,并將二者結(jié)合,根據(jù)式(13)得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重,結(jié)果見表4。

(3)改進TOPSIS法綜合評價集輸系統(tǒng)用能水平。根據(jù)表3、表4中各指標(biāo)的標(biāo)準化數(shù)據(jù),得到標(biāo)準化決策矩陣Z。

根據(jù)標(biāo)準化矩陣Z及式(14)、式(15),可知正、負理想解分別為Z+={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1},Z-={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0},所對應(yīng)的評價指標(biāo)矩陣為[1.656,0.213,2.347,12.66,12.75,65.44,46.14,62.75,75,60]和[1.938,0.303,2.920,17.82,18.41,54.61,41.47,55.41,60,75]。

表5 各月份下關(guān)聯(lián)排序結(jié)果對比Tab.5 Comparison of association ranking results of each month

將表5中的關(guān)聯(lián)排序結(jié)果繪制成關(guān)聯(lián)排序結(jié)果對比直方圖,如圖3所示。

圖3 關(guān)聯(lián)排序結(jié)果對比Fig.3 Comparison of correlation ranking results

由圖3可以直觀看出,各月份的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度與正灰色關(guān)聯(lián)度的變化趨勢基本保持一致,其值雖同時受正、負灰色關(guān)聯(lián)度的影響,但主要受制于正灰色關(guān)聯(lián)度的大小。并由改進TOPSIS綜合評價法可知,當(dāng)不同月份下的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度越大,表明該月份下集輸系統(tǒng)的用能水平越好。

由表5、圖3可知,6月份的正灰色關(guān)聯(lián)度和灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度較其他月份最大,分別為0.912和0.718,這說明該集輸系統(tǒng)在6月份用能水平最高,此時的集輸系統(tǒng)燃料消耗量、耗電量等各項用能評價指標(biāo)最優(yōu),滿足油田經(jīng)濟運行狀態(tài);5月份的用能水平最低,其正灰色關(guān)聯(lián)度和灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度僅達到0.409和0.352,通過對該月份下各個評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析可知,5月份的集輸系統(tǒng)燃料消耗量、耗電量和單位能耗整體偏高,電能利用率及能源利用率偏低,從而導(dǎo)致集輸系統(tǒng)整體能效水平降低。

對于該原油集輸系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的節(jié)能改進措施。對于單位電耗較大或電能利用率較低這兩種現(xiàn)象,主要原因集中在以下方面:①輸油泵等動力設(shè)備負載率過低,且額定排量與實際排量不匹配,導(dǎo)致設(shè)備實際運行效率過低;②輸油泵等耗能設(shè)備使用年限過長,機泵承壓部位腐蝕嚴重,出現(xiàn)老化現(xiàn)象,導(dǎo)致設(shè)備在進行轉(zhuǎn)換過程中損失較大。

針對上述產(chǎn)生的問題,提出以下節(jié)能技改措施:①可以采用切削葉輪技術(shù),改變輸油泵的葉輪直徑,達到管壓與泵壓相匹配,從而提高泵的運行效率,降低集輸系統(tǒng)能耗,但切削葉輪直徑不宜過大,需控制在20%以內(nèi);②應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù),動態(tài)調(diào)節(jié)機泵的轉(zhuǎn)速及泵出口閥門開度,從而改變輸油泵的排量和消除泵管壓差,降低機泵運行電流,實現(xiàn)節(jié)能降耗;③根據(jù)生產(chǎn)實際淘汰更新落后的機泵,應(yīng)用高效節(jié)能的輸油泵替代低效泵機組,有效提升動力設(shè)備運行效率,從而降低系統(tǒng)電能消耗。

4 結(jié)論

(1)本文基于構(gòu)建的原油集輸系統(tǒng)用能評價體系,提出了基于組合賦權(quán)—改進TOPSIS的綜合用能評價方法。首先,在確定指標(biāo)權(quán)重向量時,采用加權(quán)函數(shù)優(yōu)化模型將改進AHP(IAHP)法及熵權(quán)法有機融合,得出綜合主客觀權(quán)重的最優(yōu)賦權(quán)系數(shù),提高了指標(biāo)賦權(quán)的合理性,更加精準地判斷評價指標(biāo)的組合權(quán)重;其次,在傳統(tǒng)TOPSIS評價法的基礎(chǔ)上,引入了灰色關(guān)聯(lián)理論,采用灰色關(guān)聯(lián)度替代歐氏距離,彌補了決策方案可能存在與正、負理想解歐氏距離均貼近的缺陷;最后,將組合賦權(quán)應(yīng)用于改進TOPSIS綜合評價法,通過計算灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度對決策方案進行優(yōu)劣排序,綜合反映集輸系統(tǒng)用能水平情況。通過對某油田原油集輸系統(tǒng)用能水平的實例研究表明,該評價方法有效可行,提高了評價結(jié)果可信度,為更加客觀真實地反映系統(tǒng)用能水平奠定了理論基礎(chǔ)。

(2)對某油田原油集輸系統(tǒng)1—6月的用能水平進行綜合評價,其正、負理想方案指標(biāo)值分別為[1.656,0.213,2.347,12.66,12.75,65.44,46.14,62.75,75,60]和[1.938,0.303,2.920,17.82,18.41,54.61,41.47,55.41,60,75],通過判斷各月份與理想解的灰色關(guān)聯(lián)程度可知,該原油集輸系統(tǒng)在6月份用能水平最高,其灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度為0.718;5月份的用能水平最低,其灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度為0.352;并針對該原油集輸系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié),提出了相應(yīng)的節(jié)能技改措施。