含硫天然气脱硫净化装置模块化设计

杨黎鹏, 李维国

(1.中国石化石油工程设计有限公司,山东东营 257026; 2.中国石油大学(华东)理学院,山东青岛 266580)

石油天然气工程系统的模块化不仅可以满足大批量生产,而且具有高效率、低成本的优势。童时中[1]指出,为了获得最佳效益,从系统角度出发,研究产品或者系统的构成形式,采用分解和组合的方法,建立模块体系,并运用模块组合成产品或者系统的全过程。Langlios等[2]提出模块化是一个系统性概念,通常指模块元素分离与重新组合成系统的过程。Sanchez等[3]提出模块化是将复杂任务分解成相对简单的活动,并且各个活动能够同时独立进行,可以有效管理产品和流程的方法。Baldwin等[4]认为模块化是将复杂任务分解成相对简单的活动,一个大系统的不同部分大多数是由模块构成的。模块化能降低系统研发的复杂性,降低产品整体研发及制造的复杂度,从而减少研发费用,提高创新效率[5],模块化能够实现系统的并行开发,还可以实现资源共享。现有的模块划分方法(如启发式模块创建方法、遗传算法[7]等)对于天然气脱硫净化装置并不适用。启发式模块创建算法只能从功能角度探讨模块的形成方法,不能完全体现出设计需求约束等问题。遗传算法是模拟自然界中生物进化机制的一种迭代算法,黄小侨等曾基于遗传算法对常减压装置进行多目标优化[6],但该算法需计算其相应的适应函数、相关概率等[8],过程繁琐。笔者针对天然气脱硫净化装置的实际情况,提出基于功能-几何相关性-接口的产品概念设计过程模型,在计算相关度时提出赋值表,并运用图分割聚类算法[9]建立一种针对该系统的模块化划分方法。概念设计过程模型突出最主要的划分依据功能相关性,且引入接口这个相关项目,在忽略设备内部行为、状态等复杂因素[10]的情况下,考虑设备间的能量流、物质流、信息流。

1 基于图分割的天然气处理装置模块化设计

模块化设计是一个复杂的决策过程,它要求决策者从实际需求出发,进行功能分解,原理求解,零部件构成,装配布局[11],在此基础上对模块划分结果做出评价。

1.1 产品的子功能-设备序列

天然气处理装置的模块化,主要依据相应的天然气处理装置的工艺流程,通过对其进行分解处理,获得完整的设备序列。之后从中选取所有需要模块化的设备,并通过黑箱法和IDEF0方法制成最终的产品的子功能-设备序列模型。其中方框表示设备,方框的输入、输出表示该设备与外界的物质、能量、信息交换。在IDEF0功能描述方法中,除设备和输入输出外还有支撑、控制、约束条件等。模型见图1。其中设备序列共n个,以设备Ai和Ai+1为例。

图1 子功能-设备序列模型部分图Fig.1 Partial diagram of sub function-device sequence model

1.2 概念结构设计过程

概念结构设计中的产品模块化主要按功能进行分解,目前模块化中典型的概念设计过程模型有功能-结构模型[12]、功能-行为-结构模型[13]、功能-原理-结构模型[14]。

表1 设备间的相关值

设备间相关值数据通过模糊分级给出,特别地,决策人员根据比例标度表(表2)给出相关设备间的物质、能量、信息成对比矩阵(表3),模块化过程中所涉及的所有成对比矩阵在满足一致性检验的情况下,均可以进行适当调整,再由层次分析法得出设备间的物质、能量、信息的权值,若设备间同时存在物质、能量、信息或者两者以上的联系,则权值相加即可(表1接口部分中相应的权值)。

表2 比例标度

表3 设备间物质、能量、信息的成对比矩阵及权值Table 3 Pairwise comparison matrix of material, energy and information between devices and weights

1.3 图分割模块划分

为表达设备间的相关性引入相关度的概念:

(1)

采用无向图G来表示产品子功能-设备序列模型中设备之间的关系,图的结点xi表示设备,图的边eij表示设备Ai和Aj间的联系,则有

G=[X,E],X={x1,x2,…,xn},E={eij=(xi,xj)|xi,xj∈X},i,j∈{1,2,…,n}.

步骤1:确定无向图G的边E的权值w(e)=rij。若对于任意的j∈{1,2,…,n},rij=0,则结点xi被舍掉。

步骤2:断开相关度rij较小的边。给定相关度rij的阈值r0,从无向图G中移出权值小于r0的边,形成结点集X上的图G′:G′={(X,E′)|E′=E-{e′|w(e′)

步骤3:确定聚类。根据步骤2,断开连接后,相互连通的结点构成一个聚类,即可以得到模块化方案。

1.4 模块化方案评价

运用单项指标评价与综合指标评价[15]的方法作为天然气处理装置模块化方案的评价方法。其中,单项指标评价要求模块化方案要满足每一项必需的准则,否则该方案就被舍弃,其他准则不必再检验。其目的是排除不可行的方案,以减轻综合指标评价的工作量。在此基础上用层次分析法进行综合评价选出最佳的方案。层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多目标决策综合分析方法,其步骤如下:

(1)构建实际层次结构模型,分为目标层A,准则层B,方案层C;

(2)根据表2得到成对比矩阵A-B,利用层次分析法得到准则层的权值ωj(j=1,2，…,J,表示选择的准则层的准则序号);

(3)根据表2得到成对比矩阵B(j)-C,j=1,2,…,J,利用层次分析法得到各个方案对于各个准则层的权值pij(i=1,…,I,表示选择的方案序号);

2 天然气脱硫净化装置模块化实现

本案例为油气处理站场中的天然气脱硫净化装置模块化设计,其总体功能为天然气井口采集的含硫天然气进行脱硫净化处理,保证外输天然气的含量和水露点指标满足国家一类天然气要求,并得到副产品硫磺。装置涵盖的工艺流程包括井口天然气加热、节流、降压等配套设备,其中需要模块化的设备共91个(表4)。

表4 设备名称及设备位号

以此建立产品子功能-设备序列模型(此处以设备1和设备2为例，图2)。

图2 设备1和设备2的模型Fig.2 Model diagram of device 1 and 2

根据决策人员提供的设备间有关功能、几何相关性、接口的成对比矩阵(表5),由层次分析法得出设备间功能、几何相关性、接口的权值。

表5 设备间功能、几何相关性、接口的成对比矩阵及权值Table 5 Pairwise comparison matrix of functionality, geometric correlation and interface between devices and weights

根据各设备之间相关度矩阵M,分别选择方案1为r0=0.513 8和方案2为r0=0.506 031,得到划分情况如图4和图5。模块数(设备数大于等于2的模块)分别为13和4。

图3 子功能-设备序列相关性无向图Fig.3 Undirected graph of correlation of sub function-device sequences

图4 r0=0.513 8时无向图的分割Fig.4 Segmentation from undirected graph when r0=0.513 8

图5 r0=0.506 031时无向图的分割Fig.5 Segmentation from undirected graph when r0=0.506 031

对上述两种方案展开评价,首先确定实际层次结构模型(表6)。

表6 层次分析法结构

其次,利用层次分析法得到准则层的权值ωj(表7)和两个方案对于各个准则的权值pij(表8～表11),i=1,2表示方案序号,j=1,2,3,4,表示准则层序号。

表7 成对比矩阵A-B及准则层权值ωjTable 7 Pairwise comparison matrix A-B and weights of criteria layer ωj

表8 成对比矩阵B1-C及权值pi1Table 8 Pairwise comparison matrix B1-C and weights pi1

表9 成对比矩阵B2-C及权值pi2Table 9 Pairwise comparison matrix B2-C and weights pi2

表10 成对比矩阵B3-C及权值pi3Table 10 Pairwise comparison matrix B3-C and weights pi3

表11 成对比矩阵B4-C及权值pi4Table 11 Pairwise comparison matrix B4-C and weights pi4

根据上述数据计算各个方案C(i)的合成权值ki,根据表12可知方案1的k1值较大,优先选择方案1。

表12 C层总排序

3 结束语