基于AHP-FCE模型的储气库压缩机组重要度评估研究

游 赟 ，周博涵 ，禹贵成

（1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331；3.中国石油天然气集团有限公司西南油气田分公司储气库管理处，重庆 401121）

1 引言

压缩机组作为储气库地面工程中的关键设备，其运行状态直接影响着整个系统的安全生产和经济效益。在日常的设备管理中，为减少压缩机组过度且频繁维修的必要，亟需对压缩机组的各零部件设备进行分层分级管理，实现设备的差异化检维修。由于储气库使用的压缩机组具有功率大、设备部件结构复杂、自动化程度高等特点[1-2]，对此通过探索基于风险的设备重要度评估[3-4]，识别出高风险、高后果的零部件，从而在压缩机组全寿命运维周期各环节中实施重点对象管控十分必要。本文综合考虑储气库压缩机组运行规律和失效模式影响因素，建立了一套重要度评估指标体系，引入可拓层次分析的迭代模糊综合评价模型（AHP-FCE），减少人为主观因素干预，更加科学的实现储气库压缩机组零部件的重要度排序，可为规范设备管理程序，合理配置检维修资源，确保储气库安全稳定运行提供技术支持。

2 重要度评估指标体系的建立

重要度评估是主观评价和客观的数学处理共同得出的结果。储气库压缩机组各部件设备结构较复杂，在生产运维过程中对不同故障失效模式产生影响的因素也较多。通过调研分析，本文建立了一套重要度评估指标体系，见图1。重要度评估指标的构建主要涵盖了监测性、技术性、操作性、状态性、安全性、可靠性、维修性、经济性8个方面的一级指标。为进一步增强一级指标评估的准确性，每个一级指标下设3个以上的二级指标，作为对一级指标的补充和解释，共计28个二级指标。

图1 重要度评估指标体系

3 评估指标赋值与排序计算

AHP-FCE模型是金菊良教授提出的一种基于改进层次分析法的模糊综合评价模型，具有精度高、修正小、一致性指标更加合理等优点。采用该方法进行评估指标赋值和排序计算的具体步骤为。

3.1 标准化处理

为使得评估指标一致性更加合理，对指标样本数据{x（i，j）|i=1～n，j=m|}进行标准化处理。鉴于对设备零部件重要度的评估过程中得分值越大表示安全性越低，采用越小越优模型[6]：

式中 r（i，j）——标准化后的评价指标值

xmax（i），xmin（i）——评估体系中第i个指标的最大值和最小值

由标准化处理后的r（i，j）值为元素可组成单因素的模糊评价矩阵R=（r（i，j））n×m。

3.2 构建可拓判断矩阵

构建可拓区间判断矩阵A=（A-,A+）为正互反矩阵，A+、A-分别为可拓区间上、下端点构成的矩阵，求出满足一致性条件的权重矢量[7-8]：

（1）求A-，A+的最大特征值所对应的具有正分量的归一化特征矢量X-，X+。

（2）由A-=（a-ij）n×m，A+=（a+ij）n×m计算k和m的值，其中：

（3）判断矩阵的一致性[8-9]：若0≤k≤1≤m说明可拓区间判断矩阵具有较好的一致性；若一致性程度过低则应校正判断矩阵直到满足要求。

（4）求出权重量

式中 snk——第k层第n个因素对上一层的某个因素的可拓区间权重量

3.3 层次排序

（1）单层排序

通过构建的可拓区间数形成单层可拓的判断矩阵，代入单层排序计算求取二级指标对一级指标的隶属度排序。设若V=（Si，Sj）≥0，（i≠j）表示Si≥Sj的可能性程度[7，10]：

式中 Pi——某层级第i个因素对上一层的某个因素的单排序，经归一化得到P=（P1，P2，…，Pn）T，表示某层级各因素对上一层的某个因素的单排序权重矢量；S-i，S+i，S-j，S+j表示2个单层权重矢量拓区间数的上、下端点

（2）总排序

则第k层上全体元素对总目标的排序权重矢量为

根据体系层级对上式简化为：Wk=PkPk-1…P3W2，式中W2即是单项排序矢量[7]。

2.4 模糊综合评价

（1）确定因素集U={u1，u2，…，un} 和评价集V={v1，v2，…，vn}。

（2）建立单因素评判矩阵：对单因素ui（i=1，2，…，n）的评判，得到V上的模糊集｛ri1，ri2，…，rin｝，其中ri1表示ui对v1的隶属度，评判矩阵为

（3）确定权重和单因素模糊综合评价模型[7]：

按M（°，+）模型将权重矢量W与评判矩阵R进行合成运算，可得各因素的模糊综合评价模型：

对多层级的重要度评价指标，可引入各级模糊综合评价的计算模型，使综合评价模型更加准确，其中二级综合评价模型为

式中 M为各因素间的模糊评判结果

Wi——第i个因素的等级权重集，Wi=（Wi1，Wi2,…，Wi3）

Bi——第i个因素的一级模糊评判结果

3.5 判断矩阵的一致性指标

根据AHP-FCE模型判断数的取值是通过大量计算得出的结果，当判断矩阵的一致性指标系数GIG (n) ＜0.10时，可认为该判断矩阵通过一致性检验[6]。

3.6 最终排序的确定

采取线性加权法确定每个零部件的最终排序[11]：

由于各指标对权重的敏感性较高，利用多次赋值进行权重计算可有效降低计算误差。

4 实例应用

相国寺储气库是是西南地区首座利用碳酸盐岩储层改建的储气库，担负着季节调峰、事故应急及战略储备等重任[12-13]。该储气库共有8台美国ARIEL公司的KBU/6往复式机组，单台机组设计处理量166×104m3/d[14-15]。

4.1 机组系统划分

结合相国寺储气库KBU/6往复压缩机组的结构特点和工作特性，划分机组为6个子系统，包括动力系统、密封系统、润滑系统、冷却系统、进出工艺管道系统、驱动系统，每个子系统继续划分为37个零部件，如图2。

图2 压缩机系统划分

4.2 指标权重与评分计算

对评估体系中每个二级评估因素下分为四级评分制，分别对应的分值为A-1，B-4，C-7，D-10。邀请25位专家对37个压缩机零部件评价打分，根据收回的评分结果应用构建的AHP-FCE模型进行数据处理和评分计算，建立的计算程序框图如图3所示。

图3 AHP-FCE模型计算程序框图

需说明的是，一次计算得出的结果并不具有普遍性。为追求计算结果的准确性，利用随机抽样重复上述计算过程。本文经过25次重复计算得出25组的计算结果与专家的直接平均值权重进行对比，得出评估指标权重及排序为：状态性（0.14405）＞可靠性（0.13006）＞监测性（0.1342）＞维修性（0.138105）＞操作性（0.1233）＞经济性（0.118255）＞技术性（0.10819）＞安全性（0.103815）。

由此，结合指标权重得到相国寺储气库往复式压缩机组的设备重要度得分和排序，其结果如表1所示。

表1 压缩机组重要度得分和排序

4.3 评估结果

根据评估得分结果，可判断相国寺压缩机组零部件中处于高风险设备有13个（分值≥0.1）、中风险设备有17个（0.1＞分值＞0.08）、低风险设备有7个（分值≤0.08）。通过评估结果，应采取相应措施优化维保计划，有针对性的对高、中风险部件实施预维修，从而降低事故发生的可能性。

5 结论

本文建立了基于可拓层次分析法的迭代模糊综合评价模型（AHP-FCE）应用于储气库压缩机组重要度评估，极大减少专家评分的主观因素影响，计算方法可操作性强，且评估结果比较客观、合理。通过采用该方法对相国寺储气库KBU/6型往复式压缩机组进行部件划分和重要度评估，判断出高风险零部件13个、中风险零部件17个、低风险零部件7个，其评估结果与现场设备的实际运行情况相符合，由此可掌握压缩机组各部件的重要程度，并针对高重要度零部件进行重点监控和预维护。这为进一步改善压缩机组运行状态，完善储气库设备运维管理机制，提高企业安全管理水平提供了参考。