摘 要

摘要：分析CNG加氣站地下儲(chǔ)氣井安全評(píng)價(jià)的意義，介紹模糊層次分析法的原理，建立CNG地下儲(chǔ)氣安全評(píng)價(jià)模型。結(jié)合實(shí)例，給出計(jì)算步驟，得出了計(jì)算結(jié)果。關(guān)鍵詞：地下儲(chǔ)氣井； 安全評(píng)價(jià)； 模

摘要：分析CNG加氣站地下儲(chǔ)氣井安全評(píng)價(jià)的意義，介紹模糊層次分析法的原理，建立CNG地下儲(chǔ)氣安全評(píng)價(jià)模型。結(jié)合實(shí)例，給出計(jì)算步驟，得出了計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：地下儲(chǔ)氣井；  安全評(píng)價(jià)；  模糊層次分析法；  模糊數(shù)學(xué)

Safety Assessment Model of CNG Underground Gas Storage Well Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

Abstract: The significance for safety assessment of underground gas storage well in CNG filling station is analyzed．The principle of fuzzy analytic hierarchy process is introduced，and the safety assessment model for CNG underground gas storage is developed．Combined with an example，the calculation steps are presented，and the calculation results are achieved．underground gas storage well；

Key words: safety assessment；fuzzy analytic hierarchy process；fuzzy mathematics

1概述

CNG加氣站是易燃易爆場(chǎng)所，因此CNG加氣站的安全性是加氣站規(guī)劃、設(shè)計(jì)和審批考慮的首要因素。而CNG地下儲(chǔ)氣井的安全是保證CNG加氣站正常運(yùn)行的關(guān)鍵^[1]。雖然我國(guó)的CNG加氣站建設(shè)已較成熟，但地下儲(chǔ)氣井的總體水平與國(guó)外還存在一定差距，大部分都存在著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工工藝不規(guī)范、缺乏安全設(shè)施的問題，使得這些CNG加氣站存在著安全隱患。國(guó)家雖然已經(jīng)制定了較完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但對(duì)于儲(chǔ)氣井的安全性只能進(jìn)行粗略的判斷，并沒有較權(quán)威的評(píng)價(jià)方法及技術(shù)指標(biāo)^[2]。筆者認(rèn)為，有的研究者對(duì)CNG加氣站進(jìn)行了一定的安全性分析、評(píng)價(jià)及建模，但只是涉及加氣站設(shè)計(jì)和整體的評(píng)價(jià)，對(duì)其中存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的地下儲(chǔ)氣井未給予充分重視，不能反映出各CNG加氣站地下儲(chǔ)氣井在安全性方面的個(gè)體差異。在此，有必要對(duì)CNG加氣站中安全風(fēng)險(xiǎn)較大的地下儲(chǔ)氣井的安全性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。早期國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)存壓縮天然氣一般采取儲(chǔ)氣瓶的方式，由于其儲(chǔ)存壓力高達(dá)25 MPa，且安放在地面上，安全問題引起了人們的普遍關(guān)注。隨著CNG加氣站的大量建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，CNG地下儲(chǔ)氣井作為一種儲(chǔ)氣方式，其技術(shù)已基本趨于完善，與地面儲(chǔ)氣方式相比，其安全程度較高，但其工作特點(diǎn)決定了危險(xiǎn)存在的客觀性。同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)越來越受到人們的重視，它不僅關(guān)系到人們的正常生活，而且關(guān)系到人身安全、國(guó)家財(cái)產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定。要減輕和消除這些風(fēng)險(xiǎn)和危害，及早地進(jìn)行安全評(píng)價(jià)十分重要。

2 模糊層次分析法原理

層次分析法的原理是把復(fù)雜的問題分解為各組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組，以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。通過兩兩比較判斷，確定每一層中因素的相對(duì)重要性，建立判斷矩陣，通過計(jì)算矩陣的最大特征值與特征向量，得出該層要素對(duì)于上層準(zhǔn)則的重要性次序，從而建立權(quán)重向量^[3]。

模糊層次分析法與經(jīng)典層次分析法在建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣、計(jì)算矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量等步驟基本相同，但在確定樣本所屬級(jí)別上有所不同。經(jīng)典層次分析法是根據(jù)綜合權(quán)重的最大權(quán)重所對(duì)應(yīng)的級(jí)別作為樣本所屬的級(jí)別，即“最大原則”法；而模糊層次分析法則是根據(jù)“大于原則”法^[4]。與經(jīng)典層次分析法不同的模糊層次分析法能夠更加準(zhǔn)確地構(gòu)造判斷矩陣，使權(quán)重計(jì)算結(jié)果更加合理，而且無需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3        CNG地下儲(chǔ)氣井的安全評(píng)價(jià)

3.1 地下儲(chǔ)氣井易于發(fā)生事故的主要因素

① CNG儲(chǔ)氣井是我國(guó)可燃?xì)怏w的最高壓力儲(chǔ)存容器，危險(xiǎn)性大。

② 操作人員的素質(zhì)高低、工作經(jīng)驗(yàn)多少、操作規(guī)程和作業(yè)章程執(zhí)行程度等，都與事故發(fā)生可能性的大小密切相關(guān)。

③ 若井管質(zhì)量不好或發(fā)生腐蝕就會(huì)造成天然氣泄漏，甚至井管爆裂。

④ 天然氣氣質(zhì)不符合要求，會(huì)造成閥門、排污管等阻塞及管壁腐蝕情況發(fā)生。

⑤ 地質(zhì)狀況、自然環(huán)境及其他因素等。

3.2 安全評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

分析導(dǎo)致地下儲(chǔ)氣井發(fā)生事故的主要原因，可以將威脅儲(chǔ)氣井安全的指標(biāo)因素歸納為4個(gè)大類，分別為人員因素類、設(shè)備設(shè)施類、安全管理類和環(huán)境因素類。建立CNG儲(chǔ)氣井的安全評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，見圖l。

 

 

3.3 安全評(píng)價(jià)

3．3．1確定評(píng)價(jià)集并賦值

評(píng)價(jià)集是由可能作出的各種安全評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)組成的集合。

 

式中  V——評(píng)價(jià)集

ν_j——第j個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)

m——評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)個(gè)數(shù)

本研究?jī)?chǔ)氣井安全分為5個(gè)等級(jí)，即m=5，V={優(yōu)，良，中，及格，差}。

3．3．2 建立因素集

因素集是被評(píng)判對(duì)象的各因素組成的集合。

 

式中 P——因素集

p_k——評(píng)價(jià)對(duì)象第k個(gè)因素

n——評(píng)價(jià)因素個(gè)數(shù)

3．3．3 單因素判斷

對(duì)因素集P中的某個(gè)因素P。的評(píng)判，得到P的模糊集{r_k,1，r_k,2，…,r_k,m}。

所有的單因素評(píng)判模糊集組成的矩陣稱為評(píng)判矩陣。

 

式中  R——評(píng)判矩陣，由所有單因素評(píng)判的模糊集組成

r_k,j——被評(píng)價(jià)對(duì)象從因素p_k來看對(duì)ν_j等級(jí)模糊子集的隸屬度

3．3．4 模糊層次綜合評(píng)判

各因素的影響程度不一樣，需要選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算法對(duì)各因素加權(quán)，引入P上的模糊集W，W以向量表示為：

 

式中 W——權(quán)重模糊集向量

w_k——因素集P中第k個(gè)元素的權(quán)重

n——元素總個(gè)數(shù)

用W表示因素集P中各因素的權(quán)重分配，所有因素權(quán)重之和為1。則W與評(píng)判矩陣R合成便是對(duì)各因素的綜合評(píng)判矩陣B：

 

式中 B——綜合評(píng)判結(jié)果組成的矩陣

b₁——被評(píng)判對(duì)象從整體上看對(duì)等級(jí)模糊子集的隸屬度

n——綜合評(píng)判結(jié)果的個(gè)數(shù)

① 各指標(biāo)相對(duì)重要程度的計(jì)算

按照因果關(guān)系將影響最終結(jié)果的直接和間接原因與最終目標(biāo)劃分為3個(gè)層次。目標(biāo)層：該層次只有1個(gè)元素，是指分析問題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果；準(zhǔn)則層：這一層次包括了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，可以由若干層次組成；指標(biāo)層：表示為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可提供選擇的各種措施、指標(biāo)等。建立了這種遞階層次結(jié)構(gòu)后，上下層之間元素的隸屬關(guān)系就被確定。假定以矩陣F為準(zhǔn)則，所支配的下一層次的元素為x₁，x₂，…，x_n，其目的就是要求出x₁，x₂，…，x_n對(duì)于準(zhǔn)則矩陣F中各因素的權(quán)重。

為了確定指標(biāo)層各因素的相對(duì)重要程度，需要求出準(zhǔn)則層每個(gè)因素相對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重，也就是將準(zhǔn)則層每個(gè)因素對(duì)于總目標(biāo)——儲(chǔ)氣井安全的重要程度予以量化。同時(shí)，需要求出各個(gè)指標(biāo)因素對(duì)于準(zhǔn)則層各因素的相對(duì)權(quán)重。筆者采用導(dǎo)出權(quán)重法，也就是兩兩比較的方法。針對(duì)準(zhǔn)則矩陣F，兩個(gè)元素f_j和f_i哪一個(gè)重要，重要多少，并按1～9的比例標(biāo)度對(duì)重要性程度賦值^[5]。這樣對(duì)于準(zhǔn)則矩陣F，n個(gè)被比較的元素就構(gòu)成了一個(gè)兩兩比較的判斷矩陣。

a．準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的重要程度

此處利用方根法計(jì)算，用兩兩比較求出各元素的相對(duì)重要程度，其準(zhǔn)則矩陣F對(duì)應(yīng)的元素值見表1。

 

 

準(zhǔn)則矩陣F的特征向量就是層次分析法中的權(quán)重向量，以方根法求準(zhǔn)則矩陣F中各元素的權(quán)重近似值：

c_1,1=0．639，c_1,2=2．515，c_1,3=1．565，c_1,4=0．398。

并且將其做歸一化處理：

c＇_1,1=0．125，c＇_1,2=0．491，c＇_1,3=0．306，c＇_1,4=0．078。

則各元素權(quán)重矩陣為：

C＇=[0．125，0．491，0．306，0．078]。

其中，c＇_1,1，c＇_1,2，c＇_1,3，c＇_1,4分別表示準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，即人員因素、設(shè)備設(shè)施、安全管理、環(huán)境因素對(duì)地下儲(chǔ)氣井安全影響的權(quán)重分別為：0．125、0．491、0．306、0．078。

b．指標(biāo)層各因素對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重

利用方根法計(jì)算，可以得出指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層各因素的權(quán)重，人員因素矩陣D₁對(duì)應(yīng)的元素值見表2。

 

計(jì)算得：

w₁₁=0．405 5，w₁₂=1．817 1，w₁₃=1．357 2。

將其做歸一化處理：

w＇₁₁=0．113，w＇₁₂=0．508，w＇₁₃=0．379。

則W₁=[0．113，0．508，0．379]。

式中  W₁——指標(biāo)因素對(duì)準(zhǔn)則層中的人員因素評(píng)判結(jié)果

其中，w₁₁,w₁₂,w₁₃分別表示人員因素中的業(yè)務(wù)素質(zhì)、安全意識(shí)、工作狀態(tài)指標(biāo)對(duì)地下儲(chǔ)氣井安全的人員因素的權(quán)重。

同理可分別得到各指標(biāo)因素對(duì)設(shè)備設(shè)施、安全管理、環(huán)境因素的評(píng)判結(jié)果：

w₂₁=2．466 2，w₂₂=0．5，w₂₃=0．873 6，

W₂=[0．642，0．130，0．228]

w₃₁=2．41，w₃₂=1．357 2，w₃₃=0．305 7，

W₃=[0．592，0．333，0．075]；

w₄₁=1．442 2，w₄₂=0．793 7，

W₄=[0．645，0．355]

式中  W₂——指標(biāo)因素對(duì)準(zhǔn)則層中的設(shè)備設(shè)施評(píng)判結(jié)果

W₃——指標(biāo)因素對(duì)準(zhǔn)則層中的安全管理評(píng)判結(jié)果

W₄——指標(biāo)因素對(duì)準(zhǔn)則層中的環(huán)境因素評(píng)判結(jié)果

② 確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重

匯總各準(zhǔn)則層因素與指標(biāo)層因素對(duì)于儲(chǔ)氣井安全目標(biāo)的權(quán)重，即可以排出各指標(biāo)因素對(duì)儲(chǔ)氣井安全權(quán)重的順序。以某CNG地下儲(chǔ)氣井為例，利用層次分析法，把相關(guān)各指標(biāo)因素進(jìn)行綜合評(píng)定，并且進(jìn)行歸一化處理，見表3。

 

3．3．5各指標(biāo)等級(jí)隸屬度

采用專家調(diào)查法，請(qǐng)專家通過考評(píng)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)項(xiàng)目中的各指標(biāo)進(jìn)行打分，然后計(jì)算出各個(gè)等級(jí)中專家人數(shù)占總專家人數(shù)的比例^[6-7]，即是各指標(biāo)等級(jí)隸屬度r_i,j,見表4。

 

3．3．6模糊層次綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)模糊層次分析模型，由指標(biāo)層向準(zhǔn)則層、目標(biāo)層逐層確定各層權(quán)重分配并進(jìn)行該層的綜合評(píng)價(jià)^[8]。先進(jìn)行指標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)，將其所得結(jié)果作為準(zhǔn)則層的模糊矩陣，再進(jìn)行準(zhǔn)則層次的綜合評(píng)價(jià)，將其所得結(jié)果作為目標(biāo)層的模糊矩陣，再進(jìn)行目標(biāo)層次的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)表4可以得到對(duì)人員因素的評(píng)判矩陣R：

 

則綜合評(píng)判如下：

 

式中 b₁——人員因素的綜合評(píng)判結(jié)果

由b₁可以看出，優(yōu)、良、中、及格、差的隸屬度分別為0．386、0．349、0．178、0．067、0．020。由于得到“優(yōu)”的隸屬度最高，為0．386，說明對(duì)人員因素的綜合評(píng)判獲得評(píng)價(jià)“優(yōu)”的隸屬度最高，所以該CNG地下儲(chǔ)氣井人員因素的評(píng)價(jià)為“優(yōu)”。利用式(6)可以分別評(píng)價(jià)出設(shè)備設(shè)施、安全管理、環(huán)境因素的綜合評(píng)判，結(jié)果分別為：

b₂=[0．215，0．294，0．456，0．032，0．003]

b₃=[0．591，0．304，0．079，0．024，0．002]

b₄=[0．497，0．259，0．201，0．037，0．006]

由以上結(jié)果可知，各因素獲得隸屬度最高的評(píng)價(jià)，設(shè)備設(shè)施是“中”，而安全管理、環(huán)境因素都是“優(yōu)”。而對(duì)于整個(gè)CNG地下儲(chǔ)氣井安全等級(jí)的評(píng)價(jià)則需要利用式(7)進(jìn)行二次評(píng)價(jià)：

 

式中A——二次評(píng)價(jià)的結(jié)果

結(jié)果為：

A=[0．373，0．302，0．286，0．034，0．005]

最后，利用評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)值，按照加權(quán)平均原則將評(píng)價(jià)結(jié)果A進(jìn)行具體量化，作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，用E表示。

E=0．373×9+0．302×7+0．286×5+0．034×3+0．005×1=7．008。

3．4 評(píng)價(jià)結(jié)論

用模糊層次分析法最終的計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果為7．008，則此地下儲(chǔ)氣井的總體安全評(píng)價(jià)值介于7～9范圍，根據(jù)“大于原則”，說明該CNG地下儲(chǔ)氣井的安全等級(jí)可以評(píng)價(jià)為“良”。同時(shí)，針對(duì)安全級(jí)別較低的指標(biāo)制定應(yīng)對(duì)的策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CNG地下儲(chǔ)氣井安全的整體控制。

4 研究意義

本研究中，研究人員對(duì)CNG地下儲(chǔ)氣井的安全評(píng)價(jià)除了一般性的理論分析外，還建立了指導(dǎo)地下儲(chǔ)氣井安全評(píng)價(jià)的模糊層次分析模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)是：用層次分析法建立各種安全因素指標(biāo)集，避免了確定權(quán)重時(shí)的主觀片面性；綜合模糊數(shù)學(xué)理論與層次分析法，將定性分析與定量分析相結(jié)合，使主觀估計(jì)客觀化，尋求到了理論分析與工程實(shí)際的結(jié)合點(diǎn)；采用比較成熟的模糊層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，較好地解決了工程項(xiàng)目中模糊因素的度量^[9]。

利用模糊層次分析法對(duì)CNG地下儲(chǔ)氣井安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少了評(píng)價(jià)工作中的隨意性。實(shí)踐證明，該法對(duì)實(shí)際工程具有較好的針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

 

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本文作者：王興畏伍勁濤 張玉梅

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院   重慶燃?xì)?span lang="EN-US">(集團(tuán))有限責(zé)任公司