丁　麗，張加勝，藺愛國

1.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院 （山東 青島 266580）

2.中國石油大學（華東）科學技術(shù)研究院 （山東 東營 257061）

石油進入管道的溫度為60～70℃，但由于海水溫度低得多，一般在深水是4℃，原油沿管道軸向降溫，其重碳水化合物便從原油中沉積下來。隨著溫度的持續(xù)降低導致化合物溶解度也不斷降低，在管道內(nèi)壁形成一層固體沉積物，從而縮小了管道，最終大大降低了輸送量[1]。在高靜水壓和低溫的環(huán)境下，流動保障已成為深海石油領域最大的挑戰(zhàn)之一[2]。針對從海底井口到浮動平臺的深海管道，為了阻止流體溫度下降形成的化合物和固體沉積物堵塞管道，避免造成巨大的經(jīng)濟損失，人們提出了各種各樣的將電力系統(tǒng)安全地集成到海底輸送管道保溫系統(tǒng)的方法。管道電加熱方法有：電加熱電纜、電磁感應加熱、直接電加熱[3]，管道電加熱技術(shù)的發(fā)展打破了制約管道流動保障的瓶頸。

對管道進行外部加熱，使其達到高于流體的溫度所需的熱平衡，以此來補償熱損失。特別是在非計劃的關斷后，管道加熱技術(shù)需保持管道溫度穩(wěn)定在形成水合物的溫度以上，并且以較低的功率維持所需溫度。早在1969年，日本CHISSO（智索）公司的安藤政夫工程師申請多項集膚效應電伴熱（SECT）專利[4-5]，SECT首次應用于海上是在加拿大北極地區(qū)的工程中。1990年，在阿斯嘉特（Asgard）油田，挪威國家石油公司設計了直接加熱濕式保溫熱輸管線（DEH-Wet Insulated Pipeline），并于2000年在世界上第一條DEH管線正式安裝使用[6]。2012年的ISLAY項目是道達爾公司設計的世界上第一個海底管道利用電伴熱管中管（ETH-PIP）技術(shù)的油氣田開發(fā)項目[7]，并于2013年通過了從資格認證到海上測試。

在實際工程中，根據(jù)不同施工條件選擇不同的加熱方式。由于選擇指標（如可靠性、投資費用、施工難易程度等指標）具有不相容性和模糊性，目前并沒有相應的海底管道電伴熱評價選擇標準，導致給優(yōu)選何種加熱方式帶來很大的困難。合理正確地選擇出海底管道的伴熱方式，為工程設計帶來便利。建立了多層次灰色相對關聯(lián)度分析綜合評價方法，利用層次分析法（AHP）與灰色綜合評價法（GRAP）有機結(jié)合建立海底管道電加熱方案的評價系統(tǒng)。由AHP法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)關系圖，依據(jù)判斷矩陣定量計算出準則層和方案層中各加熱方式影響因素的相對權(quán)值，然后根據(jù)GRAP法給出由準則層中各加熱方式影響因素的重要度組成的待檢模式向量，和由方案層中各加熱方式影響因素相對權(quán)重組成的特征矩陣，求出最優(yōu)的海底管道加熱方案。

1　多層次灰色相對關聯(lián)度分析綜合評價方法

1.1　通過層次分析法確定單因素權(quán)重

層次分析法的基本思想是把一個復雜的問題分解為各個組成因素，并將這些因素按支配關系分組，從而形成一個階梯層次結(jié)構(gòu)。通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性，然后綜合人的判斷以確定決策因素相對重要性的總排序。層次分析法的出現(xiàn)給決策者解決那些難以定量描述的問題帶來了極大方便，從而使它的應用涉及廣泛的科學和實際領域。

1）建立階梯層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻[8-10]構(gòu)建出海底管道電加熱方式選擇的指標體系，如圖1所示。3層次模型結(jié)構(gòu)，由一個目標及隸屬于它的6個評價因素和決策者們組成。

圖1　海底管道加熱方式選擇的指標體系模型

因素集是以影響評判對象的各種因素所組成的集合，由圖1可知因素集為：X={ }x1，x2，x3，x4，x5，x6，依次分別為投資費用、熱效率、可靠性、適用長度、施工難易程度及水深6個代表因素。為反映各因素的重要程度，對其賦予權(quán)系數(shù)ai(i=1,2,…6)，由權(quán)系數(shù)組成的集合為稱為權(quán)重集A={a1,a2,…a6} ，其中=1，ai≥0（i=1,2,…6），利用專家評議法進行打分[11-12]根據(jù)輕重排列分配權(quán)重。

2）構(gòu)造判斷矩陣。在確定的階梯層次結(jié)構(gòu)模型中，每個因素與該因素相關的下一層元素構(gòu)成多個子區(qū)域。需對每個子區(qū)域構(gòu)建若干個判斷矩陣，構(gòu)建判斷矩陣可以根據(jù)專家調(diào)查法，設準則層因素為與下層元素有關聯(lián)[13]，判斷矩陣見表1。

表1　措施作業(yè)現(xiàn)場問題分類匯總表

其中構(gòu)建判斷矩陣的bij表示對于X而言，其下一層元素Bi對Bj的相對重要程度，根據(jù)各因素的重要程度給予1～9的標度評定。

3）進行層次因素單排序值的計算及一致性檢驗。求各因素權(quán)重的方法有規(guī)范列平均法、方根法及冪乘法，利用方根法求解權(quán)重。首先求出每一行元素的乘積，再對每一行元素的乘積求n次方根，然后求n次方根之和，最后用每次n次方根除以總的n次方根之和，得特征向量R，將上一步得到的判斷矩陣X與特征向量R相乘，得到特征矩陣，然后求得最大特征值：

基于上述求得的最大特征值可以求得一致性指標CI：

然后查找相應的平均隨機一致性指標RI，參見表2。

表2　隨機一致性指標

1.2　確定灰色關聯(lián)系數(shù)矩陣

灰色關聯(lián)度分析基本任務是基于因素序列的微觀和宏觀幾何接近程度，來衡量子因素對母因素的貢獻程度或是衡量因素間關聯(lián)程度。根據(jù)專家評議打分法給出了影響海底管道流動安全保障技術(shù)的重要度值構(gòu)成的權(quán)重集A，稱為待檢模式向量。對該待檢模式向量進行初始化處理，記為XЛ=[a1,a2,…a6]作為比較標準，而Tk=[Tk1,Tk2,…Tk6]作為比較集，關聯(lián)度系數(shù)[14]可由下述公式確定。

式中：ρ為分辨系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗一般取ρ=0.5，Δmin為兩級最小值，Δmax為兩級最大值，則最終灰色關聯(lián)度由下式：

2　海底管道電加熱方法模型應用

2.1　海底管道電加熱方法基本數(shù)據(jù)

假設在一個管道加熱工程中，海上某油田需從WHPA平臺通過長約5.3 km的海底管道輸送至平臺B。由于該油田原油凝點高、含蠟較多、黏度較大，并且生產(chǎn)量日益減少，管道易存在凝管的風險。初選SECT、DEH-wet、ETH-PIP 3種優(yōu)秀的海底管道流動安全保障技術(shù)進行管道加熱處理，工程設計師要對3種加熱方法進行選擇，定量數(shù)據(jù)通過查閱OTC論文資料得到見表3。

表3　 3種電加熱方式的基本數(shù)據(jù)

根據(jù)專家評議法進行打分，依據(jù)輕重排列進行相對差異的權(quán)重分配，可得投資費用權(quán)重a1=0.22，熱效率權(quán)重a2=0.21，可靠性權(quán)重a3=0.25，適用長度權(quán)重a4=0.1，施工難易程度權(quán)重a5=0.15，水深權(quán)重a6=0.07。根據(jù)表3基本數(shù)據(jù)，進行兩兩比較計算判斷矩陣，以投資費用為例，建立投資費用的判斷矩陣見表4。根據(jù)公式（1）、（2）求得最大特征值為λmax=3.080 2,CI=0.040 1,CR=0.069 2＜0.1，符合權(quán)重一致性檢驗要求，同理可以求得其他層次權(quán)重及海底管道流動安全保障技術(shù)的評價值見（表5）。

表4　 投資費用（x1）判斷矩陣

表5　層次權(quán)重及海底管道流動安全保障技術(shù)的評價值

由表5可知該模型的待檢模式向量經(jīng)初始化為：

2.2　計算關聯(lián)度進行灰色綜合評價

通過公式（3）、（4）、（5）及關聯(lián)系數(shù)計算公式（6），可得灰色關聯(lián)系數(shù)，如表6所示。根據(jù)公式（7）計算初選的3種加熱方法的最終關聯(lián)度為：r=[0.597,0.526,0.522]，通過上述分析計算，初選適合從WHPA平臺至平臺B的5.3 km的海底管道輸送流動安全保障技術(shù)方案按關聯(lián)度大小依次為：SECT法＞DEH-wet法＞ETH-PIP法。故根據(jù)灰色關聯(lián)度分析理論，SECT法是該海上油田海底管道輸送電加熱方法相對最合適的。生產(chǎn)實踐表明，集膚效應電伴熱方法能最大可能的實現(xiàn)從WHPA平臺到B段安全、高效、經(jīng)濟的輸送原油。

表6　灰色關聯(lián)度系數(shù)

3　結(jié)論

1）從投資費用、熱效率、可靠性、適用長度、施工難易程度及水深6個方面綜合考慮，借助層次分析法和灰色關聯(lián)分析法建立海底管道電加熱方案的綜合評價指標體系模型。初選SECT、DEH-wet、ETH-PIP 3種海底管道流動安全保障技術(shù)，利用層次分析法計算每項被評因素的隸屬度函數(shù)關系，并通過判斷矩陣一致性檢驗確定合理的評判矩陣，最終通過關聯(lián)度對海底管道電加熱方案進行評價。

2）利用海底管道電加熱方案的綜合評價指標體系模型對具體的工程進行應用，分析得到從WHPA平臺至平臺B的5.3 km的海底管道輸送流動安全保障技術(shù)方案集的關聯(lián)度為：[0.597,0.526,0.522]，從而選用方案SECT法，該集膚效應電加熱系統(tǒng)在海底管道原油輸送過程中取得了良好的效果。

3）利用層次分析法（AHP）與灰色綜合評價法（GRAP）有機結(jié)合建立的海底管道電加熱方案綜合評價體系模型，能夠避免單因素決策的片面性和人為因素的干擾，實現(xiàn)更為科學、嚴謹、準確的判斷各種方案的優(yōu)劣，并且模型可以推廣到其他多方案的決策優(yōu)選中。

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