曹壯壯 郭 曉 白 璇 王禹卓 譚 蔚 汪 洋

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，在眾多能源中煤炭占較大比重，煤直接燃燒會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和大量碳排放。 國(guó)家“十四五”規(guī)劃明確要求推動(dòng)能源清潔低碳安全有效利用。 煤氣化作為煤炭化學(xué)工業(yè)的清潔利用技術(shù)， 是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，其產(chǎn)物既可以作為基本化工原料用于制氫、合成氨及合成油等， 也可以作為清潔燃料用于發(fā)電、冶金、機(jī)械及城市燃?xì)獾阮I(lǐng)域［1］。大力發(fā)展煤氣化技術(shù)，將煤炭清潔化利用，減少環(huán)境污染，符合我國(guó)的基本國(guó)策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求［2］。 煤氣化裝置具有投入大、可靠性要求高等特點(diǎn)，而煤氣化爐作為煤氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，開(kāi)展壽命評(píng)價(jià)體系的研究，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全評(píng)價(jià)，對(duì)安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義［3］。

煤氣化爐的工作環(huán)境條件惡劣，工作溫度超過(guò)1 300 ℃，氣化壓力高，處于高溫、高壓及多相流等復(fù)雜的環(huán)境， 各個(gè)部件容易發(fā)生磨蝕燒蝕、熱疲勞等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備失效。 目前，我國(guó)煤氣化爐大型化發(fā)展面臨運(yùn)行周期短、造價(jià)高等諸多問(wèn)題。 在煤氣化爐內(nèi)關(guān)鍵部件的研究上，周運(yùn)動(dòng)等分析影響氣化燒嘴壽命的種種因素，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施［4］；呂詩(shī)宏等分析耐火襯里的失效原因，提出相應(yīng)的防護(hù)措施［5］；黃雙等則對(duì)襯里的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)［6］。 煤氣化爐合成氣水激冷系統(tǒng)的主要部件有激冷環(huán)、下降管及破泡床等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孫嫩霞分析激冷環(huán)的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)［7］。以上的研究只是對(duì)煤氣化爐部件進(jìn)行分析，并未給出煤氣化爐的壽命評(píng)價(jià)。 影響煤氣化爐壽命的因素眾多，且大多難以定量描述只能定性分析。 因此，對(duì)煤氣化爐進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)難度很大。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)，將定性評(píng)價(jià)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量分析的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)精確的數(shù)學(xué)方法處理模糊的評(píng)價(jià)對(duì)象，對(duì)模糊信息做出較為科學(xué)、 合理的量化評(píng)價(jià)，這有利于對(duì)受到多種不確定性因素制約的復(fù)雜裝備性能作出一個(gè)總體評(píng)價(jià)。 目前，模糊綜合處理已經(jīng)在許多復(fù)雜設(shè)備的壽命或性能評(píng)判中得到應(yīng)用，且效果良好。 楊文斌等利用層次分析和模糊綜合法對(duì)壓力容器的安全附件進(jìn)行評(píng)估［8］；周建民等提出一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊評(píng)價(jià)的滾動(dòng)軸承性能退化評(píng)估方法［9］。 劉耀鈴等在已有的復(fù)雜裝備評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上， 提出一種基于AHP-模糊綜合的性能評(píng)價(jià)體系， 且在無(wú)人機(jī)告警探測(cè)距離性能評(píng)判中表現(xiàn)良好［10］。

基于上述分析，筆者提出一種模糊綜合層次評(píng)價(jià)體系，綜合氣化燒嘴、耐火襯里與合成氣水激冷系統(tǒng)三者的影響因素，進(jìn)行煤氣化爐整體壽命分析，建立大型煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)體系。

1 煤氣化爐壽命層次分析

層次分析法（AHP）［11］最早由Saaty T L提出，是一種將定性與定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。 該方法的主要思想是依據(jù)所要解決的問(wèn)題或預(yù)期的總目標(biāo)，將復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干層次，構(gòu)成一個(gè)多層次的結(jié)構(gòu)模型，最終使問(wèn)題成為最低層相對(duì)于最高層的相對(duì)重要權(quán)的排序［12］。

以Texaco氣流床氣化爐為研究對(duì)象進(jìn)行層次分析，該氣化爐的重要部件有耐火襯里、水激冷系統(tǒng)和氣化燒嘴，其壽命也由三者的壽命共同決定。 其中，耐火襯里壽命的影響因素包括煤種成分、溫度壓力、水煤氧占比、襯里加工質(zhì)量及維修保養(yǎng)情況等；水激冷系統(tǒng)壽命的影響因素包括激冷室液位、溫度壓力波動(dòng)、粗合成氣固含量、粗合成氣量、激冷水流量及腐蝕氣體含量等；燒嘴可能出現(xiàn)的問(wèn)題包括冷卻水供應(yīng)不足導(dǎo)致的高溫?zé)龎?、長(zhǎng)時(shí)間使用出現(xiàn)的磨蝕情況及加工缺陷引起漏水漏氣等。將上述煤氣化爐各個(gè)部件受到的影響進(jìn)行整合分析，得到煤氣化爐爐體壽命層次結(jié)構(gòu)圖 （圖1）， 該圖從左往右依次為決策層、中間層和因素層。

圖1 煤氣化爐壽命預(yù)測(cè)層次結(jié)構(gòu)示意圖（AHP圖）

2 基于模糊層次分析法構(gòu)建煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)體系

2.1 模糊關(guān)系矩陣的構(gòu)建

2.1.1 評(píng)價(jià)等級(jí)構(gòu)建

評(píng)價(jià)等級(jí)是針對(duì)決策層可能出現(xiàn)的某種狀況的描述，評(píng)價(jià)集是所有評(píng)價(jià)等級(jí)的集合。 通常情況下，評(píng)價(jià)的等級(jí)會(huì)取3～9級(jí)，評(píng)價(jià)等級(jí)過(guò)多會(huì)影響最終結(jié)果的歸屬，評(píng)價(jià)等級(jí)過(guò)少則不符合綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果要求。 因此，根據(jù)煤氣化爐的壽命情況，將評(píng)價(jià)結(jié)果分為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)“壽命良好、壽命較好、壽命一般、壽命較差、壽命很差”，可以得到煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)集V= {v1， v2， v3， v4， v5}={壽命良好，壽命較好，壽命一般，壽命較差，壽命很差}。

2.1.2 因素集構(gòu)建

2.1.3 隸屬度向量構(gòu)建

隸屬度向量由專家評(píng)價(jià)得出。 若干專家組成評(píng)價(jià)組，根據(jù)評(píng)價(jià)集中的5個(gè)等級(jí)，給每一個(gè)因素集中的評(píng)價(jià)因素打分。其中，因素集U中任一評(píng)價(jià)因素ui對(duì)評(píng)價(jià)集V中每一等級(jí)vj的隸屬度向量為：

該隸屬度向量中的元素表示，在特定的工況下，專家在定量和定性基礎(chǔ)上對(duì)某一評(píng)價(jià)因素進(jìn)行分析，得出該工況下某因素對(duì)壽命的影響。 例如，某種工況下，粗合成氣固含量較大，若干專家在分析后得到的數(shù)據(jù)為5%的專家認(rèn)為粗合成氣固含量較大對(duì)水激冷系統(tǒng)壽命影響小（即壽命良好）、5%的專家認(rèn)為影響較?。磯勖^好）、10%的專家認(rèn)為影響一般（即壽命一般）、10%的專家認(rèn)為影響較大（即壽命較差）和70%的專家認(rèn)為影響很大（即壽命很差），可得：

2.1.4 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)隸屬度向量構(gòu)造原則，可分別得到因素層中每個(gè)因素對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度，綜合對(duì)應(yīng)的向量可以得到總體壽命或者某一部位壽命的模糊關(guān)系矩陣R：

矩陣中rij表示因素ui對(duì)評(píng)價(jià)vj的隸屬度，且取值為：0≤rij≤1。

2.2 權(quán)向量確定

采用層次分析法來(lái)確定各個(gè)因素的指標(biāo)權(quán)重。

2.2.1 判斷矩陣的構(gòu)建

同一層不同因素的重要性不同，兩兩因素相互比較，根據(jù)其相對(duì)重要性等級(jí)構(gòu)造判斷矩陣Am×m：

矩陣中aij表示因素i對(duì)因素j的重要程度，根據(jù)比例標(biāo)度（表1）［11］可以確定其相對(duì)重要等級(jí)的量化值，即可得到aij的值。

表1 比例標(biāo)度

此外，矩陣中元素間的關(guān)系為：

2.2.2 權(quán)向量計(jì)算

得到判斷矩陣后，求解判斷矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量：

式（2）中Am×m為m階的判斷矩陣，λmax為判斷矩陣的最大特征值，M為最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。將M經(jīng)過(guò)歸一化處理之后，得到向量W=［w1，…，wj，…，wm］，該向量為最終的權(quán)向量，向量中元素wj為因素j在同層次因素中的相對(duì)權(quán)重。

2.2.3 一致性檢驗(yàn)

在構(gòu)建判斷矩陣時(shí)，僅兩兩因素之間進(jìn)行局部比較，沒(méi)有考慮全局關(guān)系，可能會(huì)出現(xiàn)因素i比因素j重要、因素j比因素m重要，而因素m又比因素i重要的情況，即判斷矩陣A是非一致性的。 因此，對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)是必要的。

首先，計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

當(dāng)CI=0時(shí)， 認(rèn)為矩陣A有完全的一致性；CI越大，矩陣越不一致。

其次，根據(jù)判斷矩陣的階數(shù)，由表2得到平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值［11］。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

如果CR＜0.1，則認(rèn)為判斷矩陣具有良好的一致性，通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。

通過(guò)上述步驟，即可得到同一層次下不同因素的權(quán)重。

2.3 模糊綜合評(píng)判

建立綜合評(píng)價(jià)模型時(shí)， 利用模糊算子。將模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)重向量W進(jìn)行模糊合成運(yùn)算：

向量中，bj表示在某一特定的工況下，設(shè)備壽命評(píng)價(jià)等級(jí)為vj的概率。

若假設(shè)，設(shè)備壽命5個(gè)等級(jí)V={v1，v2，v3，v4，v5}， 對(duì)應(yīng)的得分分別為S={100，80，60，40，20}，可以得出最終設(shè)備壽命的得分F=B·ST，并以此來(lái)評(píng)判該設(shè)備在特定工況下的壽命情況。

綜上所述，可以構(gòu)建一個(gè)依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，來(lái)判斷煤氣化爐設(shè)備壽命的新模型，如圖2所示。

圖2 煤氣化爐壽命預(yù)測(cè)流程

3 舉例分析

現(xiàn)有一煤氣化爐， 當(dāng)各因素的隸屬度為Ri=［1，0，0，0，0］時(shí)，煤氣化爐工作狀態(tài)處于極佳狀態(tài)，壽命評(píng)估為100分。

3.1 權(quán)重計(jì)算

3.2 計(jì)算隸屬度向量

假設(shè)在兩種工況下，煤氣化爐各因素的隸屬度分別見(jiàn)表3、4。

表3 工況1下煤氣化爐各因素隸屬度

表4 工況2下煤氣化爐各因素隸屬度

（續(xù)表4）

燒嘴壽命模糊關(guān)系矩陣：

燒嘴壽命模糊關(guān)系矩陣：

3.3 評(píng)估設(shè)備壽命

3.3.1 工況1

由B2向量可以看出：在工況2下，壽命良好的概率僅為是12.01%， 而壽命較差的概率高達(dá)56.60%，可以認(rèn)為此工況下，設(shè)備壽命不佳。

3.4 設(shè)備得分情況

設(shè)備壽命的5個(gè)等級(jí)V={v1，v2，v3，v4，v5}，對(duì)應(yīng)得分為S={100，80，60，40，20}。 由F=B·ST，可以得出最終設(shè)備壽命的得分。 認(rèn)為：得分在80分以上，設(shè)備可以較好運(yùn)行，壽命較長(zhǎng)；得分在60及其以下，設(shè)備不可正常工作，壽命不佳；得分在60～80之間，設(shè)備可以運(yùn)行，但需要及時(shí)調(diào)整，處于預(yù)警狀態(tài)。

工況1下，設(shè)備壽命得分F=B·ST=80.208，說(shuō)明該工況下設(shè)備壽命較好， 但是即將進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，建議對(duì)工況稍作調(diào)整，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

工況2下，設(shè)備壽命得分F=B·ST=52.540，說(shuō)明該工況下設(shè)備不可正常工作，需要對(duì)設(shè)備的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于模糊層次分析法的煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)體系具有以下特點(diǎn)：

a. 層次分析法能夠針對(duì)煤氣化爐的壽命評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行分析， 把影響因素分為若干層次，用框式圖說(shuō)明不同層次之間的遞進(jìn)關(guān)系，簡(jiǎn)化復(fù)雜的壽命評(píng)估問(wèn)題。

b. 利用模糊綜合評(píng)價(jià)分析法，將煤氣化爐壽命分析的定性評(píng)價(jià)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)過(guò)程。 從所舉例子中可以看出，通過(guò)該方法處理煤氣化爐的壽命問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)合理科學(xué)的量化評(píng)價(jià)。

c. 利用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)方法， 能夠?qū)γ簹饣癄t壽命做出科學(xué)有效的評(píng)價(jià)，為后續(xù)的合理操作提供了有效依據(jù)。 同時(shí)，所提出的AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)的煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)體系，彌補(bǔ)了煤氣化爐壽命評(píng)價(jià)方法的空缺。

但是，該方法存在一定的局限性。 模糊合成時(shí)，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性相乘，實(shí)際情況可能是非線性甚至是更復(fù)雜的算子；未考慮不同因素之間的交互作用； 隸屬度的構(gòu)建采用專家評(píng)價(jià)法，具有較大的主觀性，若能通過(guò)數(shù)據(jù)分析等方法得到更加客觀的隸屬度，可以提升模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。