摘 要

摘要：分析CNG加氣站地下儲氣井安全評價的意義，介紹模糊層次分析法的原理，建立CNG地下儲氣安全評價模型。結合實例，給出計算步驟，得出了計算結果。關鍵詞：地下儲氣井； 安全評價； 模

摘要：分析CNG加氣站地下儲氣井安全評價的意義，介紹模糊層次分析法的原理，建立CNG地下儲氣安全評價模型。結合實例，給出計算步驟，得出了計算結果。

關鍵詞：地下儲氣井；  安全評價；  模糊層次分析法；  模糊數(shù)學

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所，因此CNG加氣站的安全性是加氣站規(guī)劃、設計和審批考慮的首要因素。而CNG地下儲氣井的安全是保證CNG加氣站正常運行的關鍵^[1]。雖然我國的CNG加氣站建設已較成熟，但地下儲氣井的總體水平與國外還存在一定差距，大部分都存在著結構簡單、施工工藝不規(guī)范、缺乏安全設施的問題，使得這些CNG加氣站存在著安全隱患。國家雖然已經(jīng)制定了較完整的標準規(guī)范，但對于儲氣井的安全性只能進行粗略的判斷，并沒有較權威的評價方法及技術指標^[2]。筆者認為，有的研究者對CNG加氣站進行了一定的安全性分析、評價及建模，但只是涉及加氣站設計和整體的評價，對其中存在較大安全風險的地下儲氣井未給予充分重視，不能反映出各CNG加氣站地下儲氣井在安全性方面的個體差異。在此，有必要對CNG加氣站中安全風險較大的地下儲氣井的安全性評價進行研究。早期國內外儲存壓縮天然氣一般采取儲氣瓶的方式，由于其儲存壓力高達25 MPa，且安放在地面上，安全問題引起了人們的普遍關注。隨著CNG加氣站的大量建設和運營，CNG地下儲氣井作為一種儲氣方式，其技術已基本趨于完善，與地面儲氣方式相比，其安全程度較高，但其工作特點決定了危險存在的客觀性。同時安全風險越來越受到人們的重視，它不僅關系到人們的正常生活，而且關系到人身安全、國家財產(chǎn)和社會穩(wěn)定。要減輕和消除這些風險和危害，及早地進行安全評價十分重要。

2 模糊層次分析法原理

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

模糊層次分析法與經(jīng)典層次分析法在建立層次結構模型、構造兩兩比較判斷矩陣、計算矩陣的最大特征值及其對應的特征向量等步驟基本相同，但在確定樣本所屬級別上有所不同。經(jīng)典層次分析法是根據(jù)綜合權重的最大權重所對應的級別作為樣本所屬的級別，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確地構造判斷矩陣，使權重計算結果更加合理，而且無需對判斷矩陣進行一致性檢驗。

3        CNG地下儲氣井的安全評價

3.1 地下儲氣井易于發(fā)生事故的主要因素

① CNG儲氣井是我國可燃氣體的最高壓力儲存容器，危險性大。

② 操作人員的素質高低、工作經(jīng)驗多少、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。

③ 若井管質量不好或發(fā)生腐蝕就會造成天然氣泄漏，甚至井管爆裂。

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

⑤ 地質狀況、自然環(huán)境及其他因素等。

3.2 安全評價層次結構模型

分析導致地下儲氣井發(fā)生事故的主要原因，可以將威脅儲氣井安全的指標因素歸納為4個大類，分別為人員因素類、設備設施類、安全管理類和環(huán)境因素類。建立CNG儲氣井的安全評價層次結構模型，見圖l。

 

 

3.3 安全評價

3．3．1確定評價集并賦值

評價集是由可能作出的各種安全評價結果等級組成的集合。

 

式中  V——評價集

ν_j——第j個評價結果等級

m——評價結果等級個數(shù)

本研究儲氣井安全分為5個等級，即m=5，V={優(yōu)，良，中，及格，差}。

3．3．2 建立因素集

因素集是被評判對象的各因素組成的集合。

 

式中 P——因素集

p_k——評價對象第k個因素

n——評價因素個數(shù)

3．3．3 單因素判斷

對因素集P中的某個因素P。的評判，得到P的模糊集{r_k,1，r_k,2，…,r_k,m}。

所有的單因素評判模糊集組成的矩陣稱為評判矩陣。

 

式中  R——評判矩陣，由所有單因素評判的模糊集組成

r_k,j——被評價對象從因素p_k來看對ν_j等級模糊子集的隸屬度

3．3．4 模糊層次綜合評判

各因素的影響程度不一樣，需要選擇適當?shù)挠嬎惴▽Ω饕蛩丶訖?，引?span lang="EN-US">P上的模糊集W，W以向量表示為：

 

式中 W——權重模糊集向量

w_k——因素集P中第k個元素的權重

n——元素總個數(shù)

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

 

式中 B——綜合評判結果組成的矩陣

b₁——被評判對象從整體上看對等級模糊子集的隸屬度

n——綜合評判結果的個數(shù)

① 各指標相對重要程度的計算

按照因果關系將影響最終結果的直接和間接原因與最終目標劃分為3個層次。目標層：該層次只有1個元素，是指分析問題的預定目標或理想結果；準則層：這一層次包括了為實現(xiàn)目標所涉及的中間環(huán)節(jié)，可以由若干層次組成；指標層：表示為實現(xiàn)目標可提供選擇的各種措施、指標等。建立了這種遞階層次結構后，上下層之間元素的隸屬關系就被確定。假定以矩陣F為準則，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對于準則矩陣F中各因素的權重。

為了確定指標層各因素的相對重要程度，需要求出準則層每個因素相對于目標層的相對權重，也就是將準則層每個因素對于總目標——儲氣井安全的重要程度予以量化。同時，需要求出各個指標因素對于準則層各因素的相對權重。筆者采用導出權重法，也就是兩兩比較的方法。針對準則矩陣F，兩個元素f_j和f_i哪一個重要，重要多少，并按1～9的比例標度對重要性程度賦值^[5]。這樣對于準則矩陣F，n個被比較的元素就構成了一個兩兩比較的判斷矩陣。

a．準則層各因素對目標層的重要程度

此處利用方根法計算，用兩兩比較求出各元素的相對重要程度，其準則矩陣F對應的元素值見表1。

 

 

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

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分別表示準則層對目標層的權重，即人員因素、設備設施、安全管理、環(huán)境因素對地下儲氣井安全影響的權重分別為：0．125、0．491、0．306、0．078。

b．指標層各因素對準則層的權重

利用方根法計算，可以得出指標層對準則層各因素的權重，人員因素矩陣D₁對應的元素值見表2。

 

計算得：

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——指標因素對準則層中的人員因素評判結果

其中，w₁₁,w₁₂,w₁₃分別表示人員因素中的業(yè)務素質、安全意識、工作狀態(tài)指標對地下儲氣井安全的人員因素的權重。

同理可分別得到各指標因素對設備設施、安全管理、環(huán)境因素的評判結果：

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——指標因素對準則層中的設備設施評判結果

W₃——指標因素對準則層中的安全管理評判結果

W₄——指標因素對準則層中的環(huán)境因素評判結果

② 確定各級指標權重

匯總各準則層因素與指標層因素對于儲氣井安全目標的權重，即可以排出各指標因素對儲氣井安全權重的順序。以某CNG地下儲氣井為例，利用層次分析法，把相關各指標因素進行綜合評定，并且進行歸一化處理，見表3。

 

3．3．5各指標等級隸屬度

采用專家調查法，請專家通過考評及現(xiàn)場調研，對項目中的各指標進行打分，然后計算出各個等級中專家人數(shù)占總專家人數(shù)的比例^[6-7]，即是各指標等級隸屬度r_i,j,見表4。

 

3．3．6模糊層次綜合評價結果

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

 

則綜合評判如下：

 

式中 b₁——人員因素的綜合評判結果

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，說明對人員因素的綜合評判獲得評價“優(yōu)”的隸屬度最高，所以該CNG地下儲氣井人員因素的評價為“優(yōu)”。利用式(6)可以分別評價出設備設施、安全管理、環(huán)境因素的綜合評判，結果分別為：

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]

由以上結果可知，各因素獲得隸屬度最高的評價，設備設施是“中”，而安全管理、環(huán)境因素都是“優(yōu)”。而對于整個CNG地下儲氣井安全等級的評價則需要利用式(7)進行二次評價：

 

式中A——二次評價的結果

結果為：

A=[0．373，0．302，0．286，0．034，0．005]

最后，利用評價結果等級值，按照加權平均原則將評價結果A進行具體量化，作為最終的評價結果，用E表示。

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

3．4 評價結論

用模糊層次分析法最終的計算的評價結果為7．008，則此地下儲氣井的總體安全評價值介于7～9范圍，根據(jù)“大于原則”，說明該CNG地下儲氣井的安全等級可以評價為“良”。同時，針對安全級別較低的指標制定應對的策略，從而實現(xiàn)對CNG地下儲氣井安全的整體控制。

4 研究意義

本研究中，研究人員對CNG地下儲氣井的安全評價除了一般性的理論分析外，還建立了指導地下儲氣井安全評價的模糊層次分析模型。該模型的優(yōu)點是：用層次分析法建立各種安全因素指標集，避免了確定權重時的主觀片面性；綜合模糊數(shù)學理論與層次分析法，將定性分析與定量分析相結合，使主觀估計客觀化，尋求到了理論分析與工程實際的結合點；采用比較成熟的模糊層次分析法進行評價，較好地解決了工程項目中模糊因素的度量^[9]。

利用模糊層次分析法對CNG地下儲氣井安全狀況進行評價，減少了評價工作中的隨意性。實踐證明，該法對實際工程具有較好的針對性和現(xiàn)實指導意義。

 

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本文作者：王興畏伍勁濤 張玉梅

作者單位：重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院   重慶燃氣(集團)有限責任公司