摘 要

摘要：分析CNG加气站地下储气井安全评价的意义，介绍模糊层次分析法的原理，建立CNG地下储气安全评价模型。结合实例，给出计算步骤，得出了计算结果。关键词：地下储气井； 安全评价； 模

摘要：分析CNG加气站地下储气井安全评价的意义，介绍模糊层次分析法的原理，建立CNG地下储气安全评价模型。结合实例，给出计算步骤，得出了计算结果。

关键词：地下储气井；  安全评价；  模糊层次分析法；  模糊数学

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加气站是易燃易爆场所，因此CNG加气站的安全性是加气站规划、设计和审批考虑的首要因素。而CNG地下储气井的安全是保证CNG加气站正常运行的关键^[1]。虽然我国的CNG加气站建设已较成熟，但地下储气井的总体水平与国外还存在一定差距，大部分都存在着结构简单、施工工艺不规范、缺乏安全设施的问题，使得这些CNG加气站存在着安全隐患。国家虽然已经制定了较完整的标准规范，但对于储气井的安全性只能进行粗略的判断，并没有较权威的评价方法及技术指标^[2]。笔者认为，有的研究者对CNG加气站进行了一定的安全性分析、评价及建模，但只是涉及加气站设计和整体的评价，对其中存在较大安全风险的地下储气井未给予充分重视，不能反映出各CNG加气站地下储气井在安全性方面的个体差异。在此，有必要对CNG加气站中安全风险较大的地下储气井的安全性评价进行研究。早期国内外储存压缩天然气一般采取储气瓶的方式，由于其储存压力高达25 MPa，且安放在地面上，安全问题引起了人们的普遍关注。随着CNG加气站的大量建设和运营，CNG地下储气井作为一种储气方式，其技术已基本趋于完善，与地面储气方式相比，其安全程度较高，但其工作特点决定了危险存在的客观性。同时安全风险越来越受到人们的重视，它不仅关系到人们的正常生活，而且关系到人身安全、国家财产和社会稳定。要减轻和消除这些风险和危害，及早地进行安全评价十分重要。

2 模糊层次分析法原理

层次分析法的原理是把复杂的问题分解为各组成因素，将这些因素按支配关系分组，以形成有序的递阶层次结构。通过两两比较判断，确定每一层中因素的相对重要性，建立判断矩阵，通过计算矩阵的最大特征值与特征向量，得出该层要素对于上层准则的重要性次序，从而建立权重向量^[3]。

模糊层次分析法与经典层次分析法在建立层次结构模型、构造两两比较判断矩阵、计算矩阵的最大特征值及其对应的特征向量等步骤基本相同，但在确定样本所属级别上有所不同。经典层次分析法是根据综合权重的最大权重所对应的级别作为样本所属的级别，即“最大原则”法；而模糊层次分析法则是根据“大于原则”法^[4]。与经典层次分析法不同的模糊层次分析法能够更加准确地构造判断矩阵，使权重计算结果更加合理，而且无需对判断矩阵进行一致性检验。

3        CNG地下储气井的安全评价

3.1 地下储气井易于发生事故的主要因素

① CNG储气井是我国可燃气体的最高压力储存容器，危险性大。

② 操作人员的素质高低、工作经验多少、操作规程和作业章程执行程度等，都与事故发生可能性的大小密切相关。

③ 若井管质量不好或发生腐蚀就会造成天然气泄漏，甚至井管爆裂。

④ 天然气气质不符合要求，会造成阀门、排污管等阻塞及管壁腐蚀情况发生。

⑤ 地质状况、自然环境及其他因素等。

3.2 安全评价层次结构模型

分析导致地下储气井发生事故的主要原因，可以将威胁储气井安全的指标因素归纳为4个大类，分别为人员因素类、设备设施类、安全管理类和环境因素类。建立CNG储气井的安全评价层次结构模型，见图l。

 

 

3.3 安全评价

3．3．1确定评价集并赋值

评价集是由可能作出的各种安全评价结果等级组成的集合。

 

式中  V——评价集

ν_j——第j个评价结果等级

m——评价结果等级个数

本研究储气井安全分为5个等级，即m=5，V={优，良，中，及格，差}。

3．3．2 建立因素集

因素集是被评判对象的各因素组成的集合。

 

式中 P——因素集

p_k——评价对象第k个因素

n——评价因素个数

3．3．3 单因素判断

对因素集P中的某个因素P。的评判，得到P的模糊集{r_k,1，r_k,2，…,r_k,m}。

所有的单因素评判模糊集组成的矩阵称为评判矩阵。

 

式中  R——评判矩阵，由所有单因素评判的模糊集组成

r_k,j——被评价对象从因素p_k来看对ν_j等级模糊子集的隶属度

3．3．4 模糊层次综合评判

各因素的影响程度不一样，需要选择适当的计算法对各因素加权，引入P上的模糊集W，W以向量表示为：

 

式中 W——权重模糊集向量

w_k——因素集P中第k个元素的权重

n——元素总个数

用W表示因素集P中各因素的权重分配，所有因素权重之和为1。则W与评判矩阵R合成便是对各因素的综合评判矩阵B：

 

式中 B——综合评判结果组成的矩阵

b₁——被评判对象从整体上看对等级模糊子集的隶属度

n——综合评判结果的个数

① 各指标相对重要程度的计算

按照因果关系将影响最终结果的直接和间接原因与最终目标划分为3个层次。目标层：该层次只有1个元素，是指分析问题的预定目标或理想结果；准则层：这一层次包括了为实现目标所涉及的中间环节，可以由若干层次组成；指标层：表示为实现目标可提供选择的各种措施、指标等。建立了这种递阶层次结构后，上下层之间元素的隶属关系就被确定。假定以矩阵F为准则，所支配的下一层次的元素为x₁，x₂，…，x_n，其目的就是要求出x₁，x₂，…，x_n对于准则矩阵F中各因素的权重。

为了确定指标层各因素的相对重要程度，需要求出准则层每个因素相对于目标层的相对权重，也就是将准则层每个因素对于总目标——储气井安全的重要程度予以量化。同时，需要求出各个指标因素对于准则层各因素的相对权重。笔者采用导出权重法，也就是两两比较的方法。针对准则矩阵F，两个元素f_j和f_i哪一个重要，重要多少，并按1～9的比例标度对重要性程度赋值^[5]。这样对于准则矩阵F，n个被比较的元素就构成了一个两两比较的判断矩阵。

a．准则层各因素对目标层的重要程度

此处利用方根法计算，用两两比较求出各元素的相对重要程度，其准则矩阵F对应的元素值见表1。

 

 

准则矩阵F的特征向量就是层次分析法中的权重向量，以方根法求准则矩阵F中各元素的权重近似值：

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

并且将其做归一化处理：

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

则各元素权重矩阵为：

C＇=[0．125，0．491，0．306，0．078]。

其中，c＇_1,1，c＇_1,2，c＇_1,3，c＇_1,4分别表示准则层对目标层的权重，即人员因素、设备设施、安全管理、环境因素对地下储气井安全影响的权重分别为：0．125、0．491、0．306、0．078。

b．指标层各因素对准则层的权重

利用方根法计算，可以得出指标层对准则层各因素的权重，人员因素矩阵D₁对应的元素值见表2。

 

计算得：

w₁₁=0．405 5，w₁₂=1．817 1，w₁₃=1．357 2。

将其做归一化处理：

w＇₁₁=0．113，w＇₁₂=0．508，w＇₁₃=0．379。

则W₁=[0．113，0．508，0．379]。

式中  W₁——指标因素对准则层中的人员因素评判结果

其中，w₁₁,w₁₂,w₁₃分别表示人员因素中的业务素质、安全意识、工作状态指标对地下储气井安全的人员因素的权重。

同理可分别得到各指标因素对设备设施、安全管理、环境因素的评判结果：

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——指标因素对准则层中的设备设施评判结果

W₃——指标因素对准则层中的安全管理评判结果

W₄——指标因素对准则层中的环境因素评判结果

② 确定各级指标权重

汇总各准则层因素与指标层因素对于储气井安全目标的权重，即可以排出各指标因素对储气井安全权重的顺序。以某CNG地下储气井为例，利用层次分析法，把相关各指标因素进行综合评定，并且进行归一化处理，见表3。

 

3．3．5各指标等级隶属度

采用专家调查法，请专家通过考评及现场调研，对项目中的各指标进行打分，然后计算出各个等级中专家人数占总专家人数的比例^[6-7]，即是各指标等级隶属度r_i,j,见表4。

 

3．3．6模糊层次综合评价结果

根据模糊层次分析模型，由指标层向准则层、目标层逐层确定各层权重分配并进行该层的综合评价^[8]。先进行指标层的综合评价，将其所得结果作为准则层的模糊矩阵，再进行准则层次的综合评价，将其所得结果作为目标层的模糊矩阵，再进行目标层次的综合评价。根据表4可以得到对人员因素的评判矩阵R：

 

则综合评判如下：

 

式中 b₁——人员因素的综合评判结果

由b₁可以看出，优、良、中、及格、差的隶属度分别为0．386、0．349、0．178、0．067、0．020。由于得到“优”的隶属度最高，为0．386，说明对人员因素的综合评判获得评价“优”的隶属度最高，所以该CNG地下储气井人员因素的评价为“优”。利用式(6)可以分别评价出设备设施、安全管理、环境因素的综合评判，结果分别为：

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]

由以上结果可知，各因素获得隶属度最高的评价，设备设施是“中”，而安全管理、环境因素都是“优”。而对于整个CNG地下储气井安全等级的评价则需要利用式(7)进行二次评价：

 

式中A——二次评价的结果

结果为：

A=[0．373，0．302，0．286，0．034，0．005]

最后，利用评价结果等级值，按照加权平均原则将评价结果A进行具体量化，作为最终的评价结果，用E表示。

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

3．4 评价结论

用模糊层次分析法最终的计算的评价结果为7．008，则此地下储气井的总体安全评价值介于7～9范围，根据“大于原则”，说明该CNG地下储气井的安全等级可以评价为“良”。同时，针对安全级别较低的指标制定应对的策略，从而实现对CNG地下储气井安全的整体控制。

4 研究意义

本研究中，研究人员对CNG地下储气井的安全评价除了一般性的理论分析外，还建立了指导地下储气井安全评价的模糊层次分析模型。该模型的优点是：用层次分析法建立各种安全因素指标集，避免了确定权重时的主观片面性；综合模糊数学理论与层次分析法，将定性分析与定量分析相结合，使主观估计客观化，寻求到了理论分析与工程实际的结合点；采用比较成熟的模糊层次分析法进行评价，较好地解决了工程项目中模糊因素的度量^[9]。

利用模糊层次分析法对CNG地下储气井安全状况进行评价，减少了评价工作中的随意性。实践证明，该法对实际工程具有较好的针对性和现实指导意义。

 

参考文献：

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[2] 李宪莉，由世俊，杨孟军．高压储气井有关问题探讨[J]．煤气与热力，2008，28(9)：Bl-B4．

[3] 许树柏．层次分析法原理[M]．天津：天津大学出版社，l988：90-105．

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[5] 王莲芬，许树柏．层次分析法[M]．北京：中国人民大学出版社，1990：85-130．

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本文作者：王兴畏伍劲涛 张玉梅

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院   重庆燃气(集团)有限责任公司