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[摘 要]应用SPS仿真模拟软件，得到川气东送天然气管道年输量为101×108Nm3/a的预选调峰工艺方案集。由于SPS计算出的方案在技术上可行，但是经济上不一定合理，故运用密切值法、效用函数法和灰色综合评价法建立天然气调峰评价模型，对两种输量下的各预选方案进行综合评价，得到不同的方案优劣排序结果。引入最大兼容度模型对不同的结果进行综合评价，最终得到技术上可行、经济上合理的最优调峰方案。
中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0118-03
0.引言
国内外天然气调峰方案的制定一般都是使用仿真软件（如SPS、TGNET）模拟调峰方案后再根据工程经验，实施调峰方案。这样的调峰方案也许在工艺上可行，但经济上不一定合理。经济效益和社会效益好的调峰方案必须在多个工艺方案中经过综合评价才能找到。因此在长输管道工程中运用综合评价方法显得尤其重要。本文以川气东送天然气管道调峰方案为例对综合评价方法在长输管道上的应用展开研究。
1.常用综合评价法概述
综合评价是人类社会中重要的一类认识活动。所谓综合评价，是指对评价对象的全体，根据所给的已知条件，采用一定的方法，给每个评价对象赋予一个评价值，再据此择优或排序。通过综合评价，可以评判各评价对象的先进和落后，揭示其存在的问题，找出优势和薄弱环节，为决策者提供有益的参考。
在长输管道工程中运用综合评价方法显得尤其重要。在油气储运工程中，常用到的综合评价方法有层次分析法、灰色关联法、灰色物元法、模糊物元法、数据包络法和模糊综合评价法。本文选用密切值法、效用函数法和灰色综合评价法建立天然气调峰评价模型，对各预选方案进行综合评价，得到不同的方案优劣排序结果。引入最大兼容度模型对不同的结果进行综合评价，最终得到技术上可行、经济上合理的最优调峰方案。几种常用综合评价法的基本原理和计算步骤如下：
1.1 密切值法[1]
密切值法的基本思想是先找出关于方案集的“最优点”和“最劣点”，然后尽量找出可能接近“最优点”且远离“最劣点”的决策点，即所寻求的最优方案。
应用密切值法进行川气东送天然气管道调峰方案评价时，定义原始指标为aij，其中表示方案数目，表示指标数目。在本次研究中，当川气东送天然气输送量为101×108Nm3/a时，，。
密切值法的计算步骤如下：
（1）指标规范化：
；
（2）找到“最优点”和“最劣点”：
令，
（3）求出各个方案的密切值：
式中：；；
；；—第个方案的权重
综述所述，应用密切值法的步骤如图1所示。
1.2 灰色综合评价法
灰色系统是介于信息完全已知的白色系统和信息一无所知的黑色系统之间的中介系统，带有中介性的事物往往更具有独特的性能。灰色理论应用最广泛的是关联度分析法，灰色综合评价法是以灰色关联法为基础的综合评价方法。其基本思想是先通过灰色关联法计算出各个方案的关联度，引入权重，再将权重与各方案关联度进行综合计算。该方法依据的模型为：，其中为个被评对象的综合评价结果向量；为个评价指标的权重分配向量。
灰色综合评价的计算步骤如下：
（1）确定最优指标集：
若指标为越大越好型，则该指标中的最大值为最优值；若指标为越小越好型，则该指标中最小值为最优值。这里将最优指标集记为：
，将比较集记为：。
（2）指标规范化：
设第个指标的变化区间为，为该指标在所有待评价方案中的最小值，为该指标在所有待评价方案中的最大值，则可以用下式将原始数据规范化：
式中 —第个方案第个指标的值
（3）计算灰色关联系数：
式中 ，一般取
（4）计算综合评价结果：
式中：—第个指标的权重系数。
若越大，则说明与最优指标最接近，即第个方案优于其他方案。
综述所述，应用密切值法的步骤如图2所示。
1.3 效用函数法
效用函数法不直接对目标进行加权，而是将目标值先转化为效用值，再对其进行加权，并构成一个新的单目标函数，直接利用效用函数获取目标的等价效用值[2]。
其计算步骤如下：
（1）指标规范化：
式中—第方案的第个指标值；
—方案的数目；
—指标的数目。
（2）計算效用函数值
式中—各指标的权重系数。
某方案的效用函数值越大，表明该方案越优。
综述所述，应用密切值法的步骤如图3所示。
1.4 最大兼容度理论评价调峰工艺方案集
（1）最大兼容度法的基本原理[3]
如果把每一个评价方案看成维欧式空间中的一个点，则求与个评价方案有最大兼容度的评价方案有如下几何意义：在维欧式空间中，求与个点的欧式距离平方有最小加权平均的点。
（2）最大兼容度法的基本概念[4]
记为评价方案数，为评价对象数。根据多元统计分析理论，第，两个评价方案，之间的相关程度，可以通过它们的等级相关系数，来计算。其中，分别表示第号对象在第个方案与第个方案中的排序名次。
某个多属性评价方案的兼容度，是指该评价方案与其他评价方案等级相关系数的加权平均值。即某个评价方案与其他个评价方案的兼容度，可以按以下公式计算：
其中，为第j个多属性评价方案的权重，通常在对各个评价方案没有特别偏好时，都取为，表示第k号对象在该评价方案中的排序名次。若每种评价方法是独立的，某个评价方案的兼容度较大，则该方案的代表性较强，可靠性高，它在兼容度意义下也就较好。 （3）最大兼容度法的评价模型
其中为使用最大兼容度模型计算得到的最终方案优劣排序的结果。
（4）最大兼容度法的计算步骤
应用最大兼容度法，首先需要已知各评价方法的评价结果，根据评价结果，计算出各评价方案间的等级相关系数，从而确定各个方案的兼容度，最后根据最大兼容度模型，得到兼容各种评价方法优点的方案优劣排序。
图4为应用最大兼容度法评价步骤的框图。
2 工程实例
2.1 工程概况
川气东送天然气管道工程是继西气东输管线后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉。该工程西起川东北普光首站，东至上海末站，管道工程包括1条干线、4条支线和1条专线。沿途设18座干线工艺站场，其中首站1座，分输站9座，清管站5座，压气站2座，末站1座。线路总长约为2203km，干线全长约1700km，管径DN1000，设计压力10MPa。干线及各支线远期设计输量为170×108Nm3/a，本文以输送量为101×108Nm3/a为例，用综合评价法评价调峰预选方案的优劣。川气东送管道沿线各分气点如图5所示。
2.2 基本参数
川气东送天然气管道工程的气源为普光气田，该工程首站接收来自普光天然气净化厂净化后的天然气。
（1）供气温度：普光天然气净化厂进普光首站的天然气温度45℃。
（2）物性参数：气源物性参数如表1所示。
3 方案比选
3.1 指标体系的选择
在综合评价中，指标体系的选择是基础，也是一个很困难的问题。一般来说，指标数量越多，范围越广，则备选方案之间的差异越明显，更有利于评价和判断，但是确定指标的重要程度就越难，建模过程也更加复杂，评价结果的准确性越低。故指标体系选取的好坏对评价的对象有举足轻重的作用。根据前述选择系统评价指标体系的原则，确定如下川气东送天然气管道调峰方案的评价指标。
（1）管道储气量：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由SPS仿真软件计算得到。
（2）储气最高压力：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由决策调度人员确定，但不得高于管道的设计压力。
（3）储气最低压力：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由决策调度人员确定，但不得低于城市门站允许的最低压力。
（4）实际供气量：管道向各城市门站供气的总和，是衡量管道运行效益的重要参数。
（5）销售收入：这是衡量管道运行效益的重要参数。
（6）增压消耗功率：当管道输量增大，摩阻必然增大；为完成输送任务，为保证用户供气量和供气压力，必须启动管路沿线压气站增压。压气站功率消耗的多少关系到管道运行的效益。
（7）输气成本：这是衡量管道运行效益的重要参数。
从输气企业的经济效益、安全生产和保证用户用气的社会效益综合考虑，管道调峰的最佳方案应是：管道储气量越大越好；在管道设计压力下，储气压力越高越好；在城市门站允许的最低压力范围内，储气压力越低越好；在保证完成输送任务，保证用户供气量和供气压力的前提下，增压功率消耗越小越好；输气成本越低越好；实际供气量总和越大越好；销售收入越多越好。
3.2 SPS仿真软件模拟川气东送天然气调峰预选方案
川气东送天然气管道输送量为101 × 108Nm3/a时，为了满足上海末站最低压力4.00MPa的需求，普光首站和利川压气站投入运行；气源点最高压力为10.00MPa；管网最低压力为4.00MPa。
将原始数据准备就绪后，送入SPS进行仿真，反复调整管网工艺参数6次，获得6个储气调峰方案，每个方案具体的工艺参数见表2。
3.3 权重的计算
本文应用熵值法计算川气东送天然气输送量为101×108Nm3/a时各个指标的权重。
所谓“熵”，是指评价系统无序程度的度量。熵值越小，表明系统无序程度小，有序程度越大，则信息的效用值越大，权重也就越大。相反，熵值越大，信息提供的效用值越小，权重也就越小。
从表3可得到以下结论：
（1）各个指标的权重之和都为1，表明针对川气东送天然气管道调峰方案评价，使用熵值法确定各指标权重是可行的。
（2）输气成本的权重最大，表明管输气成本在所有指标中最具有代表性，对川气东送调峰方案的综合评价影响程度最大；储气最低压力的权重最小，表明该项指标对川气东送调峰方案的综合评价影响最小。
3.4 综合评价结果
（1）密切值法的评价结果
由于密切值表示待选方案与理想方案的距离，故密切值越小，方案越优。从表4可以看到，方案一为最优方案。
（2）灰色综合评价法的评价结果
由于关联度大小反映的是待选方案与理想方案的关联程度，故关联度越大方案越优。从表5可以看到，方案六为最优方案。
（3）效用函数法的评价结果
由于效用函数值反映的是信息的有效程度，故效用函数值越大，方案越优。从表6可以看到方案一为最优方案。
（4）三种评价方法的的兼容度
按照上述兼容度的计算方法，计算川气东送天然气管道输送量为101×108Nm3/a时，密切值法、灰色综合评价法和效用函数法三种评价方法的的兼容度。
从表7可以看到，效用函数法和密切值法的兼容度相等且为最大值，而灰色综合评价法的兼容度最小，则表明密切值法和效用函数法的代表性比灰色综合评价法强，可靠性更高，即这两种方法在用于川气东送天然气管道调峰方案的综合评价时优于灰色综合评价法。
（5）最大兼容度法的评价结果
按照最大兼容度模型计算调峰方案集的评价结果，如表8所示。
从表8可以看到，方案一为最优方案。这与应用密切值法和效用函數法评价的结果是相同的，同时这个结果正好符合密切值法和效用函数法的兼容度最大的结果。故应用最大兼容度法评价川气东送调峰预选方案的实际结果与理论相符，可行。
综上所述，使用最大兼容度模型评价川气东送管道天然气管道输送量为101×108Nm3/a时的调峰方案优劣结果为：方案一为最优调峰方案，即选用管道储气量为81.815×104Nm3/d，储气最高压力为9.831MPa时的方案为技术上可行、经济上合理的调峰方案。这个评价结果同时也证明最大兼容度法可行。
4 结束语
本文采用密切值法、灰色综合评价法和效用函数法对川气东送天然气管道输送量101×108Nm3/a的调峰预选方案集进行综合评价，得到不同的评价结果，通过兼容度计算可知密切值法和效用函数法在兼容度的概念下具有更大的适用性。
现有的、较新的、具有自学功能的综合评价评价方法有很多，如神经网络法、小波网络法等，使用这些方法得到的评价结果可能不同，故在这方面还需进行进一步的学习与研究。
参考文献
[1] 文涛，汪玉春，郭怡.天然气长输管道设计方案综合评价系统[J].油气储运， 2005，24（8）：10～14.
[2] 王登赢：多目标决策方案优选的密切值法，系统工程，1989（1）：33-35.
[3]文涛.输气管道设计方案综合评价研究[D].西南石油学院，硕士学位论文，2005：32-33.
[4] 张益，张俊容.基于兼容度和差异度的多属性评价方案优化方法[J].西南大学学报，2010，32（11）-82.
中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0118-03
0.引言
国内外天然气调峰方案的制定一般都是使用仿真软件（如SPS、TGNET）模拟调峰方案后再根据工程经验，实施调峰方案。这样的调峰方案也许在工艺上可行，但经济上不一定合理。经济效益和社会效益好的调峰方案必须在多个工艺方案中经过综合评价才能找到。因此在长输管道工程中运用综合评价方法显得尤其重要。本文以川气东送天然气管道调峰方案为例对综合评价方法在长输管道上的应用展开研究。
1.常用综合评价法概述
综合评价是人类社会中重要的一类认识活动。所谓综合评价，是指对评价对象的全体，根据所给的已知条件，采用一定的方法，给每个评价对象赋予一个评价值，再据此择优或排序。通过综合评价，可以评判各评价对象的先进和落后，揭示其存在的问题，找出优势和薄弱环节，为决策者提供有益的参考。
在长输管道工程中运用综合评价方法显得尤其重要。在油气储运工程中，常用到的综合评价方法有层次分析法、灰色关联法、灰色物元法、模糊物元法、数据包络法和模糊综合评价法。本文选用密切值法、效用函数法和灰色综合评价法建立天然气调峰评价模型，对各预选方案进行综合评价，得到不同的方案优劣排序结果。引入最大兼容度模型对不同的结果进行综合评价，最终得到技术上可行、经济上合理的最优调峰方案。几种常用综合评价法的基本原理和计算步骤如下：
1.1 密切值法[1]
密切值法的基本思想是先找出关于方案集的“最优点”和“最劣点”，然后尽量找出可能接近“最优点”且远离“最劣点”的决策点，即所寻求的最优方案。
应用密切值法进行川气东送天然气管道调峰方案评价时，定义原始指标为aij，其中表示方案数目，表示指标数目。在本次研究中，当川气东送天然气输送量为101×108Nm3/a时，，。
密切值法的计算步骤如下：
（1）指标规范化：
；
（2）找到“最优点”和“最劣点”：
令，
（3）求出各个方案的密切值：
式中：；；
；；—第个方案的权重
综述所述，应用密切值法的步骤如图1所示。
1.2 灰色综合评价法
灰色系统是介于信息完全已知的白色系统和信息一无所知的黑色系统之间的中介系统，带有中介性的事物往往更具有独特的性能。灰色理论应用最广泛的是关联度分析法，灰色综合评价法是以灰色关联法为基础的综合评价方法。其基本思想是先通过灰色关联法计算出各个方案的关联度，引入权重，再将权重与各方案关联度进行综合计算。该方法依据的模型为：，其中为个被评对象的综合评价结果向量；为个评价指标的权重分配向量。
灰色综合评价的计算步骤如下：
（1）确定最优指标集：
若指标为越大越好型，则该指标中的最大值为最优值；若指标为越小越好型，则该指标中最小值为最优值。这里将最优指标集记为：
，将比较集记为：。
（2）指标规范化：
设第个指标的变化区间为，为该指标在所有待评价方案中的最小值，为该指标在所有待评价方案中的最大值，则可以用下式将原始数据规范化：
式中 —第个方案第个指标的值
（3）计算灰色关联系数：
式中 ，一般取
（4）计算综合评价结果：
式中：—第个指标的权重系数。
若越大，则说明与最优指标最接近，即第个方案优于其他方案。
综述所述，应用密切值法的步骤如图2所示。
1.3 效用函数法
效用函数法不直接对目标进行加权，而是将目标值先转化为效用值，再对其进行加权，并构成一个新的单目标函数，直接利用效用函数获取目标的等价效用值[2]。
其计算步骤如下：
（1）指标规范化：
式中—第方案的第个指标值；
—方案的数目；
—指标的数目。
（2）計算效用函数值
式中—各指标的权重系数。
某方案的效用函数值越大，表明该方案越优。
综述所述，应用密切值法的步骤如图3所示。
1.4 最大兼容度理论评价调峰工艺方案集
（1）最大兼容度法的基本原理[3]
如果把每一个评价方案看成维欧式空间中的一个点，则求与个评价方案有最大兼容度的评价方案有如下几何意义：在维欧式空间中，求与个点的欧式距离平方有最小加权平均的点。
（2）最大兼容度法的基本概念[4]
记为评价方案数，为评价对象数。根据多元统计分析理论，第，两个评价方案，之间的相关程度，可以通过它们的等级相关系数，来计算。其中，分别表示第号对象在第个方案与第个方案中的排序名次。
某个多属性评价方案的兼容度，是指该评价方案与其他评价方案等级相关系数的加权平均值。即某个评价方案与其他个评价方案的兼容度，可以按以下公式计算：
其中，为第j个多属性评价方案的权重，通常在对各个评价方案没有特别偏好时，都取为，表示第k号对象在该评价方案中的排序名次。若每种评价方法是独立的，某个评价方案的兼容度较大，则该方案的代表性较强，可靠性高，它在兼容度意义下也就较好。 （3）最大兼容度法的评价模型
其中为使用最大兼容度模型计算得到的最终方案优劣排序的结果。
（4）最大兼容度法的计算步骤
应用最大兼容度法，首先需要已知各评价方法的评价结果，根据评价结果，计算出各评价方案间的等级相关系数，从而确定各个方案的兼容度，最后根据最大兼容度模型，得到兼容各种评价方法优点的方案优劣排序。
图4为应用最大兼容度法评价步骤的框图。
2 工程实例
2.1 工程概况
川气东送天然气管道工程是继西气东输管线后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉。该工程西起川东北普光首站，东至上海末站，管道工程包括1条干线、4条支线和1条专线。沿途设18座干线工艺站场，其中首站1座，分输站9座，清管站5座，压气站2座，末站1座。线路总长约为2203km，干线全长约1700km，管径DN1000，设计压力10MPa。干线及各支线远期设计输量为170×108Nm3/a，本文以输送量为101×108Nm3/a为例，用综合评价法评价调峰预选方案的优劣。川气东送管道沿线各分气点如图5所示。
2.2 基本参数
川气东送天然气管道工程的气源为普光气田，该工程首站接收来自普光天然气净化厂净化后的天然气。
（1）供气温度：普光天然气净化厂进普光首站的天然气温度45℃。
（2）物性参数：气源物性参数如表1所示。
3 方案比选
3.1 指标体系的选择
在综合评价中，指标体系的选择是基础，也是一个很困难的问题。一般来说，指标数量越多，范围越广，则备选方案之间的差异越明显，更有利于评价和判断，但是确定指标的重要程度就越难，建模过程也更加复杂，评价结果的准确性越低。故指标体系选取的好坏对评价的对象有举足轻重的作用。根据前述选择系统评价指标体系的原则，确定如下川气东送天然气管道调峰方案的评价指标。
（1）管道储气量：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由SPS仿真软件计算得到。
（2）储气最高压力：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由决策调度人员确定，但不得高于管道的设计压力。
（3）储气最低压力：这是衡量管道储气调峰能力的重要参数，由决策调度人员确定，但不得低于城市门站允许的最低压力。
（4）实际供气量：管道向各城市门站供气的总和，是衡量管道运行效益的重要参数。
（5）销售收入：这是衡量管道运行效益的重要参数。
（6）增压消耗功率：当管道输量增大，摩阻必然增大；为完成输送任务，为保证用户供气量和供气压力，必须启动管路沿线压气站增压。压气站功率消耗的多少关系到管道运行的效益。
（7）输气成本：这是衡量管道运行效益的重要参数。
从输气企业的经济效益、安全生产和保证用户用气的社会效益综合考虑，管道调峰的最佳方案应是：管道储气量越大越好；在管道设计压力下，储气压力越高越好；在城市门站允许的最低压力范围内，储气压力越低越好；在保证完成输送任务，保证用户供气量和供气压力的前提下，增压功率消耗越小越好；输气成本越低越好；实际供气量总和越大越好；销售收入越多越好。
3.2 SPS仿真软件模拟川气东送天然气调峰预选方案
川气东送天然气管道输送量为101 × 108Nm3/a时，为了满足上海末站最低压力4.00MPa的需求，普光首站和利川压气站投入运行；气源点最高压力为10.00MPa；管网最低压力为4.00MPa。
将原始数据准备就绪后，送入SPS进行仿真，反复调整管网工艺参数6次，获得6个储气调峰方案，每个方案具体的工艺参数见表2。
3.3 权重的计算
本文应用熵值法计算川气东送天然气输送量为101×108Nm3/a时各个指标的权重。
所谓“熵”，是指评价系统无序程度的度量。熵值越小，表明系统无序程度小，有序程度越大，则信息的效用值越大，权重也就越大。相反，熵值越大，信息提供的效用值越小，权重也就越小。
从表3可得到以下结论：
（1）各个指标的权重之和都为1，表明针对川气东送天然气管道调峰方案评价，使用熵值法确定各指标权重是可行的。
（2）输气成本的权重最大，表明管输气成本在所有指标中最具有代表性，对川气东送调峰方案的综合评价影响程度最大；储气最低压力的权重最小，表明该项指标对川气东送调峰方案的综合评价影响最小。
3.4 综合评价结果
（1）密切值法的评价结果
由于密切值表示待选方案与理想方案的距离，故密切值越小，方案越优。从表4可以看到，方案一为最优方案。
（2）灰色综合评价法的评价结果
由于关联度大小反映的是待选方案与理想方案的关联程度，故关联度越大方案越优。从表5可以看到，方案六为最优方案。
（3）效用函数法的评价结果
由于效用函数值反映的是信息的有效程度，故效用函数值越大，方案越优。从表6可以看到方案一为最优方案。
（4）三种评价方法的的兼容度
按照上述兼容度的计算方法，计算川气东送天然气管道输送量为101×108Nm3/a时，密切值法、灰色综合评价法和效用函数法三种评价方法的的兼容度。
从表7可以看到，效用函数法和密切值法的兼容度相等且为最大值，而灰色综合评价法的兼容度最小，则表明密切值法和效用函数法的代表性比灰色综合评价法强，可靠性更高，即这两种方法在用于川气东送天然气管道调峰方案的综合评价时优于灰色综合评价法。
（5）最大兼容度法的评价结果
按照最大兼容度模型计算调峰方案集的评价结果，如表8所示。
从表8可以看到，方案一为最优方案。这与应用密切值法和效用函數法评价的结果是相同的，同时这个结果正好符合密切值法和效用函数法的兼容度最大的结果。故应用最大兼容度法评价川气东送调峰预选方案的实际结果与理论相符，可行。
综上所述，使用最大兼容度模型评价川气东送管道天然气管道输送量为101×108Nm3/a时的调峰方案优劣结果为：方案一为最优调峰方案，即选用管道储气量为81.815×104Nm3/d，储气最高压力为9.831MPa时的方案为技术上可行、经济上合理的调峰方案。这个评价结果同时也证明最大兼容度法可行。
4 结束语
本文采用密切值法、灰色综合评价法和效用函数法对川气东送天然气管道输送量101×108Nm3/a的调峰预选方案集进行综合评价，得到不同的评价结果，通过兼容度计算可知密切值法和效用函数法在兼容度的概念下具有更大的适用性。
现有的、较新的、具有自学功能的综合评价评价方法有很多，如神经网络法、小波网络法等，使用这些方法得到的评价结果可能不同，故在这方面还需进行进一步的学习与研究。
参考文献
[1] 文涛，汪玉春，郭怡.天然气长输管道设计方案综合评价系统[J].油气储运， 2005，24（8）：10～14.
[2] 王登赢：多目标决策方案优选的密切值法，系统工程，1989（1）：33-35.
[3]文涛.输气管道设计方案综合评价研究[D].西南石油学院，硕士学位论文，2005：32-33.
[4] 张益，张俊容.基于兼容度和差异度的多属性评价方案优化方法[J].西南大学学报，2010，32（11）-82.