楊黎鵬, 李維國

(1.中國石化石油工程設(shè)計有限公司,山東東營 257026; 2.中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東青島 266580)

石油天然氣工程系統(tǒng)的模塊化不僅可以滿足大批量生產(chǎn),而且具有高效率、低成本的優(yōu)勢。童時中[1]指出,為了獲得最佳效益,從系統(tǒng)角度出發(fā),研究產(chǎn)品或者系統(tǒng)的構(gòu)成形式,采用分解和組合的方法,建立模塊體系,并運用模塊組合成產(chǎn)品或者系統(tǒng)的全過程。Langlios等[2]提出模塊化是一個系統(tǒng)性概念,通常指模塊元素分離與重新組合成系統(tǒng)的過程。Sanchez等[3]提出模塊化是將復(fù)雜任務(wù)分解成相對簡單的活動,并且各個活動能夠同時獨立進行,可以有效管理產(chǎn)品和流程的方法。Baldwin等[4]認為模塊化是將復(fù)雜任務(wù)分解成相對簡單的活動,一個大系統(tǒng)的不同部分大多數(shù)是由模塊構(gòu)成的。模塊化能降低系統(tǒng)研發(fā)的復(fù)雜性,降低產(chǎn)品整體研發(fā)及制造的復(fù)雜度,從而減少研發(fā)費用,提高創(chuàng)新效率[5],模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的并行開發(fā),還可以實現(xiàn)資源共享?，F(xiàn)有的模塊劃分方法(如啟發(fā)式模塊創(chuàng)建方法、遺傳算法[7]等)對于天然氣脫硫凈化裝置并不適用。啟發(fā)式模塊創(chuàng)建算法只能從功能角度探討模塊的形成方法,不能完全體現(xiàn)出設(shè)計需求約束等問題。遺傳算法是模擬自然界中生物進化機制的一種迭代算法,黃小僑等曾基于遺傳算法對常減壓裝置進行多目標優(yōu)化[6],但該算法需計算其相應(yīng)的適應(yīng)函數(shù)、相關(guān)概率等[8],過程繁瑣。筆者針對天然氣脫硫凈化裝置的實際情況,提出基于功能-幾何相關(guān)性-接口的產(chǎn)品概念設(shè)計過程模型,在計算相關(guān)度時提出賦值表,并運用圖分割聚類算法[9]建立一種針對該系統(tǒng)的模塊化劃分方法。概念設(shè)計過程模型突出最主要的劃分依據(jù)功能相關(guān)性,且引入接口這個相關(guān)項目,在忽略設(shè)備內(nèi)部行為、狀態(tài)等復(fù)雜因素[10]的情況下,考慮設(shè)備間的能量流、物質(zhì)流、信息流。

1 基于圖分割的天然氣處理裝置模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是一個復(fù)雜的決策過程,它要求決策者從實際需求出發(fā),進行功能分解,原理求解,零部件構(gòu)成,裝配布局[11],在此基礎(chǔ)上對模塊劃分結(jié)果做出評價。

1.1 產(chǎn)品的子功能-設(shè)備序列

天然氣處理裝置的模塊化,主要依據(jù)相應(yīng)的天然氣處理裝置的工藝流程,通過對其進行分解處理,獲得完整的設(shè)備序列。之后從中選取所有需要模塊化的設(shè)備,并通過黑箱法和IDEF0方法制成最終的產(chǎn)品的子功能-設(shè)備序列模型。其中方框表示設(shè)備,方框的輸入、輸出表示該設(shè)備與外界的物質(zhì)、能量、信息交換。在IDEF0功能描述方法中,除設(shè)備和輸入輸出外還有支撐、控制、約束條件等。模型見圖1。其中設(shè)備序列共n個,以設(shè)備Ai和Ai+1為例。

圖1 子功能-設(shè)備序列模型部分圖Fig.1 Partial diagram of sub function-device sequence model

1.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計中的產(chǎn)品模塊化主要按功能進行分解,目前模塊化中典型的概念設(shè)計過程模型有功能-結(jié)構(gòu)模型[12]、功能-行為-結(jié)構(gòu)模型[13]、功能-原理-結(jié)構(gòu)模型[14]。

表1 設(shè)備間的相關(guān)值

設(shè)備間相關(guān)值數(shù)據(jù)通過模糊分級給出,特別地,決策人員根據(jù)比例標度表(表2)給出相關(guān)設(shè)備間的物質(zhì)、能量、信息成對比矩陣(表3),模塊化過程中所涉及的所有成對比矩陣在滿足一致性檢驗的情況下,均可以進行適當調(diào)整,再由層次分析法得出設(shè)備間的物質(zhì)、能量、信息的權(quán)值,若設(shè)備間同時存在物質(zhì)、能量、信息或者兩者以上的聯(lián)系,則權(quán)值相加即可(表1接口部分中相應(yīng)的權(quán)值)。

表2 比例標度

表3 設(shè)備間物質(zhì)、能量、信息的成對比矩陣及權(quán)值Table 3 Pairwise comparison matrix of material, energy and information between devices and weights

1.3 圖分割模塊劃分

為表達設(shè)備間的相關(guān)性引入相關(guān)度的概念:

(1)

采用無向圖G來表示產(chǎn)品子功能-設(shè)備序列模型中設(shè)備之間的關(guān)系,圖的結(jié)點xi表示設(shè)備,圖的邊eij表示設(shè)備Ai和Aj間的聯(lián)系,則有

G=[X,E],X={x1,x2,…,xn},E={eij=(xi,xj)|xi,xj∈X},i,j∈{1,2,…,n}.

步驟1:確定無向圖G的邊E的權(quán)值w(e)=rij。若對于任意的j∈{1,2,…,n},rij=0,則結(jié)點xi被舍掉。

步驟2:斷開相關(guān)度rij較小的邊。給定相關(guān)度rij的閾值r0,從無向圖G中移出權(quán)值小于r0的邊,形成結(jié)點集X上的圖G′:G′={(X,E′)|E′=E-{e′|w(e′)

步驟3:確定聚類。根據(jù)步驟2,斷開連接后,相互連通的結(jié)點構(gòu)成一個聚類,即可以得到模塊化方案。

1.4 模塊化方案評價

運用單項指標評價與綜合指標評價[15]的方法作為天然氣處理裝置模塊化方案的評價方法。其中,單項指標評價要求模塊化方案要滿足每一項必需的準則,否則該方案就被舍棄,其他準則不必再檢驗。其目的是排除不可行的方案,以減輕綜合指標評價的工作量。在此基礎(chǔ)上用層次分析法進行綜合評價選出最佳的方案。層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標決策綜合分析方法,其步驟如下:

(1)構(gòu)建實際層次結(jié)構(gòu)模型,分為目標層A,準則層B,方案層C;

(2)根據(jù)表2得到成對比矩陣A-B,利用層次分析法得到準則層的權(quán)值ωj(j=1,2，…,J,表示選擇的準則層的準則序號);

(3)根據(jù)表2得到成對比矩陣B(j)-C,j=1,2,…,J,利用層次分析法得到各個方案對于各個準則層的權(quán)值pij(i=1,…,I,表示選擇的方案序號);

2 天然氣脫硫凈化裝置模塊化實現(xiàn)

本案例為油氣處理站場中的天然氣脫硫凈化裝置模塊化設(shè)計,其總體功能為天然氣井口采集的含硫天然氣進行脫硫凈化處理,保證外輸天然氣的含量和水露點指標滿足國家一類天然氣要求,并得到副產(chǎn)品硫磺。裝置涵蓋的工藝流程包括井口天然氣加熱、節(jié)流、降壓等配套設(shè)備,其中需要模塊化的設(shè)備共91個(表4)。

表4 設(shè)備名稱及設(shè)備位號

以此建立產(chǎn)品子功能-設(shè)備序列模型(此處以設(shè)備1和設(shè)備2為例，圖2)。

圖2 設(shè)備1和設(shè)備2的模型Fig.2 Model diagram of device 1 and 2

根據(jù)決策人員提供的設(shè)備間有關(guān)功能、幾何相關(guān)性、接口的成對比矩陣(表5),由層次分析法得出設(shè)備間功能、幾何相關(guān)性、接口的權(quán)值。

表5 設(shè)備間功能、幾何相關(guān)性、接口的成對比矩陣及權(quán)值Table 5 Pairwise comparison matrix of functionality, geometric correlation and interface between devices and weights

根據(jù)各設(shè)備之間相關(guān)度矩陣M,分別選擇方案1為r0=0.513 8和方案2為r0=0.506 031,得到劃分情況如圖4和圖5。模塊數(shù)(設(shè)備數(shù)大于等于2的模塊)分別為13和4。

圖3 子功能-設(shè)備序列相關(guān)性無向圖Fig.3 Undirected graph of correlation of sub function-device sequences

圖4 r0=0.513 8時無向圖的分割Fig.4 Segmentation from undirected graph when r0=0.513 8

圖5 r0=0.506 031時無向圖的分割Fig.5 Segmentation from undirected graph when r0=0.506 031

對上述兩種方案展開評價,首先確定實際層次結(jié)構(gòu)模型(表6)。

表6 層次分析法結(jié)構(gòu)

其次,利用層次分析法得到準則層的權(quán)值ωj(表7)和兩個方案對于各個準則的權(quán)值pij(表8～表11),i=1,2表示方案序號,j=1,2,3,4,表示準則層序號。

表7 成對比矩陣A-B及準則層權(quán)值ωjTable 7 Pairwise comparison matrix A-B and weights of criteria layer ωj

表8 成對比矩陣B1-C及權(quán)值pi1Table 8 Pairwise comparison matrix B1-C and weights pi1

表9 成對比矩陣B2-C及權(quán)值pi2Table 9 Pairwise comparison matrix B2-C and weights pi2

表10 成對比矩陣B3-C及權(quán)值pi3Table 10 Pairwise comparison matrix B3-C and weights pi3

表11 成對比矩陣B4-C及權(quán)值pi4Table 11 Pairwise comparison matrix B4-C and weights pi4

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算各個方案C(i)的合成權(quán)值ki,根據(jù)表12可知方案1的k1值較大,優(yōu)先選擇方案1。

表12 C層總排序

3 結(jié)束語