刘承婷，李 瑞，杨盼盼

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

基于TOPSIS原理的注汽管线保温材料优选

刘承婷，李 瑞，杨盼盼

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

注汽管线保温材料的性能影响管线保温情况，进而影响稠油油田生产能耗。通过实地调研与理论研究相结合的方法，基于TOPSIS原理建立一种优选保温材料的评价体系，通过TOPSIS原理与熵权法、层次分析法结合，优选注汽管线保温材料。

TOPSIS；注汽管线；保温材料；熵权法；层次分析法

稠油开采以汽驱为主，稠油热采地面输汽管线的保温状况直接影响注汽管线的散热损失，进而影响到达井底的蒸汽干度[1,2]。同时，随着能源价格上涨，企业成本逐年提高，而地面输汽管线的散热损失占注汽系统热损失的80%以上，选择注汽保温材料对于稠油油田降低运行成本具有重要作用[3]。目前油田常用的注汽管线保温材料有硅酸铝、复合硅酸盐、钛陶瓷等多种材料，保温材料的选用要综合考虑多方面因素，各因素对于保温材料终选的影响程度难以量化和综合比较，因此， 建立一种基于多种因素指标值的保温材料评定体系具有必要性。

1 评价体系

1.1 TOPSIS原理

TOPSIS[4]是一种逼近理想解的统计分析方法，起源于上世纪80年代。通过对评价对象多属性的评估排列顺序，计算评价对象与理想解的欧式距离。理想解是一个虚拟的最优解，距离理想解越近，评定目标就越符合要求。由于多目标评估时，可能产生多个目标与理想解间的欧式距离相同，因此，还要计算评价对象与负理想解间的距离，负理想解是虚拟的最差解。TOPSIS原理简便、实用，在多属性决策中应用广泛。

1.2 评定指标权重确定方法

常用的指标权重计算方法有专家评分法、层次分析法、变异系数法和熵权法等，这些权重计算方法各具特色，总体来说，主观赋权方法强调评价者的知识和经验，客观赋权法则以客观数据为依据。本文采用客观赋权方法中的熵权法计算指标权重。熵表示系统的无序程度，系统的信息越多，则熵值越小；反之则大。熵权法计算步骤如下：

（1）计算指标熵值

式中:ijx—第i个评价对象的第j个指标的规范化值；

n—评价对象的个数。

（2）计算熵权

式中: m —评价指标个数。

1.3 评价指标的选取

注汽管线保温材料的选择主要从技术性、安全性和经济性三方面方面考虑。导热系数直接影响管线散热损失的大小，容重则会影响保温材料是否下沉，最高使用温度决定了保温材料的温度上限，以上三项指标用技术性指标表示。保温材料在管道运行中可能受到来自注汽管线和外部环境的影响，会改变保温材料的性能，保温材料选取是要考虑管线的抵御外部影响的能力，本文以安全性指标表示。保温材料的经济性同样会制约材料的选取，我们的目标是选用性能优良、经济合理的保温材料。注汽管线保温材料的评价指标选择如表1。

2 实例分析

2.1 注汽管线保温材料的单项指标评定

以微孔硅酸钙、硅酸铝纤维、超细玻璃棉和钛陶瓷四种常用保温材料为例，评估保温材料性能。

由式（1）计算各指标熵值，以规范化后的导热系数指标为例，计算过程如下：

由式（2）计算各指标熵权，以导热系数指标的熵权为例计算

其他指标熵值及熵权计算过程同上（表2）。以指标规范化矩阵和评价指标熵权计算加权规范化矩阵，计算公式如下:

2.1.1 技术性指标评价

技术性指标加权规范化矩阵如下：

表1 注汽管线保温材料评价指标表Table 1 Evaluation index of the steam injection pipeline insulation material

对文献[5]中及统计数据标准化处理，可以得到评价指标的标准化矩阵。标准化处理采用如下公式

式中:ija —第i个评价对象的第j个指标值。

由公式（3）计算可得，规范化矩阵如下:

表2 指标熵值及熵权汇总表Table 2 Summary of the index Entropy and Entropy weight

注汽管线保温材料的技术性指标中，导热系数和容重为逆向指标，指标值越小越好，使用温度指标为正向指标，指标值越大越好，以此为依据确定理想解和负理想解如下：

采用下式计算四种保温材料与理想解和负理想解之间的距离，

式中: gij—保温材料指标与理想解或负理想解间的欧式距离；

gj—表示理想解或负理想解得指标值。

通过计算可以得到四种保温材料与理想解、负理想解间的欧式距离，分别为以相对于理想解的接近程度进行注汽管线保温材料的排序，相对接近程度按下式计算：

2.1.2 安全性指标和经济性指标评价

计算原理如上，安全指标评定中四种材料相对于理想解得接近程度值分别为钛陶瓷与理想安全指标最接近，材料排序为：钛陶瓷、微孔硅酸钙、超细玻璃棉和硅酸铝纤维。

2.2 保温材料综合评估

在对技术性指标、安全性指标和经济性指标评估的基础上，进行综合评估确定最终选用的注汽管线保温材料。综合评价全面考虑注汽管道保温指标的影响，采用层次分析法确定指标权重，首先对注汽管线保温材料评估指标打分，分值给予标准以判定尺度定义表为准则，建立判断矩阵；其次，计算判断矩阵最大特征根对应的特征向量，归一化处理后即可得到所求指标权重；最后，要进行一致性检验，通过计算矩阵的最大特征值maxλ 和一致性指标CI，当一致性比率CR=CI/RI＜0.1时，指标权重符合要求。判断矩阵如下：

以保温材料单项指标评估权重与层次分析法确定的权重结合进行综合评估

由计算结果可知，微孔硅酸钙最适宜用作注汽管线保温材料。微孔硅酸钙保温材料的安全性指标低于钛陶瓷，但经济性指标和技术性指标明显优于后者。而与其它两种材料相比，微孔硅酸钙优点明显。

3 结 论

本文基于TOPSIS原理优选注汽管线保温材料，以技术性、安全性和经济性三大类指标构建评价体系，以熵权法计算指标单项评估的权值，通过计算材料与理想解、负理想解间的距离，得出评价保温材料与理想保温材料的相对贴近度，从而得出考虑单项指标的材料优劣顺序；再以层次分析法与TOPSIS相结合进行综合评估，优选出性能最佳的保温材料，简化了保温材料选择时的计算过程，评价指标以保温材料的性能为依据，评价结果可信有用。

［1］ 刘晓燕，王金昌，项新耀，刘立君. 稠油开采热注系统输汽管道保温结构的优化设计[J]. 油气田地面工程,1999(05):50-52．

［2］ 韩彦荣,谢华. 热力管道保温材料的选用分析[J]. 制冷与空调(四川),2006(04):59-61．

［3］ 丁波，李立，韩峰，贾文放，景天豪. 河南油田稠油热采注汽管网保温技术应用分析[J]. 石油天然气学报,2010(05):371-373．

［4］ 景国勋，施式亮,等. 系统安全评价与预测[M].中国矿业大学出版社,2009-08．

［5］ 刘承婷. 蒸汽管道保温材料与保温结构优化研究[D].大庆：东北石油大学,2013．

Selection of Steam Injection Pipeline Insulation Material by the Principle of TOPSIS

LIU Cheng-ting，LI Rui，YANG Pan-pan
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

The performance of the steam injection pipeline insulation material can affect the insulation of the pipeline, so it will affect the energy consumption of heavy oil field production. In this paper, combined with the field research and theoretical research, an evaluation system to select the insulation material of the steam injection pipeline by the principle of TOPSIS was established. The insulation material can be correctly selected by combining the principle of TOPSIS with Entropy method and AHP.

TOPSIS; Steam injection pipeline; Insulation material; Entropy method; AHP

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0558-03

2014-11-06

刘承婷（1978-），女，黑龙江大庆人，副教授，博士，2012年博士毕业于东北石油大学油气储运工程专业，研究方向：储运系统安全工程，多相流体力学。E-mail：435276627@qq.com。

李瑞（1988-），男，在读硕士，研究方向：储运系统安全工程。E-mail：lirui1988we@163.com。