层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，并在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[1-2]。该法最早运用在电力分配问题上，是一种简洁、实用、系统性的分析方法。
冷箱作为一种紧凑、易维护的板翅式换热器，广泛运用于LNG行业[3]。但因盘管材质、设计精度、环境等问题，导致冷箱不能进行DCS自动控制。手动控制情况下还会发生因操作员不同而引发换热效率低，导致产品不达标，甚至盘管堵塞、联锁停机等情况。据统计，以苯及其衍生物为主的环状芳香烃凝固导致的冷箱天然气管线冻堵是LNG行业中的常见现象。当前的研究方向主要集中在优化冷箱设计和完善自控仪表方面[4]。对冻堵情况的分析也仅仅是现场实例叙述，缺乏调整分析。本研究基于层次分析法，对使用混合冷剂换热的冷剂线冻堵实例进行了分析，并优选了调整方案。
某厂液化装置采用多级单组分制冷液化工艺，该工艺总体上为传统阶式制冷工艺，最后一级改进为混合冷剂制冷，3种冷剂分别为丙烯、乙烯和甲烷。甲烷制冷循环的制冷剂为以甲烷为主的配方冷剂，包含了氮气、甲烷和乙烯3种组分，其中氮气体积分数为5%~10%，乙烯15%~30%，其余为甲烷。氮气由工厂氮气站供给，同时将已处理的原料气用于甲烷补偿。乙烯、丙烯从各自罐车供应。该装置具体采用了3个制冷循环[5-7]。第一级丙烯制冷循环为天然气、制冷剂乙烯和制冷剂甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和制冷剂甲烷提供冷量；第三级甲烷混合冷剂制冷剂循环为天然气及自身提供冷量。通过6个换热器和一个板翅式换热器(冷箱)冷却，天然气的温度逐渐降低，直至液化。而最后一级冷箱的调控以及混合冷剂的配比是影响LNG产品的关键[8]。冷箱的不稳定会导致冷箱冻堵、LNG产品温度不达标、能耗过大等多方面不良后果。本文抛开前端复杂工艺，着重对冷箱运行情况进行分析并记录调整过程。
正常生产时，过冷至-155 ℃的甲烷混合冷剂进入冷箱，再经J-T阀节流至表压140 kPa、-158.9 ℃后返回冷箱，为LNG、甲烷冷剂自身提供冷量，实现甲烷制冷系统的冷剂循环。由于生产需要，LNG产量由冷箱处产品线控制阀提量(300×104 m3/d提至350×104 m3/d)，同时加大冷量供给，保持换热平衡。提量后，由于冷剂线供给增大导致差压报警。紧急降量，冷箱工艺流程图见图 1，各测点及相关运行数据时间轴见表 1。
由图 2~图 5可以看出，紧急降量后冷剂线回温响应快，天然气线无明显响应。天然气线堵塞程度比冷剂线严重。分析原因后怀疑是甲烷水露点不合格引起天然气线形成水合物而导致冰堵，同时怀疑天然气线、冷剂线滤网破裂导致机械杂质进入引起盘管堵塞[9]。
针对以上分析，现需要一套科学可行的调整方案。在此结合操作经验和专家建议，选取5种调整方案，运用层次分析法针对该厂工况进行科学分析。
层次分析法数学模拟首先建立有支配关系的分组型层次结构。然后通过矩阵构造，综合比较各因素间相互影响关系，计算其在系统中的权重，最终确定各因素的相对重要性，达到分析或决策的目的[10]。其计算步骤如下：
(1) 确定问题，构建物理模型并收集数据。
(2) 依次构建最高层(目标层)、中间层(准则层)以及最低层(方案层)层次结构模型。
(3) 两两比较打分，确定下层对上层的分数。
准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同，在决策者的心目中，它们各占有一定的比例。引用数字1~9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=(aij)nxn (见表 2)。
(4) 层次合成计算与一致性检验。
1) 计算一致性指标CI。
式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。
2) 查找一致性指标RI(见表 3)。
3) 计算一致性比例CR。
当CR＜0.10时，认为通过了一次性检验，否则应作适当修正。
(5) 计算权重向量W。层次分析法有4种计算方法求权重：算术平均法、几何平均法、特征向量法。在此，本文选用几何平均法(方根法)。
几何平均法(方根法)：
计算步骤：
1) A的元素按行相乘得一新向量；
2) 将新向量的每个分量开n次方；
3) 将所得向量归一化即为权重向量。
基于现有工况、处理手段、考虑细节，以冷箱冻堵调整为目的，指导下步工作。首先根据调整原则确定建模中间层(准则层)。然后结合操作经验和专家建议，选取5种调整方案作为最低层(方案层)构建层次结构模型(见图 6)。
冷箱冻堵调整各判断矩阵如表 4所示。
将不同方案各准则要素的权重矩阵(表 4a)Wi与各准则要素的相对权重矩阵(见表 4b~表 4g)Wi相乘，得到各方案层要素权重并排序(见表 5)。经计算还能得到中间层要素权重并排序(见表 6)。
经以上模拟分析，由表 5得到冷箱冻堵调整排序为: C5＞C3＞C4＞C1＞C2。由此可知，针对某厂冷箱冻堵事件，停产检修，拆卸冷箱对盘管、过滤器等附件检修(C5)是解决问题的最佳方案。通过模拟怀疑冷箱有过滤器损坏，盘管异物堵塞等问题。若执行此项方案必须停机，有损耗放空和其他成本损失。而均衡降量，同时关小LNG线、冷剂线截流阀(C3)能进行应急处理，但不能彻底解决问题。调节冷剂组分配比(C4)也能进行应急处理，但须专业技术人员指导，并实时取样化验，较为繁琐。单纯降产量，关小LNG线截流阀(C1)与单纯降冷量，关小冷剂线截流阀(C2)两种方案权重最小，不推荐。
通过模拟分析，某厂进行了均衡降量，同时关小LNG线、冷剂线截流阀应急处理，冻堵情况有所缓解。但后续无论如何调节冷剂组分配比和冷量换热调整都无法根治。在停工检修时拆解冷箱天然气与冷剂管线过滤器时发现，过滤器150 μm纱网均不同程度损坏，冷剂线过滤器损坏尤其突出。检修结果与模拟相吻合。再次开工复产后，提量稳产至400×104 m3/d。从4月开工至7月运行数据(见表 7)可以看出，冻堵问题已根治。
(1) 冷箱冻堵问题复杂。原因多，可能性复杂。最常见的有苯及苯衍生物为主的环状芳香烃凝固导致的冷箱天然气管线冻堵，也有因为特殊温度、压力条件导致天然气水合物的形成。冷剂线冻堵较为少见。而管道及设备安装时都会进行吹扫干燥。异物、水分引起的堵塞更是稀少。但也不排除因过滤器损坏而导致的管道上游填料、粉尘进入冷箱盘管导致阻塞的情况。也有因盘管中有异物而形成凝结核而变相导致的复合性水合物冻堵。在不能随意停工检修的情况下只能依靠经验进行判断。
(2) 层次分析法能将冷箱冻堵复杂问题分解化，并根据当前情况和专家经验分析进行模拟。最后通过量化，算出最佳调整办法。根据现场检修情况与调整后数据得出，层次分析法模拟结果与现场检修拆解情况吻合，此方法可行。下步可运用在其他装置的问题分析与决策中。
(3) 层次分析法暂时只能核算出各方案层权重值，为方案决策作出参考，而不能提出可调区间及调整程度，该法仍需进一步改进。
2017, Vol. 46 Issue (2): 53-58
2017, Vol. 46 Issue (2): 53-58