天然氣管網系統性能評價指標及方法研究進展

廖柯熹，王敏安*，楊建英，彭 浩，何國璽，冷吉輝，李裕民

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500；3.四川長寧天然氣開發有限責任公司，成都 610100)

通過中國能源發展戰略的預測數據分析，截至2020年底，中國天然氣占能源消費比重將高達10%，年消費量將高達3 000億m3，這不僅有助于中國能源結構調整，而且有利于資源節約型、環境友好型社會的建設[1]。隨著中國能源結構調整，天然氣管道的建設進度勢必要加快，以滿足生產運輸需求。截至2019年底，中國境內建成天然氣管道約8.1萬km，相比2018年，新建成天然氣管道約2 219 km[2]。根據《中長期油氣管網規劃》，中國將在未來10年內迎來新一輪的油氣管網建設高峰，其中天然氣管網的建設規模最為顯著[3]。

據統計，中國天然氣管道事故率高達4.3次/(103km·a)，比美國及歐洲高6～8倍[4]。因此，天然氣管道的運行可靠性水平受到一定程度的限制，亟待對天然氣管道的運行可靠性進行評價，以保證天然氣管網系統能夠安全高效運行。天然氣管網系統可靠性是指在一定時間和條件內管網系統完成預定輸送任務的能力[5]。與可靠性相輔相成的關鍵性能還包括經濟性和適應性，此兩者與可靠性共同決定天然氣管網系統的綜合運行能力和整體性能優劣程度。其中，經濟性主要是考慮天然氣管道的前期建設和后期運營費用；適應性主要是考慮天然氣管網系統能否適應流體輸送條件以及運行過程中的工況變化，采用工況模擬評價其適應能力，從而滿足工藝指標要求，并保證管網系統的運行安全性和輸氣能力[6]。

近年來，中外有很多學者針對天然氣管網系統可靠性評價、經濟性評價和適應性評價等方面都做了大量的研究工作，但是也存在一些不足之處，需要進一步的深入研究與完善。在此，對天然氣管網系統可靠性、經濟性、適應性評價方法及指標3個方面的中外研究現狀進行梳理與探討，總結出天然氣管網系統性能評價的相關研究成果，并展望其在今后的研究重點、難點以及發展趨勢，以期為深入開展天然氣管網系統性能評價指標及方法的理論研究和實踐應用提供技術指導。

1 天然氣管網系統可靠性評價現狀

1.1 管網可靠性評價方法

1.1.1 管網結構可靠性評價方法

管網結構可靠性是指在一定時間和條件下，管網完成預先設定功能的能力大小，也是評價天然氣管網系統設計優劣程度、質量和風險高低的重要指標之一[7]。結構可靠性評價方法是指根據管網系統各組成結構之間的聯系，將其技術路線和評價理論有機地整合起來，以定量反映管網系統的整體可靠性水平[8]。

目前，管網結構可靠性分析主要集中于運用概率理論方法來計算管道系統發生失效的可能性大小，從而對管網系統的可靠性進行量化。根據現有的研究成果，管網結構可靠性評價主要是采用故障樹分析、蒙特卡洛模擬中的理論及方法，來對管網失效概率進行準確估計，從而對管網的結構可靠性進行評價。范慕煒等[9]指出了故障樹分析法在中外復雜天然氣管網系統可靠性評價和預測中的廣泛應用，通過該方法可以得到管網系統發生故障或失效的概率及分布。張家宇[10]指出了故障樹分析法在城市天然氣管網運行初期階段可靠性分析過程中的重要作用。張靜等[11]基于故障樹基本事件的分析，并結合模糊決策方法，對油氣管道泄漏事故的不可靠度進行了計算，建立了以專家綜合能力為目標層的模糊層次分析模型，從而可以確定油氣管道發生泄漏事故的概率及分布，實現油氣管道泄漏模糊可靠性評價。王巖[12]闡明了故障樹分析法在城市配氣管網系統結構可靠性評價中的應用價值，通過對城市天然氣管網進行水力計算，可以準確預測管網在事故工況下的流動狀態和供氣能力。姚成玉等[13]以巷道運輸車液壓系統為例，采用T-S故障樹分析法建立了貝葉斯網絡模型，并對模糊可靠性評估方法的可行性進行了對比驗證，同時也為天然氣管網系統的模糊可靠性評價指明思路和方向。故障樹分析法在中外復雜天然氣管網系統中應用廣泛，尤其是城市天然氣輸配管網系統。采用故障樹分析法邏輯關系清晰，可以客觀呈現管網失效及故障模式的事件組成、因果關系，但是故障樹分析法本質上為定性評價方法，未從整體上考慮造成系統發生故障的因素，并較難獲取準確的可靠性數據，需要結合定量的模糊層次分析法來完成可靠性分析。

蒙特卡洛模擬法在天然氣管道可靠性分析評價方面具有一定的適用性，并結合其他理論方法可以準確定量評價天然氣管網系統的結構可靠性。羅更生等[14]在故障概率評定理論的基礎上，提出了直接蒙特卡洛模擬和二維核密度估計相結合的方法，并探討了該方法在含裂紋油氣管道中的應用，從而可以確定管道的失效概率及分布情況。吳迪[15]基于馬爾可夫鏈蒙特卡洛法的相關理論，建立了天然氣管道腐蝕可靠性評價模型，并結合故障分布函數，計算得到了天然氣管道發生腐蝕乃至失效事故的概率。溫凱等[16]采用蒙特卡洛模擬法建立了天然氣管道的失效概率模型，并結合極限狀態方程法對某輸氣管道無缺陷管道屈服和破裂的失效概率進行了計算，實現了輸氣管道的可靠度計算和參數(管道壁厚、屈服強度和工作壓力等)的敏感性分析。薛魯寧等[17]闡明了馬爾科夫方法在天然氣管網系統可靠性計算中的應用情況，并結合系統狀態識別及轉移理論，可以計算出管網系統的失效或故障概率，從而實現天然氣管網系統的結構可靠性評價。張鑫[18]基于極限狀態方程，并采用解析法、蒙特卡洛抽樣方法，分析了天然氣管道系統在極限狀態及不同運行工況下發生結構失效的概率，從而實現了天然氣管道系統的結構可靠性評價。Tee等[19]考慮了地下管線失效模式間的相互影響，采用蒙特卡羅法計算出了管道失效概率，并得出了土體模量、土壤密度、管道剛度和外部荷載是管道失效的最大影響變量的結論。Al-Amin等[20]結合小泄漏、大泄漏、破裂3種不同的管段腐蝕失效模式，提出了一種評價含多種有源金屬損失腐蝕缺陷的加壓天然氣管道段的時變系統可靠性的方法，并利用貝葉斯更新和馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC)仿真技術對冪律增長模型的參數進行了量化。相比蒙特卡洛法，采用馬爾可夫鏈蒙特卡洛法求解出的天然氣管道腐蝕失效率與實際情況更吻合，模擬計算過程更省時，并更適合應用于天然氣管道腐蝕可靠性模型的研究，但是在建模過程中需要收集大量的統計數據，以實現可靠性模型參數的準確預測。

另外，很多學者針對天然氣管網系統結構可靠性評價模型構建的理論方法及思路也開展了大量的研究。胡鎂林等[21]基于D-S證據理論建立了天然氣長輸管道的可信度模型，從而保證了天然氣管道失效概率計算的準確性。雖然D-S證據理論綜合考慮了各位專家的不同意見與判斷，顯著提高了評判結果的可靠性，但是其仍未廣泛應用于天然氣管道失效概率計算。李文濤[22]、王小完等[23]介紹了效用函數理論在天然氣管道系統可靠性評價上的應用，通過建立天然氣管道失效概率計算模型，從而可以實現天然氣腐蝕管道的運行可靠性評價。基于效用函數對天然氣管道進行可靠性評價的結果較為保守，可使管道的高效、可靠運行更有保障，但是效用函數中有關量的取值具有較強的主觀性，風險控制方案難以準確地提出。Amirat等[24]基于應力分析理論建立了天然氣管道腐蝕失效模型，并分析了天然氣管道不同腐蝕缺陷對其結構可靠性的影響規律。Tammeen等[25]采用CSA和RSTRENG突發壓力能力模型，并結合缺陷幾何信息，對腐蝕管道失效概率進行了準確的估計和預測。曹鵬飛[26]根據分層遞進分析理論，建立了天然氣復雜管網系統的結構可靠性計算模型，并結合最小割集法，對天然氣管網系統進行了可靠性跟蹤薄弱環節的識別分析，同時也指明了可靠性跟蹤法只適用于管網系統中故障的設備單元。何蕾等[27]基于模擬退火算法與神經網絡算法相結合的理論方法，構建了天然氣腐蝕管道基本物理參數與結構可靠度之間的非線性神經網絡模型，預測出了管道中各種腐蝕缺陷可靠度在多種工況條件下的變化規律，從而確定出了天然氣管道的薄弱點。李明菲等[28]根據管道工藝仿真方法，建立了復雜天然氣管網系統的可靠度分布式階梯模型，并在某壓氣站進行了案例應用，計算出了該壓氣站在不同運行方案下的系統可靠度，同時也指明了該模型在大型天然氣管網/管道/站場系統可靠度計算中的廣泛應用和重要作用。Mishra等[29]提出了一種基于可靠性的地下管道腐蝕損傷生命周期管理新方法、新框架，利用多項式混沌形式從已有數據中構造了腐蝕生長時間演化的概率模型，提出了一種腐蝕管道生命周期管理決策。Zhou[30]建立了小泄漏、大泄漏、破裂等3種不同的管道失效模型，并提出了一種計算含多種活性腐蝕缺陷且受隨機內壓作用的管段時變系統可靠性的方法。Tee等[31]采用非均勻泊松過程和經驗冪律模型分別計算了天然氣管道系統腐蝕缺陷隨時間的產生和缺陷的增長速率，并利用內壓爆破極限狀態函數，計算出了爆破失效的時間依賴性概率。

此外，極限狀態方程的構建也可作為天然氣管網系統可靠性評價的方法。艾慕陽[32]采用不同的連續型隨機變量可以實現天然氣管網多狀態條件下的系統可靠度概率計算，并采用管道生產實際參數構建了相互獨立的隨機變量，據此建立了聯合分布函數，從而可以簡化優化天然氣管網系統的可靠性概率計算。王坤[33]針對管道和關鍵設備的失效機理明確提出了確定性方法在天然氣管網系統可靠性函數求解中的適用性，反之則宜采用概率統計方法，并闡明了極限狀態設計方法適用于天然氣管道單元可靠性評價，概率統計方法在天然氣管網系統可靠性函數計算中具有顯著的普適性。在對極限狀態下的可靠性進行定量評價時，需要引入可靠度函數和故障率函數。

目前，雖然可靠性評價方法在中國很多工程領域得到了廣泛運用，但是在中國油氣管道領域的應用實例仍然較少，研究力度只處于初級階段，未形成一種成熟的天然氣管網系統結構可靠性評價方法，亟待形成一套比較完整、系統的天然氣管網系統結構可靠性綜合評價方法體系。

1.1.2 管網供氣可靠性評價方法

管網供氣可靠性是指在一定時間和條件內，保證天然氣管網在用戶用氣量范圍的能力大小。以前形成的研究成果缺乏有機整合，難以直接用于管網供氣可靠性評價。因此，近年來很多學者陸續提出了一些針對天然氣管網供氣可靠性評價的方法或建議，但是目前針對天然氣管網供氣可靠性的研究仍然處于初級階段。

在天然氣管網系統供氣可靠性評價工作中，主要是將管網系統的運行狀態與供氣能力結合起來，并利用管網系統運行模擬軟件或對用氣量進行隨機性預測，以綜合分析整個天然氣管網系統的供氣保障能力。王馨藝等[34]采用TGNET軟件對天然氣干線管道事故工況下的不確定供氣狀態進行了模擬，建立了管道供氣極限狀態函數，并結合概率分布模型和供氣等級劃分方法，求解出了天然氣干線管道的供氣可靠度。但是當管網處于事故工況下，需要考慮與調整管網的優化分配問題，以確保管網的整體供氣可靠度符合要求。黃燕菲[35]基于輸氣管道神經網絡用氣量預測模型，并結合管道的最大供氣能力，建立了天然氣管網系統供氣能力優化模型，將該方法應用在虛擬天然氣管網系統中，從而對其可行性進行了驗證。但是供氣能力優化模型無法保證計算結果為全局最優解，需要對目標函數進行改進。

另外，也有學者采用水力計算方法建立管網供氣可靠度模型，并結合其他模型及方法，從而實現天然氣管網系統供氣可靠性的定量評價。嚴銘卿[36]基于水力工況條件，并結合齊次馬爾可夫方法，建立了天然氣輸配管網系統的供氣可靠性評價模型，同時計算管網可靠度與水力工況參數，從而使管網供氣可靠性評價更加具有可操作性。范慕煒等[37]采用拓撲網絡理論建立了陜京天然氣長輸管網系統的拓撲結構模型，并結合水力計算方法計算出了一定拓撲結構下管網的供氣能力，從而可以實現天然氣管網系統供氣可靠性的定量評價。代玥[38]根據天然氣干線故障管網的拓撲結構，并結合管網的水力計算模型，建立了天然氣干線管網在故障工況下的水力分析模型，然后采用TGNET軟件對管網的故障工況進行模擬，從而可以實現天然氣干線管網的供氣可靠性評價。由于拓撲結構和水力參數均有明顯的不同之處，因此采用拓撲結構和水力計算方法評價管網供氣可靠性的應用案例很少，在今后需結合齊次馬爾可夫方法對管網供氣可靠性評價進行深入研究。

此外，很多學者通過建立天然氣管網供需干涉模型，并結合蒙特卡洛模擬法來定量分析出管網的供氣可靠性。姜好[39]基于概率統計方法得到了天然氣日需求量概率分布函數，建立了城市天然氣管網供給門站的日供應量-用戶日需求量干涉模型，并引入蒙特卡洛模擬法得出了城市天然氣管網的供氣可靠度，該模擬結果與采用可靠度計算公式得到的結果相近。陳俊錕[40]根據天然氣管網的供給量和用戶需求量，并結合水力工況分析法，建立了天然氣管網系統的供需干涉可靠性模型，最后采用蒙特卡羅法求解出了管網的供氣可靠度，從而可使解析法中涉及的概率密度函數更加容易確定。劉文超[41]基于圖論和天然氣干線管網系統的需求-供給干涉模型，并結合某城市門站的具體實測數據，計算出了天然氣干線管網系統的供氣可靠性。但是在構建天然氣需求量模型時，未從整體角度考慮管網的工藝流程，并且求解過程難以達到最優值。

目前，供氣可靠性評價方法主要應用于城市天然氣輸配管網系統，研究內容主要是基于概率統計方法，建立天然氣管網系統日需求-日供給干涉模型，并結合TGNET軟件進行水力工況模擬或采用蒙特卡洛模擬法，求解出天然氣管網系統的供氣可靠度。

1.2 管網可靠性評價指標

1.2.1 管網結構可靠性評價指標

目前，針對天然氣管網系統結構可靠性評價指標的選取大多偏重于可靠度、故障率等。其中，陳思錠等[42]指出了采用基于圖論而得到的最大可靠度和基于閾級而得到的單元重要度兩個評價指標，后者對管網系統可靠度的評價不夠全面，需要引入其他可靠性評價指標，從而對管網系統的可靠性進行深入分析。陳岑等[43]采用案例證實了基于FAD技術和Monte-Carlo法的目標可靠度指標進行可靠性評價，其評價結果能夠滿足標準要求，但是兩種方法所采用的目標可靠度指標不相同，從而會使可靠度計算復雜化。另外，張宗杰等[44]指出了輸氣管道運行可靠性評價指標還包括平均工作時間、平均修復時間、維修度、可用度、修復率、故障率、輸量損失和故障風險等，但是上述指標都是針對輸氣管道的運行可靠性評價，需要形成一套完整的輸氣管道系統運行可靠性評價理論體系。謝青青等[45]指出了天然氣管道系統運行可靠性的綜合評價指標還包括生產效率、輸量損失、致命度和故障風險等。

此外，一些學者針對天然氣管網系統結構可靠性評價指標體系的構建還做了相應的補充與完善。蘇懷等[46]提出了中國用于油氣管網可靠性評價指標還包括管道的平均壽命。范慕煒[47]指出了天然氣管網系統結構可靠性評價指標還包括平均無故障時間、系統故障狀態發生后的恢復時間和恢復程度、每年每公里的故障次數和每次故障平均修復時間等。虞維超等[48]指出了天然氣管網系統結構可靠性評價指標還包括失效率、失效概率和失效風險等。但是目前應用于輸氣管道的綜合評價指標體系仍然未得到完全突破，有待進一步的整合與深入。

1.2.2 管網供氣可靠性評價指標

目前，在天然氣管網系統供氣可靠性評價指標方面的研究還不夠系統和深入，實際應用案例較少，其評價指標主要包括供氣可靠度、供氣量、供氣不足或中斷情況和用氣滿足度等。其中，葉雪[49]選取了流量熵作為天然氣管網系統的供氣可靠性評價指標。孔文惠[50]確定了供氣率和供氣可靠度作為天然氣管網系統的供氣可靠性評價指標。王超[51]從累積流量、缺供氣量、中斷時間、中斷次數、用氣滿足度、供氣不足持續時間、供氣不足次數等角度評價輸氣管網的供氣可靠度，并引入可靠度函數。另外，蘇懷[52]提出了從概率、充裕性和時間3個方面建立天然氣管網系統供氣可靠性的評價指標，其中主要包括缺氣率、全局平均缺氣量、平均供氣不足用戶數、各用戶平均的平均缺氣量和平均供氣不足時間等。范慕煒等[53]在滿足管道各單元可用率的前提下，考慮了在固定工況下管道沿線的分輸量、用氣量變化等方面，并將供氣量作為供氣可靠度評價的重要指標。在今后選取管網供氣可靠度評價指標時，需要考慮多個不同的氣源條件，分析管網輸氣量的變化規律，并對管網系統的故障模式進行深入研究和探索。

此外，一些學者針對天然氣管網系統供氣可靠性評價指標體系的優化和應用也做了大量工作。Wei等[54]提出了一種天然氣輸氣管道系統供氣能力的量化方法，以及滿足度和支持度兩種可靠度指標。王子輝[55]將天然氣管網全生命周期優化決策的控制參數確定為管網供氣可靠度，并將管網的總投資費用也視作為約束條件，由此構建了天然氣管網系統全生命周期供氣可靠度的優化決策模型。

目前，在天然氣管網系統的可靠性研究中，還沒有構建一套客觀明確和容易量化的綜合評價指標體系，這是必須優先予以解決的問題。在今后將會繼續從管網結構可靠性和供氣可靠性兩個方面總結出相應的評價指標，從而不斷完善管網可靠性評價指標體系。

2 天然氣管網系統經濟性評價現狀

2.1 管網經濟性評價方法

目前，針對管網經濟性評價方法的研究較少，其主要側重于投資估算和財務評價，該方面的研究對象主要集中在天然氣長輸管道。袁鳴[56]對長輸管道進行了投資估算與資金籌措，以及后續的盈利能力分析和清償能力分析。堵佩[57]采用投資估算與財務評價兩種方法對長輸油氣管道進行了系統的經濟性分析評價，評價其風險抵抗能力，并闡述了投資估算方法通常應用于管道輸送工程項目的可行性研究階段，而財務評價一般適用于整個工程計算期間。另外，陸彬[58]在投資與成本估算的基礎上，分別從盈利能力、生存能力、償債能力3個方面進行了天然氣長輸管道的財務評價、不確定性分析以及經濟風險分析，從而分析出了風險要素的變化對管網經濟性的影響狀況。在對管網系統進行經濟性評價的同時，需要綜合考慮各種實際影響因素，做好管網的前期施工管理和后期運營管理，從而形成一套完整而有效的天然氣管網經濟性評價方法體系。

此外，一些學者針對不同結構形式的天然氣集輸管網進行了經濟性對比和優選。闞寶春[59]首先對集輸管網的不同結構形式進行了分析，然后根據能量平衡方程建立了管網能耗評價系統，并應用仿真評價系統對管網運行能耗的主要影響因素進行了分析。申晉峰[60]對枝狀和環狀集輸管網進行了技術經濟評價，指出了枝狀集輸管網相對于環狀集輸管網的經濟效益優勢，并提出了枝狀與環狀集輸管網相結合的城市配氣方案。董文浩[61]通過最優化理論建立了放射狀集輸管網計算模型，并從投資和能耗兩方面對已建和最優放射狀集輸管網進行了經濟性對比分析。Wang等[62]建立了一個以最低建設成本和環境影響為目標函數的集輸管道最優化模型，并對該集輸管網進行了適應性評價。最后，Luo等[63]利用Aspen HYSYS 和Aspen過程經濟分析儀進行集成，并分析了在基礎工況和最優工況條件下集輸管網的總成本。綜上所述，目標函數的建立方法在管網上尚未得到更深刻、透徹的揭示，主要集中在投資最省、效益最高，并且研究對象較為局限，大部分為對長輸管道和集輸管道進行經濟性評價，在今后有待從技術經濟、安全環保等多方面對天然氣管網系統開展進一步的探索與深化研究。

2.2 管網經濟性評價指標

目前，一些學者針對管網經濟性評價指標的研究集中在指標優化和選擇，主要包括財務分析指標、投資風險指標和技術經濟指標。其中，雷蕓[64]構建了包括財務內部收益率、凈現值和效益費用比等在內的評價指標體系，從而對輸氣管道進行了經濟性評價。楊敏[65]提出了天然氣長輸管道經濟性評價指標有財務內部收益率、投資回收期，并指明了動態投資回收期最實用準確的經濟性判定準則。王寧軍等[66]指出了基于管道全評價期的內部收益率指標所存在的局限性，提出了基于管道剩余評價期的內部收益率指標。徐婧源等[67]從經濟效益的角度，采用管輸收入、營運成本費用和稅后利潤等指標的計算值、預測值與可研的預測指標進行對比，以判斷被評價項目的投資正確性和可實現性。在歷史數據缺失的情況下，傳統的內部收益率在管道經濟性評價中的應用受限，考慮管網運行階段的收益狀況，并通過構建剩余評價期內部收益率的評價模型，可以彌補與克服其中的不足。

另外，針對管網系統經濟性評價指標體系的構建還開展了進一步的研究和深化。王博弘等[68]指出了在集輸管網系統進行經濟性評價時還需要考慮管道的建設費用以及井場設施和集氣站設施的經營收入等指標。蔡銳等[69]提出了管網經濟性指標還包括管網的前期投入、后期追加成本、使用壽命、人力費用等。Kima等[70]采用了條件估值法估計，并考慮了效益和成本、分析周期和社會貼現率，對管網參數進行了不確定性分析。

此外，針對技術經濟指標的分析和選取也做了大量的研究工作。相璟瑞等[71]在集輸管網技術經濟性評價過程中，考慮了包括管道前期投資成本以及后期采取新防腐措施前后的年度維修費用、年故障停車損失費和投資收益期。馮偉等[72]指出了天然氣管道運行能效的評價指標體系主要包括周轉量、直接能耗、單位周轉量生產能耗、電耗、氣耗和輸量比等。但是目前針對管網系統的經濟性評價指標仍不足以反映管網的經濟效益狀況，需要從全生命周期方面著手對經濟性評價指標進一步深化和完善，同時開展各項指標的量化描述是亟待解決的問題。

3 天然氣管網系統適應性評價現狀

如果只重視管網系統的可靠性而忽視其適應性則會導致已建管網對不同工況的適應能力下降，并且投資成本大幅上升。因此，對天然氣管網系統的性能評價還包括適應性評價。天然氣管網系統適應性評價考察的是管網系統能否適應各項工況參數的變化。如油氣田開采后期井口壓力遞減后，整個管網系統受到其產油、氣、水量變化的影響程度；管道內流動狀態改變后恢復正常的能力。

3.1 管網適應性評價方法

目前，很多學者針對供氣管網適應性評價方法的研究主要是通過模擬軟件建立管網的水力計算模型，并結合實際工況條件，以分析管網在不同工況下的輸送能力和運行效率。陳定朝等[73]采用TGNET軟件建立了川中地區油氣礦地面集輸管網系統的水力計算模型，以管網的整體運行情況以及管線的承壓能力作為邊界條件，并分別從管道失效情況、管道壓力損失情況和管道保護情況等方面對集輸管網的運行效率和輸送能力進行了適應性評價。唐勁松[74]采用TGNET軟件建立了大英縣在役城區居民供氣管網的水力計算模型，根據天然氣在役管網的統計資料和運行參數，對居民用氣管網的夏季、冬季、高峰期和設計工況進行了水力計算，并對在役城區供氣管網進行了適應性分析。戴慧芳等[75]采用TGNET軟件建立了成都地區某天然氣輸配管網的水力計算模型，對不同結構形式的現役天然氣管網進行了輸配能力分析，從而評價了該現役輸配管網系統的結構合理性和運行適應性。溫皓[76]采用TGNET軟件建立了某城市天然氣輸配管網的水力計算模型，分別對低氣量、運行壓力高和流速大等極限工況進行了模擬計算，評價了該管網結構的合理性，并對中長期規劃后的管網進行了適應性分析。梁光川等[77]建立了某城區天然氣管網的水力計算模型，并采用TGNET軟件對該天然氣管網進行了故障工況模擬，從而評價了該天然氣管網在故障工況條件下的供氣和運行適應性。李謙益等[78]采用TGNET軟件建立了陜南漢中、安康地區天然氣管網的水力計算模型，并對不同輸量、壓力等工況下管網的水力變化特征進行了模擬計算，從而對該天然氣管網進行了適應性評價。

此外，還有一些學者針對不同供氣條件下供氣管網的運行適應性進行了較多的研究與探析。盧宇翔[79]根據雙流縣城區天然氣的需求預測數據，對該城區天然氣管網規劃和管網現有承載能力進行了分析，并以出口壓力、流量為邊界條件，采用TGNET軟件建立雙流縣城區天然氣管網的水力計算模型，從而評價了該天然氣管網在不同輸量、壓力等工況下的運行適應性。李慶等[80]采用回歸分析法和灰色預測法得到了某城區天然氣負荷的預測數據，并基于該數據，采用TGNET軟件建立了該城區天然氣管網的水力計算模型，從而對該天然氣管網在正常工況和故障工況下的水力可靠性和運行適應性進行了評價。陳璐瑤等[81]采用TGNET軟件建立了某城市現役天然氣輸配管網系統的水力計算模型，并結合天然氣用戶的用氣特點和用氣量數據，對該城市天然氣市場中長期負荷進行了預測，從而對天然氣管網的水力可靠性進行了中長期的適應性分析。但是在采用TGNET軟件進行水力計算時，對實際管網進行了簡化處理，計算結果與實際情況存在一定的偏差，因此在管網建模及水力計算時，可以考慮用戶分布、氣源壓力等現場實際數據。

另外，還有學者通過采用其他模擬軟件建立集輸管網水力計算模型，從而進行工況模擬計算。何思宏[82]采用PIPEPHASE軟件建立了某頁巖氣田集氣管網的水力計算模型，并結合現場實際生產數據，計算出了高壓輸送條件下某頁巖氣田采氣管線不產生水合物的最長距離，從而評價了在氣液混輸條件下該采氣管道的運行適應性。賈寧[83]采用Pipeline Studio軟件建立了川西地區某天然氣輸配管網的整體水力計算模型，并逐年對該天然氣輸配管網在多種工況條件下的水力特性進行了穩態計算，從而找出了該天然氣管網中所存在的不適應性問題。但是目前應用模擬軟件建模求解的管網類型較為局限，未能適用于天然氣管網系統。因此，今后需要從集輸管網、長輸管網、供氣管網、站內管線等多個對象深入開展適應性評價研究。

3.2 管網適應性評價指標

目前，一些學者在進行管網適應性評價指標的研究時，結合管網運行工藝特點，主要選取了管道壓力波動大小、管道設計參數和沿線溫度的變化情況等指標。張沁蕊[84]指出了集輸管道適應性的關鍵性能評價指標包括管材、地區等級、設計階段QRA分析等，并考慮了現場的具體情況，應用這些關鍵指標對其集輸管道進行了適應性評價。董靜雅等[85]提出了管網多目標綜合評價模型中主要包括氣溫變化、管道壓力波動、壓力安全指數及末段儲氣量等指標，并對不同調度方案和運行工況下的管網進行了適應性分析。此外，蔡忠明[86]選取總積液量、持液率、壓力、氣相流速等作為集輸管道混輸工藝的適應性評價指標，并對處于不同氣、液量工況下的混輸管道進行了適應性分析。但是針對天然氣管網系統適應性評價指標的選取與確定仍然不夠全面、完整，未從整體上考慮管網的設計、運行和維修維護等方面的影響因素，亟待對管網適應性評價指標進行深入研究和充分闡明。

4 結論與展望

4.1 結論

(1)可靠性評價方法在中國油氣管道領域的應用實例仍然較少，未形成一種成熟的天然氣管網系統可靠性評價方法；管網結構可靠性評價通常采用概率理論方法計算出管網系統發生失效和故障事件的可能性大小，從而確定管網系統的可靠性水平；管網供氣可靠性評價主要是將管網系統的運行狀態與供氣能力結合起來，并利用管網系統運行模擬軟件或對用氣量進行隨機性預測，以分析整個天然氣管網系統的供氣保障能力。

(2)在天然氣管網系統可靠性評價指標方面的研究還不夠系統和深入，實際應用案例較少，用于管網結構可靠性評價的指標主要包括結構可靠度、故障率、失效率和平均壽命等；而用于管網供氣可靠性評價指標則主要包括供氣可靠度、可用度、用氣滿足度、供氣量、供氣不足或中斷情況等。

(3)針對管網經濟性評價方法的研究主要側重于投資估算和財務評價，以及針對不同結構形式的管網進行了經濟性對比和優選；針對管網經濟性評價指標的研究大多是指標優選，主要包括財務分析指標、投資風險指標和技術經濟指標。

(4)針對管網適應性評價方法的研究主要是通過模擬軟件建立管網水力計算模型，從而分析管網在不同工況下的輸送能力和運行效率；針對管網適應性評價指標的研究主要是根據管網運行工藝特點，選取了管道壓力波動大小、管道設計參數和沿線溫度的變化情況等。

4.2 展望

(1)采用極限狀態設計的理論方法，引入可靠度函數和故障率函數，確定出相關事件對天然氣管網系統的影響情況，并準確地計算出管網系統發生失效或故障的概率大小，以對天然氣管網系統極限狀態下的結構可靠性進行定量評價；采用人工神經網絡算法建立天然氣管網系統的用氣量預測模型，并結合管道的最大供氣能力，建立供氣能力優化模型是未來的研究難點。

(2)綜合考慮天然氣管網系統的運行狀態和工藝特點，合理建立管網系統結構可靠性與供氣可靠性的綜合評價指標體系，利用理論方法或軟件工具建立可靠性評價模型，并劃分出可靠性評價的指標等級是未來的研究重點。

(3)在對天然氣管網系統進行運行適應性時，需要結合可靠性、經濟性等單一指標，并采用評分等級標準與評價指標權重來定量評價天然氣管網系統的綜合性能是未來的研究方向。