天然氣管網供氣可靠性評價方法研究

葉嶸

摘要：隨著我國社會、經濟的快速發(fā)展，天然氣作為清潔的化石能源已經廣泛應用于現代化建設當中，其需求量迅猛增長。天然氣管網作為連接上游氣源和下游市場的生命線，在國民經濟和能源安全領域具有重要作用和意義。因此，確保供氣管網系統安全可靠至關重要。目前，國內外常用的完整性管理在保證天然氣管道和站場安全中起到了重要作用。但是，由于研究的重點是元件和設備的結構安全，無法從系統層面衡量管網運行狀況，更無法從用戶需求角度量化供氣保障能力。因此，有必要引入天然氣管網可靠性技術來對管網生產安全和供氣保障進行指導和管理。鑒于此，本文主要分析探討了天然氣管網供氣可靠性評價方法，以供參閱。

關鍵詞：天然氣管網;供氣;可靠性;評價方法

引言

天然氣管網最基本的要求是安全，而可靠性研究則是對管網安全程度的定量分析。安全是管網存在的狀態(tài)描述，而可靠性是管網系統安全存在的前提下能夠穩(wěn)定并且執(zhí)行相應功能的概率。天然氣管網系統可靠性研究的目標，就是要將可靠性方法貫穿管道全生命周期，深化并發(fā)展管道完整性管理。故此，認清天然氣管網可靠性的實質與意義尤為重要。現階段，我國天然氣長輸管道事業(yè)仍處于加速發(fā)展階段，但由于我國管道行業(yè)起步相對較晚，技術、人才、經驗積累相對不足，導致我國目前尚無完整的油氣管道可靠性評價標準及相關指標體系。而管網評價周期的選擇與確定、不同工況條件的分類、任務輸量與設計輸量等指標的確定等問題都亟待解決，因此，建立天然氣管網可靠性定量評價方法或指標體系迫在眉睫。

1天然氣管網可靠性的意義

根據天然氣管網的特點，可將天然氣管網可靠性分為管網系統結構可靠性和管網供氣可靠性。管網系統結構可靠性定義為管網中所有硬件及設施（含管段、站場、設備、閥室等）在一定條件下某時刻具有結構完整性（含設備正常停機維檢修）的概率;管網供氣可靠性是指在一定評價周期內，目標用戶及市場能夠按時并足量獲得天然氣的概率。研究天然氣管網可靠性的目的是保障管網物理結構和供氣的安全及功能完整性，而安全及功能完整作為一種狀態(tài)，可靠性是對該狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在的量化。對管網物理結構可靠性的研究，是為了避免管網中硬件設施的失靈、失效事件發(fā)展為安全事故;而供氣可靠性的研究，則是為了得到并優(yōu)化管網的供氣能力，通過合理的運行方案保障市場按時、足量獲得天然氣。可靠性研究的是在規(guī)定時間、規(guī)定條件下完成規(guī)定任務的能力的概率，這個概率與管網投資、運行條件相關。在我國市場經濟體制逐步完善的過程中，必然要求天然氣管網系統進行可靠性及經濟性的有機結合，在保障國內市場穩(wěn)定用氣的前提下提高經濟效益，落實科學發(fā)展觀提出的“保民生、促發(fā)展”的要求。天然氣管網的可靠性與人民群眾的生命、財產安全息息相關，管網系統的不可靠狀態(tài)會對其造成嚴重的影響。因此，研究天然氣管網的可靠性一定程度上保障了國家的穩(wěn)定發(fā)展、社會的長治久安及群眾的安居樂業(yè)。天然氣管網可靠性的要求是在其全生命周期內，將可靠性保證在一定程度。運行維護在天然氣管網全生生命周期中影響著可靠度的變化，因此，必須對管網可靠性進行定量分析與評估，在理論指導下有效地對可靠性進行保障，提高資源利用的有效性。管網系統的結構可靠與供氣可靠是有機的整體。系統結構可靠性與管網拓撲結構決定了管網的供氣能力，而用氣市場只對供氣可靠性提出了要求。因此，研究天然氣管網可靠性時，應該分別對物理結構可靠性、管網拓撲結構及供氣可靠性進行研究與分析。分析天然氣管網可靠性的同時，亦應分析相對應不可靠狀態(tài)的事故結果及災害，以描述在當前可靠度狀態(tài)下，不可靠狀態(tài)可能造成的社會、經濟及環(huán)境影響。結果表明，天然氣管道不可靠狀態(tài)極有可能對附近較大范圍的人群、設施、環(huán)境造成巨大傷害。

2天然氣管網供氣可靠性評價與預測方法

2.1評價方法

對于天然氣干線管道的結構可靠性評價，一般是基于管道在極限狀態(tài)下，分析它在不同的運行工況下，發(fā)生結構失效的概率。歷史數據統計結果顯示，因腐蝕引起的管道缺陷是造成天然氣管道結構失效的主要原因之一，根據失效后果的不同，將腐蝕引起的失效模式分為小孔泄漏和爆裂，后者又根據透壁缺陷是否會發(fā)生不穩(wěn)定增長，分為大孔泄漏和斷裂。國內外對于腐蝕管道的結構可靠性研究較為成熟，主要分為確定性的評價方法和概率性的評價方法。早期的研究主要是采用確定性評價方法，通過計算或是預測腐蝕管道的剩余強度來對管道的結構可靠性進行評價。但是該方法存在諸多不足，管道的可靠性評價過程存在諸多不確定性，這些不確定性是由于預測管道行為所需要的參數值不夠準確造成的。確定性方法通常采用安全因子對這些不確定性進行處理，可能會對管道的實際運行狀態(tài)產生不準確的描述。因此，目前更多的是采用基于概率性的方法對腐蝕管道可靠性進行評價。通過識別腐蝕管道可能的極限狀態(tài)，建立相應的極限狀態(tài)方程對其狀態(tài)進行描述，針對管道可靠度評價過程中存在的不確定性，采用隨機變量的形式進行處理。最后使用解析法或數值抽樣法（如蒙特卡洛抽樣方法、一階和二階可靠性方法等）計算腐蝕管道在不同狀態(tài)下的結構可靠度。對于腐蝕管道極限狀態(tài)方程的選取、極限狀態(tài)方程中變量對管道可靠度的影響以及檢測和維修對腐蝕管道的作用機理等方面，很多學者已做了廣泛的研究。

2.2預測方法

當前，國內外對復雜系統的可靠性預測，主要采用蒙特卡洛模擬法和故障樹分析法。蒙特卡羅法因其相對簡單（具有一定的黑箱特性），物理意義比較明確，能夠建立與實際情況較接近的可行域與極限狀態(tài)方程，經過多年的發(fā)展，已廣泛應用于各行業(yè)的可靠性預測與評價。對于天然氣管網系統，因其構成復雜、運行工況多變、影響因素繁多等不確定因素較多的特點，使用蒙特卡羅法可以避免量化一部分難以通過數學分析得到準確影響程度的因素（如第三方破壞、自然災害、戰(zhàn)爭、政策法規(guī)等），直接依據管網系統自身的當前狀況建立對應的系統極限狀態(tài)方程，通過多次重復模擬得到管網系統的可靠度。但是，由于天然氣管網系統設備種類繁多，管材工藝類型、性能參數豐富，并且管道存在穿、跨越特殊施工工藝，導致不同單元的極限狀態(tài)方程不同，存在一定的關聯性，造成極限狀態(tài)方程組建立困難、模擬計算需求量大等不可避免的問題。采用故障樹分析法需要對天然氣管網建立完備的故障樹模型，然后對管網失效事件最小割集進行分析，進而對構成事件的貢獻率、權值進行定量計算，這些步驟均為較復雜的邏輯結構與計算過程。但因故障樹邏輯關系明確，能夠較客觀地呈現管網失效及故障模式的事件組成、因果關系，進而為事故預測、預排除及運行優(yōu)化提供較明確的決策支持，在當前設備、管道、管網等系統工程故障分析中得到廣泛應用。

結束語

總而言之，天然氣管網是一個具有大量不確定性影響因素的復雜系統。傳統系統分析方法對于研究管網系統運行狀態(tài)具有一定優(yōu)勢，但不能充分考慮其工藝特點。而且天然氣管網也并不是簡單的串、并聯系統。將工程經驗與經典理論統一起來，綜合考慮系統的運行特點與天然氣的傳輸過程，建立全面的系統可靠性評價模型是推動研究進展的關鍵所在。

參考文獻

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