天然氣管網(wǎng)故障的關(guān)閥方案

代玥，陳俊錕

天然氣管網(wǎng)故障的關(guān)閥方案

代玥，陳俊錕

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院(四川成都610500)

在天然氣管網(wǎng)運(yùn)行期間，會(huì)不定期地發(fā)生故障，排除故障必需隔離出故障元件。傳統(tǒng)方法是通過節(jié)點(diǎn)遍歷法，建立管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)模型的遍歷，搜索最小的影響區(qū)域，得到關(guān)閉閥門數(shù)量最少的關(guān)閥方案，該方法流程清晰，但是卻很難直觀地了解閥門關(guān)斷區(qū)域的內(nèi)容以及閥門之間的連接關(guān)系。采用矩陣法，基于平面管網(wǎng)建立管網(wǎng)拓?fù)渚仃?，以及閥門系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣，通過矩陣的基本操作，識(shí)別閥門集合與關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)，建立閥門網(wǎng)絡(luò)，而元件故障時(shí)所需關(guān)閉的閥門可直接通過搜索閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣得到，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閥方案的迅速制定。本方法較節(jié)點(diǎn)遍歷法能更清楚地反映閥門關(guān)斷區(qū)域與閥門以及管道之間的聯(lián)系，更好地反映實(shí)際情況，為實(shí)際操作提供有力支持。

天然氣管網(wǎng);故障;矩陣法;閥門關(guān)閥方案

天然氣輸送管網(wǎng)由很多節(jié)點(diǎn)和元件組成，而系統(tǒng)中每個(gè)單元的重要性以及單元的貢獻(xiàn)度是不盡相同的，在管網(wǎng)可靠性評(píng)估過程中，抓住主要因素，適當(dāng)忽略次要因素，重組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高計(jì)算效率[1]。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重組時(shí)，首先要明確管網(wǎng)的故障形式，進(jìn)而制定故障元件的關(guān)閥方案，最終根據(jù)關(guān)閥方案進(jìn)行故障管網(wǎng)重構(gòu)。因此制定管網(wǎng)故障時(shí)的關(guān)閥方案是管網(wǎng)可靠性管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

在天然氣管網(wǎng)運(yùn)行過程中，發(fā)生爆管、管路附件損壞等故障時(shí)，傳統(tǒng)的解決方法是查閱圖紙，對(duì)照管道的埋設(shè)圖，根據(jù)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，尋找閥門位置，制定閥門關(guān)閉方案。這種方法工作量大，效率低，對(duì)操作人員的技術(shù)熟練程度依賴大，并且由于管網(wǎng)資料存在不完善以及更新不及時(shí)的情況，關(guān)閥的準(zhǔn)確性也得不到保證[2]。

近年來，為了及時(shí)有效地處理管網(wǎng)在運(yùn)行中由各種原因引起的突發(fā)事故，各界學(xué)者均對(duì)管網(wǎng)事故關(guān)閥方案進(jìn)行了研究，運(yùn)用最多的方法即是節(jié)點(diǎn)遍歷法[3-4]，如廣度優(yōu)先遍歷法和深度優(yōu)先遍歷法，建立管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)模型的遍歷，搜索最小的影響區(qū)域，得到關(guān)閉閥門數(shù)量最少的關(guān)閥方案。節(jié)點(diǎn)遍歷算法通常通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，流程清晰，但是卻很難直觀地了解閥門關(guān)斷區(qū)域的內(nèi)容以及閥門之間的連接關(guān)系。采用矩陣法，通過矩陣的基本操作，將平面管網(wǎng)轉(zhuǎn)化為閥門網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)故障隔離時(shí)應(yīng)關(guān)閉的閥門和管網(wǎng)閥門關(guān)斷區(qū)域的搜索，完成關(guān)閥方案的制定。此方法是將基本的矩陣結(jié)構(gòu)運(yùn)用于管網(wǎng)計(jì)算模型，其優(yōu)勢在于簡便易懂，不需要特定的圖論知識(shí)基礎(chǔ)，能清晰地反映閥門關(guān)斷區(qū)域與閥門管道之間的聯(lián)系，更好地反映實(shí)際情況，為實(shí)際操作提供有力支持。

1 構(gòu)造閥門網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣

假設(shè)有如圖1所示管網(wǎng)，包含ne個(gè)節(jié)點(diǎn)(ne=6)，np根管段(np=7)，構(gòu)造不包含閥門信息的管網(wǎng)拓?fù)渚仃嘇pe[5]，維數(shù)np×ne，對(duì)Ape的元素a(k，i)定義如下(其中k為管段編號(hào)，i、j為節(jié)點(diǎn)編號(hào)):

則圖1(a)所示管網(wǎng)的矩陣可表示為:

構(gòu)建管網(wǎng)閥門系統(tǒng)的拓?fù)渚仃嘨pe，維數(shù)np×ne。Vpe的元素v(k，i)由閥門所在管段以及離閥門最近的節(jié)點(diǎn)決定，其中k為管段編號(hào)，i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，因此閥門v1、v2、v3、v4、v5所對(duì)應(yīng)的元素分別為v(1，1)、v (2，2)、v(6，6)、v(4，5)、v(7，2)。v(k，i)的定義與a(k，i)相同，根據(jù)矩陣Ape提取閥門所在的管段和節(jié)點(diǎn)的信息，則圖1(a)管網(wǎng)的閥門系統(tǒng)可表示為[6]:

分別得到管網(wǎng)和閥門系統(tǒng)的拓?fù)渚仃囍螅鸵獙?duì)管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以便識(shí)別閥集和關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)。這里用虛擬管段來代替閥門，每個(gè)閥門對(duì)應(yīng)一條虛擬管段，如圖1(b)所示。

而關(guān)閉閥門也就是去掉虛擬管段，因此當(dāng)一個(gè)閥門關(guān)閉之后，相當(dāng)于在管網(wǎng)上形成了一個(gè)缺口，于是假設(shè)所有閥門關(guān)閉，可得如圖1(c)所示的管網(wǎng)圖?？紤]到閥門兩端均連接在管網(wǎng)上，一端連接管道，另一端連接節(jié)點(diǎn)，每個(gè)關(guān)斷區(qū)域所關(guān)聯(lián)的閥集由一端連接在該關(guān)斷區(qū)域上的閥門組成，每個(gè)關(guān)斷區(qū)域均由與閥集相關(guān)聯(lián)的管道和節(jié)點(diǎn)組成。顯然，每個(gè)閥門最多可以屬于兩個(gè)關(guān)斷區(qū)域的兩個(gè)關(guān)聯(lián)閥集。

要分析圖1(a)中的閥門系統(tǒng)，需要建立圖1(b)的系統(tǒng)矩陣，圖1(b)所示管網(wǎng)對(duì)應(yīng)的矩陣由4個(gè)矩陣組成，可表示為:

矩陣Bpe通過Ape與Vpe相減得到，其他3個(gè)矩陣由以下方式獲得:

Vpv:刪除Vpe中元素值全為0的列，拆分有2個(gè)及以上非0元素的列以保證每列均有非0元素;

Vve:刪除Vpe中元素值全為0的行，拆分有2個(gè)及以上非0元素的行以保證每行均有非0元素;

Vvv:刪除Vve中元素值全部為0的列，拆分有2個(gè)及以上非0元素的列以保證每一列均有非0元素。

于是可以得到表1所示的矩陣Am。

從以上矩陣可以看出，Vpv的行數(shù)與管段數(shù)相同，列數(shù)與閥門數(shù)相同，Vve的行數(shù)與閥門數(shù)相同，列數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，Vvv的行數(shù)與列數(shù)均與閥門數(shù)相同。

由圖1(c)關(guān)聯(lián)矩陣C=[Bpe|Vpv]可得:

其中L的元素表示圖1(c)中管段之間的連接關(guān)系，2個(gè)管段之間相互不連接時(shí)，元素l(ki，kj)=0;E為單位矩陣。將非0元素均用1表示，于是V可表示為:

由矩陣V可知，閥門關(guān)閉之后，可得到4個(gè)關(guān)斷區(qū)域的管段，分別是{p1}、{p2，p3，p4}、{p5，p7}、 {p6}，這些關(guān)斷區(qū)域所包含的節(jié)點(diǎn)可由矩陣Bpe得到，于是有I1={p1，e2}、I2={p2，p3，p4，e3，e4}、I3={p5，p7，e5，e6}、I4={p6，e1}，通過矩陣Am，可以搜索到這些關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)閥集，見表2。

則閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣為:

2 制定關(guān)閥方案

閥門關(guān)斷方案即是尋找一組閥門，可以直接隔離出管網(wǎng)的一小部分，使得關(guān)斷區(qū)域最小，引起的中斷最少，對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)營造成的影響最小。

按以下原則將管網(wǎng)轉(zhuǎn)化為閥門網(wǎng)絡(luò):①管網(wǎng)中的閥門轉(zhuǎn)化為閥門網(wǎng)絡(luò)中的邊;②管網(wǎng)中的管段轉(zhuǎn)化為閥門網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn);③管網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)仍然是閥門網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。于是可得圖2所示閥門網(wǎng)絡(luò)，圖中虛線劃分的4個(gè)區(qū)域?yàn)楣芫W(wǎng)的關(guān)斷區(qū)域。

當(dāng)管道發(fā)生故障時(shí)，可以由閥門網(wǎng)絡(luò)得知，管道故障時(shí)的關(guān)斷區(qū)域即是包含該故障管道的閥門關(guān)斷區(qū)域，應(yīng)關(guān)閉的閥門集合就是該關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)閥集。以圖1所示管網(wǎng)為例，假設(shè)管段p3發(fā)生故障，根據(jù)圖2所示閥門網(wǎng)絡(luò)劃分出的關(guān)斷區(qū)域，管段p3屬于區(qū)域I2中。因此，當(dāng)管段p3發(fā)生故障時(shí)，需要關(guān)閉的閥門集合應(yīng)當(dāng)是關(guān)斷區(qū)域I2對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)閥集，記為ξ(I2)。由閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣VI可得，ξ(I2)={v2，v4}。

將管網(wǎng)中閥門的故障問題轉(zhuǎn)化為閥門網(wǎng)絡(luò)中邊的故障。當(dāng)有效閥門發(fā)生故障時(shí)，即表示閥門無法完成關(guān)閉功能，必然導(dǎo)致其關(guān)聯(lián)的2個(gè)關(guān)斷區(qū)域成為“不可隔離”的區(qū)域。因此，在閥門網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)關(guān)閉的閥門集合等于該故障邊(閥門)兩端點(diǎn)的關(guān)聯(lián)閥集的環(huán)和(關(guān)的閥門是交集);閥門關(guān)斷區(qū)域?yàn)楣收线?閥門)關(guān)聯(lián)關(guān)斷區(qū)域的并集。以圖1所示的平面管網(wǎng)為例，假設(shè)閥門v2發(fā)生故障，根據(jù)圖2所示關(guān)斷區(qū)域的劃分和閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣可知v2關(guān)聯(lián)的關(guān)斷區(qū)域是I1和I2，因此應(yīng)關(guān)閉的閥門集合等于關(guān)斷區(qū)域I1和I2對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)閥集的環(huán)和，記為ξ(I1)⊕ξ(I2)。由關(guān)聯(lián)矩陣VI可得ξ(I1)⊕ξ(I2)={v1，v2，v5}⊕{v2，v4}={v2}。而閥門v2故障導(dǎo)致的被關(guān)斷區(qū)域?yàn)閧I1，I2}。

此外，若閥門無效，即該閥門是管網(wǎng)某一回路中唯一的閥門，由于其不具備隔離故障元件的作用，因此，其本身的故障就不會(huì)像有效閥門的故障那樣導(dǎo)致2個(gè)關(guān)斷區(qū)域的連通。于是，無效閥門故障時(shí)，應(yīng)關(guān)閉的閥門集合是閥門網(wǎng)絡(luò)中該無效閥門所連接的關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)閥集。

3 算例

圖3所示管網(wǎng)為某市燃?xì)夤芫W(wǎng)的部分管網(wǎng)，管網(wǎng)中共有25個(gè)閥門，編號(hào)為v1～v25，根據(jù)前述方法，通過構(gòu)造管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣及閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣，得到閥門關(guān)斷區(qū)域及對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)閥集，見表3，根據(jù)表3可了解各關(guān)斷區(qū)域所包含的元件故障時(shí)應(yīng)關(guān)閉的閥門集合。通過閥門網(wǎng)絡(luò)可間接判斷閥門故障時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)斷區(qū)域及應(yīng)關(guān)閉的閥門集合，管網(wǎng)中25個(gè)閥門分別故障時(shí)的關(guān)斷區(qū)域和關(guān)聯(lián)閥集列于表4中，根據(jù)表4可了解各個(gè)閥門分別故障時(shí)的關(guān)斷區(qū)域和應(yīng)關(guān)閉的閥集。

當(dāng)管網(wǎng)中任意元件故障時(shí)，可以直觀地從表中查出應(yīng)關(guān)閉的閥門集合，迅速制定出關(guān)閥方案，為實(shí)際操作提供了準(zhǔn)確方便的技術(shù)支持。僅從關(guān)斷區(qū)域的角度看，閥門故障的影響范圍大于其他元件故障的影響范圍，隔離故障閥門所需關(guān)閉的閥門也較多。

4 結(jié)論

1)利用一個(gè)簡單管網(wǎng)作為示例，闡述了矩陣法的基本原理和思路，基于平面管網(wǎng)建立了管網(wǎng)和閥門系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣，通過矩陣的基本操作，識(shí)別閥門集合與關(guān)斷區(qū)域的關(guān)聯(lián)，建立閥門網(wǎng)絡(luò)，通過搜索閥門網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閥方案的迅速制訂。

2)通過矩陣法可以更加快捷、直觀地在元件故障時(shí)判斷關(guān)斷區(qū)域并制定關(guān)閥方案。對(duì)關(guān)閥方案的研究有助于管網(wǎng)的可靠性分析，而合理有效的關(guān)閥方案有利于管網(wǎng)的可靠性管理。

3)所描述的方法以及制訂的關(guān)閥方案，是基于只有一個(gè)氣源的天然氣管網(wǎng)研究得出的，而多氣源以及有多處故障同時(shí)發(fā)生的情況，還有待進(jìn)一步深入研究。

[1]艾慕陽.大型油氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性若干問題探討[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32(12)：1265-1270.

[2]鄧海英，趙洪賓，解斌.供水管網(wǎng)事故時(shí)閥門關(guān)閉方案的確定[J].中國給水排水，2000，16(6)：42.

[3]王曉霞，鄒平華，李祥立.供熱管網(wǎng)故障的關(guān)閥方案[J].煤氣與熱力，2004，24(8)：432-434.

[4]于靜潔，趙洪賓，周建華.給水管網(wǎng)事故時(shí)確定最優(yōu)關(guān)閥方案[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(9)：1217-1220.

[5]Giustolisi，O.，Kapelan，Z.，and Savic，D.A..An algorithm for automatic detection of topological changes in water distribution networks[J].Journal of Hydraulic Engineering，2008，134 (4)，435-446.

[6]Brualdi，R.A.，Ryser，H.J..Combinatorial matrix theory[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1991.

During the operation of natural gas pipeline network，faults will occur irregularly.To eliminate the faults，it is necessary to isolate the fault components.The traditional practice is to establish a pipe network model using node search algorithm，the smallest influence area of a fault is searched through the traversal of the model，and so a valve closing scheme in which the number of closed valves is minimum is gained.The process of this approach is clear，but it is difficult to identify the association between each subset of valves and the segments directly isolated by closing them.For this reason，matrix algorithm is proposed，which establishes a network topology matrix and a relational matrix of valve system based on planar network.The association between each subset of valves and the segments directly isolated by closing them is identified through the basic operation of matrix to build a valve network.The valves to be closed when fault occurs can be directly got by searching the relational matrix of the valve network，and so a valve closing scheme is quickly obtained.Compared with the node search algorithm，this algorithm can more clearly reflect the association between each subset of valves and the isolated segments，and provide a strong support for the actual operation.

natural gas pipeline network;fault;matrix algorithm;valve closing plan

梅

2014-11-18

代玥(1989-)，女，主要從事油氣管網(wǎng)可靠性研究工作。