城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)警研究

鄭玉華 沈德群,2 魏 昭 呂正林 宜海濱

1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 102249;2. 中石油北京油氣調(diào)控中心, 北京 100007;3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司質(zhì)量安全環(huán)保部, 北京 110000;4. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077

0 前言

天然氣是高效清潔的能源,2013年9月中國(guó)發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]中,要求加快天然氣和煤制氣等清潔能源的替代利用,且新增天然氣優(yōu)先保障居民的內(nèi)容;2018年6月中國(guó)繼續(xù)發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,要求經(jīng)過(guò)3年努力主要大氣污染物排放總量大規(guī)模減少,進(jìn)一步明顯降低PM 2.5濃度,發(fā)展城市燃?xì)庖殉蔀楦纳瞥鞘锌諝猸h(huán)境和提高居民生活質(zhì)量的重要措施。隨著國(guó)家政策的引導(dǎo)和基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善,城市燃?xì)庑枨笤鲩L(zhǎng)迅速,也給城市能源供應(yīng)系統(tǒng)帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn),最典型的是城市燃?xì)庑枨缶哂袠O不平衡的屬性。例如隨著“煤改氣”政策的實(shí)施,中國(guó)北方大城市每年冬季采暖天然氣消費(fèi)量占全年消費(fèi)量平均比例超過(guò)70%,且高月日均消費(fèi)量為低月日均消費(fèi)量的4倍以上,全年高月高日消費(fèi)量為低月低日消費(fèi)量的7倍。天然氣需求量大幅波動(dòng)對(duì)天然氣穩(wěn)定供應(yīng)提出了極大挑戰(zhàn),各城市特別是大城市天然氣供需矛盾非常尖銳。

對(duì)天然氣供應(yīng)問(wèn)題的研究主要是從國(guó)家視角評(píng)價(jià)天然氣供應(yīng)安全[2-6],此外還包括對(duì)天然氣進(jìn)口風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)[7-8],通過(guò)對(duì)天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)可以分析供應(yīng)系統(tǒng)所處的狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)程度,為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供參考指標(biāo)。相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而言,風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警具有動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[9]和分析的功能,目前的研究主要集中于對(duì)中國(guó)能源安全的預(yù)警[10]、對(duì)區(qū)域能源安全的預(yù)警[11]、和對(duì)城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全性的預(yù)警[12-13]等領(lǐng)域,對(duì)城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)和預(yù)警研究較為少見(jiàn)。城市天然氣供應(yīng)安全關(guān)系到千家萬(wàn)戶(hù)的切身利益,是全社會(huì)關(guān)注的敏感問(wèn)題,而城市天然氣需求由于具有不均衡性強(qiáng)、短期變化迅速等特點(diǎn),給天然氣供應(yīng)企業(yè)信息傳遞、氣源調(diào)度、危機(jī)預(yù)警和聯(lián)合行動(dòng)帶來(lái)較大挑戰(zhàn),亟需建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)警機(jī)制。本文利用動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理理論,對(duì)中國(guó)城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)識(shí)別,建立了城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系和短期動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。本文的研究成果可以為天然氣供氣企業(yè)、管輸企業(yè)、城市燃?xì)馄髽I(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論和方法依據(jù),并為供氣系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制的建立提供借鑒思路。

1 城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)各管道公司、天然氣調(diào)控中心和城市燃?xì)馄髽I(yè)的調(diào)研和總結(jié),參考相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn),構(gòu)建城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)圖1。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系分三個(gè)層級(jí),一級(jí)為城市天然氣供應(yīng)總體風(fēng)險(xiǎn),二級(jí)包括3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,三級(jí)則具體細(xì)分為8個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。

圖1 城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系示意圖

1.1 氣源不足風(fēng)險(xiǎn)

氣源不足風(fēng)險(xiǎn)是最常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。目前以北京、上海等特大城市為代表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多氣源供氣格局,氣源較為復(fù)雜,主要包括氣田供氣、管道間轉(zhuǎn)供氣、儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣、互聯(lián)互通供氣、LNG汽化氣等。各氣源供氣的來(lái)源和特點(diǎn)不同,導(dǎo)致多種氣源不足風(fēng)險(xiǎn),具體包括:

1.1.1 未按計(jì)劃進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)

大部分城市供氣系統(tǒng)采用以銷(xiāo)定產(chǎn)的方式,即以城市天然氣需求量為錨,反推出各氣源的計(jì)劃進(jìn)氣量,因此各氣源按照計(jì)劃進(jìn)氣就格外重要,否則會(huì)引起供需不均衡,帶來(lái)供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。以當(dāng)期的實(shí)際進(jìn)氣量占計(jì)劃進(jìn)氣量的比值,即進(jìn)氣飽和度來(lái)衡量未按計(jì)劃進(jìn)氣的風(fēng)險(xiǎn)程度,見(jiàn)式(1)。進(jìn)氣飽和度越高,表明實(shí)際進(jìn)氣量越接近計(jì)劃進(jìn)氣量,風(fēng)險(xiǎn)越低。

(1)

式中:ST為T(mén)天內(nèi)的進(jìn)氣飽和度;vt為第t天的實(shí)際進(jìn)氣量,104m3;Vt為第t天的計(jì)劃進(jìn)氣量,104m3;T為評(píng)價(jià)周期,d。

1.1.2 供應(yīng)能力不足風(fēng)險(xiǎn)

向城市供氣的各氣源都具有最大供氣能力的限制,如LNG最大供氣能力受制于生產(chǎn)線的數(shù)量等。以計(jì)劃進(jìn)氣量與氣源供氣能力的比率,即氣源負(fù)荷度來(lái)衡量供應(yīng)能力不足的風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(2)。氣源負(fù)荷度越高,則說(shuō)明其氣源供氣余量越小,可提升供氣量有限,風(fēng)險(xiǎn)越高。

(2)

式中:LT為T(mén)天內(nèi)的氣源負(fù)荷度;Pt為第t天的供氣能力，104m3。

1.1.3 儲(chǔ)備氣源不足風(fēng)險(xiǎn)

中國(guó)北方冬季產(chǎn)生“氣荒”的原因之一是天然氣峰谷消費(fèi)比增大,但季節(jié)性調(diào)峰能力不足[11],所以?xún)?chǔ)備氣源至關(guān)重要。儲(chǔ)備氣源主要指LNG儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存氣量和管道管存。以各儲(chǔ)備氣源當(dāng)前存儲(chǔ)量和滿負(fù)荷存儲(chǔ)量的比率,即儲(chǔ)備比率來(lái)衡量?jī)?chǔ)備氣源不足的風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(3)。儲(chǔ)備比率數(shù)值越高,表示與儲(chǔ)存滿罐的狀態(tài)越接近,風(fēng)險(xiǎn)越低。

(3)

式中:CT為T(mén)天的平均儲(chǔ)備比率;TSt為第t天LNG儲(chǔ)氣庫(kù)存儲(chǔ)量,104m3;GSt為第t天的管道存儲(chǔ)量,104m3;TSmax為L(zhǎng)NG儲(chǔ)氣庫(kù)滿罐容量,104m3;GSmax為應(yīng)急最高管道存儲(chǔ)量,104m3。

1.2 輸送能力不足風(fēng)險(xiǎn)

管道輸送能力不足風(fēng)險(xiǎn)既包括來(lái)源于長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn),也包括來(lái)源于城市管網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1 管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)

隨著天然氣需求的旺盛增長(zhǎng),管道系統(tǒng)的建設(shè)速度相對(duì)落后,這種不同步的增長(zhǎng)帶來(lái)較大的管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)。特別是在冬季保供期間,一般城市管道系統(tǒng)必須滿負(fù)荷運(yùn)行才能勉強(qiáng)滿足用氣,小規(guī)模的設(shè)備故障或者其他問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)較嚴(yán)重的后果。以完好狀態(tài)下的管輸能力和需求量的比值,即需求保障倍數(shù)來(lái)衡量管輸能力風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(4)。需求保障倍數(shù)數(shù)值越大,風(fēng)險(xiǎn)越低;若小于1,則存在極大風(fēng)險(xiǎn)。

IT=SC/Max{Dt}t=1,2,…,T

(4)

式中:IT為T(mén)天內(nèi)的需求保障倍數(shù);SC為完好管道輸送能力,104m3/d;Dt為第t天的需求量,104m3。

1.2.2 管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)

管道所處外部環(huán)境復(fù)雜,因此其運(yùn)營(yíng)受到多種風(fēng)險(xiǎn)影響,通常包括腐蝕、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害以及人為因素等。當(dāng)管道需要停輸、休整或者降低壓力非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),管輸能力隨即大幅降低,帶來(lái)保供風(fēng)險(xiǎn)。以實(shí)際管輸能力和設(shè)計(jì)管輸能力的比值，即管輸能力完整率來(lái)衡量管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(5)。管輸能力完整率越接近1,則表示管道完整性越好,風(fēng)險(xiǎn)越低。

WT=Min{sct}/SCt=1,2,…,TWT≤1

(5)

式中:WT為T(mén)天內(nèi)的管輸能力完整率;sct為第t天的管輸能力,104m3/d。

1.2.3 分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)

天然氣由長(zhǎng)輸管道進(jìn)入城市門(mén)站后,由于長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力高于城市管網(wǎng)的運(yùn)行壓力,所以分輸過(guò)程中需要進(jìn)行截流,一般截流1×1012Pa,分輸溫度降低6 ℃,截流較嚴(yán)重時(shí),分輸會(huì)出現(xiàn)冰堵,導(dǎo)致分輸能力下降。另外,分輸支路設(shè)備都存在可靠性的問(wèn)題,在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),分輸能力同樣會(huì)下降。以目前的分輸能力和完好狀態(tài)下分輸能力的比值,即分輸能力完整率來(lái)表示分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(6)。分輸能力完整率越接近1,則表示各門(mén)站總體設(shè)備完整性越好,風(fēng)險(xiǎn)越低。

FT=Min{fct}/FCt=1,2,…,TFT≤1

(6)

式中:FT為T(mén)天內(nèi)的分輸能力完整率;fct為第t天的分輸能力,104m3/d;FC為完好分輸能力,104m3/d。

1.3 需求旺盛風(fēng)險(xiǎn)

近幾年，天然氣“氣荒”產(chǎn)生的原因復(fù)雜,但根本原因還是天然氣需求旺盛,因此將需求旺盛的風(fēng)險(xiǎn)分為需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)和需求遽變風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.1 需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)

中國(guó)城市天然氣需求量增長(zhǎng)中包含自發(fā)增長(zhǎng)部分,也包含政策性增長(zhǎng)部分,特別是北方“煤改氣”政策實(shí)施以來(lái),每年新增天然氣需求增長(zhǎng)近13%。從短期季節(jié)性變化來(lái)看,每到冬季采暖開(kāi)始,城市天然氣需求量快速攀升,在半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)增加1倍多,給供應(yīng)保障帶來(lái)壓力。以一段時(shí)間內(nèi)最高需求量相對(duì)最低需求量的增幅,即需求增長(zhǎng)率來(lái)衡量需求增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(7)。

RT=[Max{Dt}-Min{Dt}]/Min{Dt}

t=1,2,…,T

或RT=(DT-DT-1)/DT-1t=1,2,…,T

(7)

式中:RT為T(mén)天內(nèi)的需求增長(zhǎng)率。

1.3.2 需求遽變風(fēng)險(xiǎn)

需求遽變風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于氣溫劇烈變化導(dǎo)致的需求急劇變化,特別是采暖季天然氣需求量對(duì)氣溫非常敏感,每次寒流來(lái)襲,天然氣消費(fèi)量激增[14-15],且這部分增長(zhǎng)為剛性。此外,夏季氣溫較高時(shí),空調(diào)大面積開(kāi)啟,城市熱電中心需提高運(yùn)行負(fù)荷來(lái)滿足此部分增量,天然氣消耗量也隨之大幅上升。以當(dāng)期預(yù)測(cè)氣溫變化引起的天然氣消費(fèi)非正常增幅,即溫度變化天然氣需求增長(zhǎng)率來(lái)衡量需求遽變風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)式(8)。一般當(dāng)冬季平均氣溫低于4 ℃或夏季平均氣溫高于26 ℃時(shí),才會(huì)產(chǎn)生該種風(fēng)險(xiǎn)。

(8)

式中:YT為T(mén)天內(nèi)的溫度變化天然氣需求增長(zhǎng)率;Qt為第t天的平均氣溫,℃;γl和γh分別為低溫和高溫下氣溫變化1 ℃引起的天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng),104m3/℃。

2 城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

2.1 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是指通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析,預(yù)測(cè)和推斷系統(tǒng)的警情和警度,達(dá)到提前預(yù)防和控制風(fēng)險(xiǎn)的目的[16]。文獻(xiàn)[17-18]研究表明,應(yīng)用較長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù)的城市天然氣需求預(yù)測(cè)精度并不理想,因此鑒于城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)具有較強(qiáng)的時(shí)效性,短期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警更具有現(xiàn)實(shí)意義,本文的研究根據(jù)馬爾科夫模型建立城市短期天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制。馬爾科夫模型通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣反映風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)性[19],并通過(guò)分析某變量現(xiàn)在的動(dòng)向來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的狀態(tài)和動(dòng)向[20-21],從而實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)和預(yù)警,因此馬爾科夫模型過(guò)程的特點(diǎn),對(duì)于描述城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的短期變化具有良好的適應(yīng)性。由于氣溫變化可以通過(guò)氣象部門(mén)的預(yù)報(bào)獲得,因此馬爾科夫模型用于除YT外的其他指標(biāo)預(yù)測(cè)。

(9)

根據(jù)馬爾可夫模型,可以將狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系寫(xiě)成向量形式,見(jiàn)式(10)。

αk+1=αk·P=α0·Pk+1

(10)

(11)

在實(shí)際應(yīng)用中,轉(zhuǎn)移矩陣有多種算法,由于馬爾科夫模型所使用歷史數(shù)據(jù)時(shí)間較短,使用最大似然估計(jì)結(jié)合古典概率模型更適合,此處使用過(guò)去7 d該風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率(i,j∈{上升=1,不變=2,下降=3})。

(12)

式中：Zt為各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在第t天的取值。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別

根據(jù)中國(guó)國(guó)務(wù)院安委辦的相關(guān)文件,將風(fēng)險(xiǎn)分為四個(gè)預(yù)警等級(jí),風(fēng)險(xiǎn)從小到大分別為:低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn),每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)均借鑒了歷史經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家意見(jiàn),見(jiàn)表1。

由于各指標(biāo)含義和取值范圍不同,指標(biāo)間具有不可公度性,且指標(biāo)取值和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)既有正向相關(guān)關(guān)系,也有負(fù)向相關(guān)關(guān)系。為了使指標(biāo)和其所表示的風(fēng)險(xiǎn)具有一致性,且便于指標(biāo)間進(jìn)行比較,采用隸屬度函數(shù)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值越大,表示風(fēng)險(xiǎn)越大的指標(biāo),如供應(yīng)能力不足風(fēng)險(xiǎn)、需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)和需求遽變風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)用隸屬函數(shù)式(13)進(jìn)行規(guī)范化處理;對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大,表示風(fēng)險(xiǎn)越小的指標(biāo),如未按計(jì)劃進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)、儲(chǔ)備氣源不足風(fēng)險(xiǎn)、管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)、管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)和分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)用隸屬函數(shù)式(14)進(jìn)行規(guī)范化。

(13)

(14)

式中：NT為各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值規(guī)范化處理結(jié)果;rT為各指標(biāo)的原始值;a,b分別為指標(biāo)的下限和上限。轉(zhuǎn)化后的NT數(shù)值區(qū)間為0～1,將此數(shù)值乘以100,作為百分制規(guī)范化風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

表1 二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)警級(jí)別及應(yīng)對(duì)表

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警等級(jí)指標(biāo)數(shù)值規(guī)范化風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)應(yīng)對(duì)措施未按計(jì)劃進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)ST低0.95～10～5無(wú)需調(diào)整中0.90～0.955～10管存高時(shí)不調(diào)整,管存低時(shí)需要調(diào)整高0.8～0.910～20督促和調(diào)整氣源供應(yīng)極高0～0.820～100提高所有氣源進(jìn)氣量,通知相關(guān)方供應(yīng)能力不足風(fēng)險(xiǎn)LT低0～0.70～70無(wú)需調(diào)整中0.7～0.870～80無(wú)需調(diào)整,密切關(guān)注高0.8～0.980～90加強(qiáng)設(shè)備維修維護(hù),保持可靠性,考慮增產(chǎn)極高0.9～1.090～100增產(chǎn)上量,關(guān)注設(shè)備狀態(tài),通知相關(guān)方儲(chǔ)備氣源不足風(fēng)險(xiǎn)CT低0.85～1.000～23無(wú)需調(diào)整中0.65～0.8523～54無(wú)需調(diào)整,關(guān)注需求、天氣、LNG船期高0.48～0.6554～80安排其他氣源多進(jìn)氣極高0.35～0.4880～100盡量提升其他氣源進(jìn)氣量管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)IT低1.3～1.50～40無(wú)需調(diào)整中1.2～1.340～60對(duì)需求量的變化保持關(guān)注高1.1～1.260～80需考慮增大管輸能力極高1.0～1.180～100盡快增大管輸能力,加快維修搶工期管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)WT低0.9～1.000～10無(wú)需調(diào)整中0.8～0.910～20及時(shí)排除故障并修復(fù)設(shè)備高0.7～0.820～30若為計(jì)劃性維檢修導(dǎo)致此風(fēng)險(xiǎn)大,需加快進(jìn)度極高0.730～100派遣專(zhuān)業(yè)人員盡快恢復(fù)至完好狀態(tài),保持對(duì)需求量的密切關(guān)注,聯(lián)系各相關(guān)方共同應(yīng)對(duì)分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)FT低0.9～10～10無(wú)需調(diào)整中0.7～0.910～30及時(shí)排除故障并修復(fù)設(shè)備高0.5～0.730～50需馬上對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行修理,同時(shí)進(jìn)行城市內(nèi)部用氣量調(diào)整,將氣量分配至故障設(shè)備少的門(mén)站極高0～0.550～100馬上派遣專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行設(shè)備修理,若無(wú)法滿足需求量,提前告知相關(guān)方需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)RT低0～0.030～30無(wú)需調(diào)整中0.03～0.0530～50暫不調(diào)整,密切關(guān)注高0.05～0.0750～70需提前通知管道各氣源、管道公司和油氣調(diào)控中心極高0.07～1.1070～100增大各氣源進(jìn)氣量、增大當(dāng)前管輸量,調(diào)動(dòng)儲(chǔ)備氣源需求遽變風(fēng)險(xiǎn)YT低0～0.020～25無(wú)需調(diào)整中0.02～0.0425～50暫不調(diào)整,密切關(guān)注高0.04～0.0650～75需提前通知各相關(guān)方,準(zhǔn)備增加進(jìn)氣量極高0.06～0.1075～100增大各氣源進(jìn)氣量、增大當(dāng)前管輸量,調(diào)動(dòng)儲(chǔ)備氣源

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)警實(shí)例

以B市2019年1月為例,讀取其中8 d天然氣供氣相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。運(yùn)用上文方法對(duì)天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),并通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)分析其目前風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)及所需采用管控策略。

表2B市天然氣供氣相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

時(shí)間/d每日實(shí)際進(jìn)氣量/104 m3每日計(jì)劃進(jìn)氣量/104 m3每日供氣能力/104 m3每日需求量/104 m3管存量/104 m3管輸能力/104 m3氣溫/℃第t-718 34222 41113 8777 95267 70012 000-1.0第t-619 74622 41113 6958 56568 00012 000-2.0第t-520 64222 61112 9029 19467 40011 000-5.5第t-420 51122 51112 5219 77067 50011 000-7.5第t-321 25623 41112 02410 56767 00012 000-6.0第t-221 92122 41111 94210 46666 00011 000-5.5第t-122 14022 41112 09910 56465 90011 000-3.5第t22 17522 41112 11810 33265 80012 000-5.5

根據(jù)式(11),得到7個(gè)指標(biāo)的一次概率轉(zhuǎn)移矩陣:

YT直接采用天氣預(yù)報(bào)的數(shù)值,根據(jù)式(8)進(jìn)行計(jì)算;其他指標(biāo)根據(jù)式(9)～(12)運(yùn)用馬爾科夫模型進(jìn)行計(jì)算,這里取T=1,即以1 d作為預(yù)警周期,則B市未來(lái)7 d天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3(誤差均在可接受范圍)。

表3B市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果表

時(shí)間/dSTLTCTITWTFTRTYT第t+11.007 90.855 20.858 41.111 50.959 10.869 0-0.018 20.147 9第t+21.026 10.854 50.857 91.088 01.010 40.819 8-0.006 90.119 1第t+31.044 20.854 90.857 31.125 51.073 70.806 30.008 20.098 5第t+41.062 20.854 70.857 01.136 51.142 00.769 30.025 30.115 2第t+51.080 30.854 80.856 81.133 41.214 40.710 70.043 20.046 0第t+61.098 40.854 70.856 61.162 01.288 50.710 70.061 70.043 3第t+71.116 50.854 80.856 51.168 31.363 90.673 50.080 40.024 1

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)上、下限取值見(jiàn)表4。

表4 各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值范圍表

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)a(下限)b(上限)ST1.20LT10CT10IT1.51WT10FT10RT0.2-0.2YT0.30

圖2 B市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警蛛網(wǎng)圖

根據(jù)式(13)～(14),可以對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理,得到規(guī)范化后的各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),見(jiàn)圖2。圖2綠色實(shí)線為綠色預(yù)警區(qū)域和橙色預(yù)警區(qū)域的邊界線,黃色實(shí)線為橙色預(yù)警區(qū)域和黃色預(yù)警區(qū)域的邊界線,紅色實(shí)線為黃色預(yù)警區(qū)域和紅色預(yù)警區(qū)域的邊界線。

從圖2可見(jiàn)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分和未來(lái)變化趨勢(shì),可據(jù)此判斷預(yù)警級(jí)別和確定應(yīng)對(duì)策略:

1)未按計(jì)劃進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)始處于黃色預(yù)警,后期將逐漸好轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)為橙色預(yù)警。這意味著實(shí)際進(jìn)氣量與計(jì)劃量存在偏離,需馬上進(jìn)行調(diào)整,督促各氣源向計(jì)劃量靠攏。若某個(gè)氣源存在較大問(wèn)題無(wú)法達(dá)到計(jì)劃量,可臨時(shí)提升其他氣源供氣量,使整體進(jìn)氣量與計(jì)劃量保持一致。

2)供應(yīng)能力不足風(fēng)險(xiǎn)一直處于黃色預(yù)警。氣源負(fù)荷程度較高,余量空間已不大。應(yīng)對(duì)突發(fā)的需求量激增能力較弱。需加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維修維護(hù),保持其可靠性,避免產(chǎn)生未按計(jì)劃進(jìn)氣的風(fēng)險(xiǎn),考慮增產(chǎn)上量。

3)儲(chǔ)備氣源不足風(fēng)險(xiǎn)短期內(nèi)將持續(xù)處于綠色預(yù)警區(qū)間。儲(chǔ)備氣源基本已經(jīng)儲(chǔ)存滿,LNG儲(chǔ)罐中液態(tài)天然氣已滿罐,管道中已達(dá)到應(yīng)急高管存,應(yīng)對(duì)需求量激增能力很強(qiáng),對(duì)調(diào)峰氣量有較強(qiáng)支撐。

4)管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)處于黃色預(yù)警狀態(tài)。管輸能力滿足需求后所剩余量不大,應(yīng)對(duì)需求量激增風(fēng)險(xiǎn)能力較弱,需考慮增大管輸能力。

5)管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)在短期內(nèi)將持續(xù)處于綠色預(yù)警區(qū)間。當(dāng)前管道基本完好,各附屬設(shè)備均可靠,當(dāng)前管道輸量基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)輸量。

6)分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)將處于橙色預(yù)警區(qū)間,但有向黃色預(yù)警區(qū)間發(fā)展趨勢(shì)。顯示較大比例的設(shè)備出現(xiàn)故障,分輸能力被大幅度削減,應(yīng)對(duì)需求量激增的能力弱。此時(shí),一方面需馬上對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行修理,使其達(dá)到理想狀態(tài);另一方面需進(jìn)行B市內(nèi)部用氣量的調(diào)整,在總量不變的前提下,將氣量分配至故障設(shè)備少的門(mén)站來(lái)供氣。

7)需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)變化幅度最大,將從橙色預(yù)警轉(zhuǎn)為紅色預(yù)警,可能會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn),需特別關(guān)注。需提前通知管道各氣源、B市管道公司、B市油氣調(diào)控中心?？刹扇≡龃蟾鳉庠催M(jìn)氣、增大當(dāng)前管輸量,調(diào)動(dòng)儲(chǔ)備氣源等措施滿足增長(zhǎng)需求量。

8)需求遽變風(fēng)險(xiǎn)將從黃色預(yù)警逐漸轉(zhuǎn)為綠色預(yù)警。密切監(jiān)視溫度的變化情況,保障短期調(diào)峰的能力。

4 結(jié)論

分析了中國(guó)城市天然氣供需風(fēng)險(xiǎn)因素,建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制,提出了不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別下的風(fēng)險(xiǎn)管控措施?；诒疚牡难芯?得出以下結(jié)論:

1)中國(guó)城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)可以劃分為氣源不足風(fēng)險(xiǎn)、輸送能力不足風(fēng)險(xiǎn)、需求旺盛風(fēng)險(xiǎn)三大類(lèi)。其中氣源不足風(fēng)險(xiǎn)又分為未按計(jì)劃進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)、供應(yīng)能力不足風(fēng)險(xiǎn)和儲(chǔ)備氣源不足風(fēng)險(xiǎn);輸送能力不足風(fēng)險(xiǎn)可分為管輸能力不足風(fēng)險(xiǎn)、管輸能力下降風(fēng)險(xiǎn)和分輸能力下降風(fēng)險(xiǎn);需求旺盛風(fēng)險(xiǎn)可分為需求增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)和需求遽變風(fēng)險(xiǎn)。

2)中國(guó)城市天然氣需求具有極強(qiáng)的不均衡性和時(shí)效性,對(duì)此構(gòu)建了基于馬爾科夫模型的城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系和預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制,針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)設(shè)定了綠、橙、黃、紅四級(jí)預(yù)警級(jí)別和相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)管控策略。此預(yù)警機(jī)制可應(yīng)用于城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警,對(duì)于監(jiān)測(cè)城市天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)變動(dòng)、增強(qiáng)各利益相關(guān)方的數(shù)據(jù)共享及協(xié)作,提前預(yù)防并采取風(fēng)險(xiǎn)管理措施具有一定的應(yīng)用價(jià)值。