管段脆弱性和重要性對城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)可靠性的影響分析

張凱 李蜜悅 鄧瀾鈺 林鵬飛 李文璇 伍穎

摘?要：當前城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)建設日漸密集、復雜，這些管網(wǎng)一旦出現(xiàn)事故，后果不堪設想。本文就城鎮(zhèn)天然氣管段的脆弱性、重要性為管段可靠性的分析依據(jù)，建立脆弱性、重要性指標，用模糊聚類法和貝葉斯分析法對可靠性進行定量分析就評價結果對管段運行、增加保護措施提供依據(jù)。

關鍵詞：城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng);指標評價體系;脆弱性分析;可靠性分析

1 概述

城鎮(zhèn)天然氣系統(tǒng)因自然災害而引發(fā)嚴重次生災害的教訓十分慘痛，如1994年美國洛杉磯地震、2008年我國汶川地震[1]。為了保證安全可靠的向用戶供應燃氣，引入可靠性進行研究。目前國內外專家對城鎮(zhèn)天然氣系統(tǒng)可靠性的研究大多集中在管網(wǎng)系統(tǒng)上，采用數(shù)值模擬軟件、現(xiàn)場管道實驗數(shù)據(jù)分析等多種方法，其結果主要集中在對整個管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性的定性評價分析，但對城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性的定量分析及運用分析結果對管段運營管理提出建議的研究甚少。本文針對城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的管段可靠性評價進行研究，引入脆弱性以及重要性指標，采用模糊聚類分析法及貝葉斯分析法，對城鎮(zhèn)天然氣管段進行可靠性評價。

2 城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性分析

將城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)看成一個管段系統(tǒng)，其中的管段、管件和附件組成系統(tǒng)的不同單元。通過脆弱性、重要性綜合分析得到可靠性對評價各單元對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度。以作為管網(wǎng)運行、維護階段的依據(jù)。

城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的可靠性是指管網(wǎng)在一定的條件與時間內能夠安全平穩(wěn)運行的能力?？梢酝ㄟ^管段脆弱性，可靠度，失效率等來評價管網(wǎng)的可靠性。

管段脆弱性是天然氣管道系統(tǒng)在外部不利影響下遭受損害的程度或承受損害的能力;是管段和系統(tǒng)本身的一種屬性[2]。自管段建成其脆弱性就成為管段系統(tǒng)的一個特性，可用來表征或描述管段燃氣系統(tǒng)遭受第三方破壞、自然災害等時的抵抗能力。

管段的重要性是指該管段無法正常運行時對整個管網(wǎng)的影響程度，影響程度大則管段重要性高，反之，則重要性低。

2.1 管段脆弱性指標和算法實現(xiàn)

管段脆弱性的指標體系主要分為外部環(huán)境脆弱性（即外界環(huán)境的狀況對管段的影響），自身脆弱性（即管段自身具有的特質），恢復能力脆弱性（即應對災害的能力）[3]。

通過對某管網(wǎng)中每根管段的脆弱性指標數(shù)據(jù)，采用極差法對原始數(shù)據(jù)進行標準化，構建模糊相似矩陣，再采用主觀評分法構造模糊相似矩陣，將模糊相似矩陣改造為模糊等價矩陣，最后進行聚類分析[3]。該算法通過MATLAB實現(xiàn)，得到的聚類結果由專家選取最佳閾值后，對管段進行合理分類。

2.2 管段重要性指標和算法實現(xiàn)

該研究中，管段重要性只考慮管段是否連通。首先將城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)簡化為管段，節(jié)點與用戶。在對管網(wǎng)連通性進行描述之前有以下基本假設：假設管道只有兩種狀態(tài)，正常運行或者失效;節(jié)點不會失效。

管段重要性指標體系包含：指定用戶與至少一個氣源的連通可靠度，所有用戶與至少一個氣源的連通可靠度，指定氣源與所有燃氣用戶的連通可靠度，所有燃氣用戶與所有氣源的連通可靠度[4]。

首先通過貝葉斯方法對管網(wǎng)進行分析，通過分析再構建相應的管網(wǎng)故障樹，再通過故障樹獲得相應的有向無環(huán)圖結構，與每個有向無環(huán)圖中的每個節(jié)點相關的條件概率表，進行編程求解。

2.3 城鎮(zhèn)天然氣管段的可靠性評價

通過對脆弱性與重要性的相關計算分析得到的有結果表達式ai，bj通過以下表達式的相關函數(shù)關系可得管網(wǎng)中每個管段的可靠性。

cK=ai·bj

式中：

ai——管段脆弱性分析結果;

bj——管段重要性分析結果;

cK——管段可靠性分析結果。

根據(jù)上式得出的結果對每個管段可靠性數(shù)值的大小進行降序排列，排名靠后的管段可靠性差，應加強巡視力度，增加保護措施。

3 結論

在建立指標體系后，通過對燃氣管網(wǎng)中的管段脆弱性進行聚類分析，然后按脆弱性等級進行分類;以連通重要性作為依托對管道重要性以失效概率進行量化;再講兩者綜合得到管道的可靠性。本研究得出以下結論：

（1）建立了城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性評價指標體系。

（2）從管段是否連通的角度入手，采用連通可靠度來表征各管段重要性，給出了管段重要性的定義。

（3）提出可靠性計算方法，該公式考慮了管道本身的性能參數(shù)和系統(tǒng)的氣體流通性。

參考文獻：

[1]李昕.燃氣管網(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)規(guī)劃設計研究[D].中國地震局工程力學研究所，2015.

[2]陽利永.重慶市貧困山區(qū)農戶旱災脆弱性與土地可持續(xù)管理[D].西南大學，2009.

[3]郝敏娟.市政天然氣管網(wǎng)脆弱性模糊聚類分析[D].首都經(jīng)濟貿易大學，2018.

[4]馬亮.城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性研究[D].2016.