城市燃气供应突发事件情景构建方法研究

2018-09-06翟振岗刘克会

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2018年4期

翟振岗，刘克会，朱伟

(1.北京市新技术应用研究所,北京 100094；2.燃气、供热及地下管网运行安全北京市重点实验室，北京 100035;3.北京城市系统工程研究中心,北京 100035)

随着城市对燃气的依赖程度越来越高，许多城市燃气用气量迅速飙升，管网规模急速扩充，气源通道逐渐增加，用户类型日趋多样。2017年中国多个地区天然气出现严重缺口，环保部印发《关于请做好散煤综合治理确保群众温暖过冬工作的函》特急文件，河北省制定了《河北省天然气迎峰度冬应急预案(2017—2018)》，建立天然气需求侧管理机制，紧急应对燃气短缺事件。燃气系统自身各要素之间及其与外部环境各要素之间的关联性不断增强，一旦出现上游气源短缺或事故，极易造成燃气供应不足、供热低温运行、电力拉闸限电，会影响居民生产生活。但目前对燃气突发事件的研究多集中在燃气泄漏、燃气爆炸等传统安全事故方面[1-2]，而对燃气供应突发事件演化及应对的研究相对缺乏。

美国自“9·11”恐怖袭击事件之后，开始重视突发事件情景构建研究。美国国土安全部与联邦多个部门合作完成《国家应急规划情景》[3]，并通过人口、基础设施和政策之间复杂相互作用的研究，提出灾害事件情景分析建模与仿真方法[4]。在情景设定的基础上，美国开发了“通用任务表”，详细界定了美国各级政府和私营部门在应对突发事件的预防、保护、响应和恢复过程中的任务。德国从2004年开始围绕“重大突发事件情景”持续性开展了跨州演练工作[5]。近几年，我国开展了非常规突发事件的情景表现、推演和“情景-应对”型应急决策方法等方面的研究，刘铁民[6]认为“情景-应对”是在对以往事件发生及运行规律的认识和收敛的基础上，研究制定相应的应对措施。王旭坪等[7]从关键要素及其作用机理的提取与表示、多源信息融合下应急情景链构建、面向情景-应对的结果研判和应对效果实效评估4个方面，提出非常规突发事件情景构建与推演方法体系。王红卫等[8]通过对应急仿真演练中情景要素、要素属性及其关系分析，提出基于知识元模型的应急情景构建。张辉等[9]提出“数据融合-模型推演-案例推理-心理行为规律”综合集成的“情景-应对”型应急决策理论和方法。突发事件情景构建需要多种数据、模型和知识的有机融合，目前对突发事件情景的表达、分析与推演等关键技术研究还处于探索阶段，已有文献的研究重点主要集中在突发事件情景构建的概念、过程、通用方法等方面。

在基础设施领域，DAVIS[10]进行了地震条件下供水情景构建；ZHANG等[11]研究电力和天然气协调调度方法，以提升其整体效益；CHAUDRY等[12-13]利用多时段概念，建立燃气与电力网络联合优化模型，重点对燃气与电力设施相互作用进行了模拟，但未考虑供热系统及其对城市服务的影响。笔者针对城市燃气空间分布广、系统耦合性强等特点，提出燃气供应突发事件情景构建框架，明确了城市燃气供应短缺可能引发事件的分类，并通过城市燃气系统关联与常规情景构建方法的有机融合，建立燃气与热力、电力系统关联模型，第一次提出燃气供应突发事件多层次情景构建方法，可实现该类突发事件演化及应急任务的全过程模拟分析。

1 燃气供应突发事件情景构建框架

情景构建是通过对典型案例的分析，系统整合多个同类事件和预期风险，实现某一类突发事件普遍规律的全过程、全方位、全景式系统描述[14-15]。在对国内外燃气供应典型事件分析的基础上，采用广泛应用于大型复杂系统规划、组织和管理的霍尔三维结构，提出燃气供应突发事件情景构建框架，如图1所示。分类维表示燃气供应突发事件可能引发的事件类型，逻辑维表示事件影响的层次，时间维是按照突发事件发展与应急处置的特征，将其划分为不同的情景阶段。情景框架中3个维度密不可分，燃气供应引发的各类事件随着时间进程而相互耦合，并分别或共同作用于设施、服务、社会等不同层面，从而形成突发事件的不同阶段性特征。通过3个维度系统地、交叉地、动态地、周而复始地应用，可实现燃气供应突发事件情景的全过程、全方位描述。

图1 燃气供应突发事件情景构建框架

2 引发事件分类及特点

城市燃气运行问题主要包括供应短缺、安全事故、燃气质量等，根据城市燃气供应短缺对城市运行各个方面影响的性质、特点、应对方法等的差异，可以将事件分为5种类型，分别为供应短缺、控制中断、设备损坏、需求引发和偶发事故，如图2所示。

图2 引发事件分类及典型事件

(1)供应短缺类事件。城市燃气作为重要的一次能源，为城市运行过程的多个领域提供了必要的输入和支撑，一旦出现短缺会直接导致燃气发电厂能源不足，同时使大量区域燃气供热锅炉房停机，导致供热低温运行，极端情况下可能导致居民生活用气紧张。

(2)控制中断类事件。城市系统运行需要电力系统和通信系统为其提供动力与控制，一旦电力短缺，可能导致部分区域电力供应中断甚至大面积停电，如果缺乏备用电源，将导致该区域内多种基础设施供应中断，严重时会对整个城市运行系统造成严重影响。

(3)设备损坏类事件。由于燃气供应短缺发生比较突然，若不能及时采取有效措施调整或关闭相关设备，则会导致燃气供应失衡，极易引发燃气设施损坏。同时，燃气、热力、供水等系统如果遭到突然断电，可能引发水锤、电机损坏等事故。

(4)需求引发类事件。由于供应短缺或需求急剧增加导致居民生活许多需求难以满足，这种情况下容易出现居民集中购买等行为，引发抢购、物资短缺等现象。①由于供热低温运行，可能出现抢购取暖保暖用品；②供热问题会导致医疗需求增加，引起部分药品短缺；③若事件未得到很好的引导，可能导致谣言传播，甚至引发群体性事件。

(5)偶然发生类事件。城市燃气供应短缺或停气，导致居民采用煤炭、电力等采暖，由于生活习惯的改变，可能引发CO中毒、触电、火灾等偶发事故。

3 多层次情景构建方法

城市燃气供应突发事件可能对城市基础设施、公共服务、社会生活等方面产生影响，朱伟等[16]将该影响划分为设施、服务、社会3个层面，笔者对各层面事件演化特征进行分析，通过不同层面的模拟与分析，提出多层次情景构建方法。

3.1 设施层面模拟

3.1.1 燃气与热力、电力系统关联模型

城市燃气作为城市运行的重要基础设施，直接为供热、电力系统提供能源，随着我国北方煤改气的不断推进，城市供热对燃气的依赖越来越强。而城市除了外输电源外，城市电厂也多采用燃气作为燃料，形成了燃气、热力、电力3个系统之间的紧密关联关系。燃气、热力、电力均以网络形式运行，故采用美国爱达荷实验室建立的关键基础设施建模框架进行建模[17]，将热电厂、锅炉房、燃气门站、调压站等定义为网络节点，将城市燃气、热力、电力系统中的主干线定义为网络的边。在燃气供应突发事件中燃气、热力、电力3种系统之间存在两类相互作用。燃气与热力、电力设施联调联供模拟如图3所示。

图3 燃气与热力、电力设施联调联供模拟

(1)输入-输出相互作用。两个系统物质和能源之间的关系可称为输入-输出关联[18]。通过调研每个热电厂、用于供热的燃气锅炉房等的燃气使用情况以及产出电力、供热面积，确定各个节点燃气、热力、电力3个系统之间的输入-输出关系，建立相应的变化函数。热电厂在运行过程中同时产生热力和电力的输入，国内外对常态下热电厂热力和电力产出优化分配开展了大量研究[19]，在突发事件情况下需对其产出热力、电力负荷进行优化调整，实现热力、电力供应的整体最优化。

(2)替换型相互作用。姚保华等[20]将一个系统的失效造成对其可替换系统的过量需求称为替换型相互作用。燃气系统供应短缺导致供热低温运行甚至供热中断，居民采用空调、电暖器等设备取暖，造成电力负荷增加，形成典型替换型相互作用关系链。替换型相互作用是通过不同区域居民的反应而产生作用。燃气短缺情况下会出现部分区域供热温度很低，极端情况下可能会出现供热中断，则该区域电力负荷会显著增加；而不采用燃气作为燃料的供热区域，供热不受影响。因此可依据供热异常与电力负荷变化在不同区域的映射关系，建立替代型作用函数，实现各区域电力负荷变化的估算。

3.1.2 设施层情景过程模拟

(1)燃气-热力系统分析。城市燃气管网日常运行模拟工具已经相对成熟，较为成熟的管网模拟软件有挪威DNV GL公司的Syneigi Gas、美国GREGG公司的Win Flow、美国SSI公司的TGNET等，应用成熟软件开展不同供应短缺情景，对管网运行压力、流量、温度等参数进行模拟，模拟不同应对措施下管存变化趋势。

笔者从控制难度和控制效果两个角度制定燃气供应措施，在燃气供应突发事件初期，为了保障燃气管网安全，必须快速降低燃气负荷，因此，需要按照控制难度从低到高的原则进行应急处置，即尽快关闭燃气热电厂等大用户，以保证燃气负荷在30min内降低到管网安全负荷之内。

在保证管网安全条件下，为了保障城市不同区域、不同热源区域供热的整体平衡，需尽快大幅度压缩用于供热的燃气锅炉房的用气量，由于燃气锅炉房数量众多、位置分散，需要发动区县、街乡镇等各级管理力量，实现锅炉房用气调整与监督，预期需要1～2天时间。

在城市燃气负荷压减到位后，为了保障供热的相对均衡，需重启部分热电厂，部分恢复供热，最终实现采用燃气作为能源的供热区域的室温相对一致。突发事件与控制措施共同作用下某调压站供应量变化情况如图4所示。

(2)电力系统分析。通过燃气、热力系统与电力系统模拟分析，电力系统在燃气供应短缺情况下，将出现电力整体供应能力不足和局部电力设备过载两类问题。

图4 突发事件发生后某调压站供应量变化

在电力整体供应方面，当部分热电厂停机时，首先调用备用负荷，在仍不能满足电力缺口的情况下，按照先错峰、后避峰、再限电、最后拉闸的原则，有序开展用电工作。电力部门需根据燃气供应缺口数量，确定电力缺口；根据电力缺口严重程度，按照调度范围和调度权限，确定电力拉路限电序位执行条件、执行步骤及相关部门联动措施。

在热力系统温度逐渐下降后，供热用户约在2～4 h后感觉到室温下降，并逐步启动电热采暖装置，电网负荷改变日常运行趋势，出现显著上扬。根据电网冬季运行方式分析，找出可能出现过载的变压器和电网，为避免过载导致设备事故，需及时执行拉路限电措施。

3.1.3 典型案例情景模拟

对我国北方某城市不同燃气供应缺口的情景进行模拟，得到的分析结果如表1所示。

表1 不同燃气供应缺口情景模拟结果

3.2 服务层面影响分析

燃气供应短缺会对商业、卫生等城市运行服务系统造成影响。

(1)商业。由于燃气、电力存在缺口，为优先保障居民生活用气和基本的供热需求，应尽量降低或关闭商场供热。此外，供热低温运行、停电等事件将导致市民抢购保暖、采暖用品，以及手电筒、蜡烛等照明用品。

(2)卫生。室内温度持续低于供暖标准，老年人、小孩或者体质虚弱的人会出现不适症状，可能出现呼吸系统疾病、感冒等，并导致心脏病、高血压等病人病情加剧，进而导致医院门诊病人急剧增加。

3.3 社会层面影响分析

由于燃气供应短缺事件将影响热力、电力等多个方面，严重影响居民生活，如果不能做好事件信息及时通报与群众引导，可能出现居民强烈不满，加上部分不法分子挑拨，容易出现聚众闹事等群体性事件。

4 应急阶段划分与任务分析

通过对燃气供应突发事件引发各类事件及其演化过程进行梳理，可以将应急过程划分为先期处置、响应升级、全面响应、善后恢复4个阶段，下面对不同阶段主要特征及应急任务进行分析。

4.1 先期处置阶段

先期处置阶段一般为事件发生后的0～4 h，为保证燃气、热力、电力设施安全，需要采取紧急措施，燃气、电力、热力系统根据专业预案及实际情况快速响应。尽快进行热电厂锅炉房停机及燃气大型锅炉房停运，并向社会发布事件初步信息。

燃气企业：关闭相关门站、管道阀门，避免出现超流速等现象，确保设施不受损坏；尽快通知热电厂停机，避免由于燃气压力不足，导致被迫停机，损坏发电、输电设备。

电力企业：收到燃气事件信息后，立即采取停运燃气锅炉措施；同时拉闸限电，避免出现电力供需不平衡，导致设施设备损坏。

热力企业：停运燃气锅炉，调整管网运行，避免出现故障。

政府部门：政府确认事件信息，召集相关部门成立城市燃气供应突发事件应急指挥部，发布事件初步信息，稳定社会舆论。

4.2 响应升级阶段

响应升级阶段一般为事件之后的4～48 h，从专业紧急处置完成开始，到城市燃气负荷控制措施全面实施，并达到燃气供需基本平衡结束。重点任务是全力降低燃气负荷，开展全面救助。

燃气企业：与政府沟通，共同制定降低城市燃气负荷方案，全力推进限气方案落实。

市政部门：与燃气企业共同制定限气方案，由政府发布限气方案并要求相关企业、居民执行，市、区、街道、社区、NGO等全面行动起来，降低城市燃气负荷。

电力企业：启动燃煤发电机组，优化限电方案，减少限电影响。

热力企业：执行限气方案，逐渐降低供暖温度，保障设备安全。

民政部门：救助老弱病残孕幼等特殊人群，发放采暖保暖用品。

工商部门：控制及调取采暖保暖用品，维持市场平稳。

卫生部门：密切关注低温导致的疾病发生情况，保障药品供应。

医院：室内温度降低，导致相关疾病人数增加，发挥社区医疗的基础作用，采取全方位的疾病救治措施，避免出现大医院人满为患的现象。

发改部门：保障煤炭供应，与电力公司共同制定限电方案，并推进方案执行。

4.3 全面响应阶段

全面响应阶段从燃气负荷达到平衡开始，到燃气供应恢复正常结束。重点任务是监测与控制设施运行情况，维持社会平稳，监测内容包括：①“限气方案”、“限电方案”等的执行情况；②燃气、热力、电力等设施设备运行情况；③低温引发疾病发展及救治情况；④保暖采暖用品市场情况；⑤老弱病残孕幼等特殊人群救助情况；⑥食品药品市场供应及其价格。参与主体包括燃气、供热、电力等企业，以及市政市容、发改、卫生、民政、工商等政府部门。