城市燃气安全风险与治理策略

2023-09-27苏国锋魏娜

城市管理与科技 2023年1期

苏国锋?魏娜

习近平总书记2020年3月在武汉考察时指出：城市是生命体、有机体，要敬畏城市、善待城市，树立“全周期管理”意识，努力探索超大城市现代化治理新路子。城市燃气作为能源和基础设施的重要组成部分，安全运营关乎人民群众生命财产安全与社会和谐稳定。燃气管线遭受外部破坏、影响其他市政基础设施运行事故不斷增多，这些燃气耦合风险属于多领域交叉风险，往往产生十分复杂的级联与延展，对燃气事故应急处置造成困难，需要及时、有效地进行风险识别与治理决策。把握城市燃气安全现状与风险，提出全链条城市燃气安全防控策略，是当前城市安全治理的重要课题。

一、城市燃气发展现状分析

（一）燃气管网发展迅速，规模日益增长

我国城市燃气起步于1865年英商在上海建立的煤气厂，当时发展相对缓慢，到1949年为止，全国仅有9个城市有煤制气厂。新中国成立后，我国燃气事业有了较大发展，特别是改革开放后，城市燃气事业得到了很大发展，城市燃气已成为城市建设的重要基础设施、现代城市的重要标志。

目前，随着国内煤改气、油改气进程的加快和城镇化率的不断提高，我国对天然气的需求量不断增大。国家层面对于城市天然气的发展与使用做出了重要规划，其中包括《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《“十四五”现代能源体系规划》。上述规划纲要提出：“加快建设天然气主干管道，完善油气互联互通网络。”“天然气产量快速增长，力争2025年达到2300亿立方米以上”“加快天然气长输管道及区域天然气管网建设，推进管网互联互通，完善LNG 储运体系。到 2025 年，全国油气管网规模达到21万公里左右。”为我国城市燃气事业的发展提供了重要遵循。

根据国家住房和城乡建设部《城市建设统计年鉴》显示，截至2021年年底，我国城市天然气管道长度已超过92.91万公里，城市天然气用气人口已超过4.42亿人，如图1和图2所示。我国天然气消费量也在逐年增加，仅2021年天然气用气量就已达到1721.06亿立方米。根据中国石油集团经济技术研究院编写的《2020年国内外油气行业发展报告》预计，到2025年我国天然气消费总量将达到4300亿立方米，年均增量达210亿立方米，年均增速为5.7%。

图1 2012—2021年城市天然气管道长度

图2 2012—2021年城市天然气用气人数

（二）燃气管网安全事故呈现高发态势

随着城市燃气快速发展，燃气管道长度和用气量逐年增长，燃气用户数不断增多，伴随而来的燃气安全形势也愈发严峻。近年来，燃气管网安全事故呈现高发趋势，造成了较大的人员伤亡和经济损失。2010年，温州市一小区因路面塌陷破坏燃气管线，引发燃气爆炸事故，导致近30多家店铺关闭，2辆轿车被烧；2014年，台湾高雄市丙烷泄漏，遇火源发生连环爆炸，造成32人死亡、321人受伤，4.4公里的市区道路被摧毁，上万用户停电、停气、停水、停话；2017年，松原市宁江区道路施工过程中发生燃气泄漏，在抢修期间发生爆炸事故，造成7人死亡，99人受伤。2021年6月13日，十堰市张湾区一集贸市场发生重大燃气爆炸事故，共造成26人死亡、138人受伤，造成直接经济损失约5395.41万元。

目前，城市燃气安全事故已成为我国继交通事故、工伤事故之后的第三大杀手，近5年平均每年发生超过800起燃气爆炸事故。根据《中国城市燃气协会全国燃气事故分析2021年年度报告》统计，2021年全年共收集到媒体报道的国内（不含港澳台地区）燃气事故1140起，造成106人死亡、763人受伤。按事故气源种类统计：2021年发生天然气事故455起，死亡59人，受伤316人；液化石油气事故639起，死亡47人，受伤388人；气源待核实事故46起，受伤59人。按事故类型统计：2021年，居民用户事故610起，死亡48人，受伤390人；工商用户事故185起，死亡19人，受伤187人；管网事故339起，死亡37人，受伤186人；厂站事故6起，死亡2人。

在所有燃气事故中，天然气事故455起，死亡59人，受伤316人，事故数量占比为39.9%，死亡人员占比为55.7%，受伤人员占比为41.4%。其中，天然气用户事故118起，事故率为0.049起/10万户；天然气管网事故339起，管网事故率为0.321起/1000公里。液化石油气事故639起，死亡47人，受伤388人，事故数量占比为56.1%，死亡人员占比为44.3%，受伤人员占比为50.9%。其中，液化石油气用户事故634起，事故率为1.095起/10万户。气源待核实事故46起，受伤59人，事故数量占比为4%，受伤人员占比为14.3%。

以上案例和数据充分表明了燃气泄漏造成可燃气体在密闭空间聚集发生爆炸事故的严重性。一旦发生爆炸极有可能导致建筑结构损毁、重大人员伤亡等直接损失，同时爆炸事故引起的社会影响等间接损失也是无法估量的。

二、城市燃气安全风险原因与管理痛点分析

（一）城市燃气安全风险原因分析

1.燃气基础设施建设存在隐患。一是管网老旧腐蚀严重，存在安全隐患。许多城市燃气建设历史较早，早期投入运营的低压管网运行年限长，已接近或达到寿命终点，多数管网处于事故多发期，导致管网系统腐蚀穿孔事故呈上升趋势。燃气管网老化，已成为燃气输配的重要安全隐患。二是相邻地下空间安全间距不足。随着城市规模的不断扩大和发展，由于城市管理条块分割，对地下管线缺乏规范管理，如有线电视、移动通信、电力线等与燃气管道平行或交叉，安全距离不够，一旦燃气泄漏至电力井、通信井、排水管道等地下空间，燃气在密闭空间积聚达到爆炸极限如遇明火即发生爆炸，存在重大的安全隐患。

2.各类外力风险影响管网结构安全。一是第三方施工破坏导致泄漏事故频发。随着城市建设步伐的加快，城市道路、轨道交通及旧城改造市政施工频繁，加之通信电缆、电力、自来水、电网等改造，给燃气管线运行带来了很大的安全隐患，第三方施工造成管道被损坏、挖断，导致燃气泄漏事故频发。二是地铁杂散电流加快管网腐蚀。部分城市存在地铁与燃气管线有较多交叉及并行的情况。地铁运行产生的杂散电流，造成地铁沿线钢制燃气管线发生电化学腐蚀，从而引起穿孔发生泄漏，影响燃气管线运行安全，同时威胁着地铁的运行安全。

3.违章占压隐患大。由于历史原因，城市中部分小区存在违章搭建情况，不规范的地下设施建设以及小区活动室、门卫室、公厕等非规划建筑物建设，使得燃气管线被占压、被包裹，造成占压隐患。

4.地质灾害造成管网损坏。地质灾害会导致灾区城镇供气设施，如燃气系统中门站、CNG加气站、中压配气管网及低压配气支管等遭受不同程度的损坏，一旦发生泄漏，很容易通过土壤扩散到周边地下及地上密闭空间内，发生聚积，遇点火源发生大规模爆炸事故。

（二）城市燃气安全管理痛点分析

1.风险辨识“缺方法”。据统计，城市燃气事故70%是由中低压管网微小泄漏造成，但燃气燃爆机理和风险尚不明确，缺乏科学的方法辨识燃爆高风险区域。

目前，针对城市燃气安全中最为普遍的燃气管线泄漏检测问题，燃气管线运营管理中常采用监控与数据采集系统（SCADA）和人工定期巡检两种方式。随着信息化技术的发展，SCADA系统基本具备了对城市管网总图重要参数的显示、应急调峰分析、计算管网储气量、动态平衡天然气供气等主要功能，能够实现在线实时监测各节点压力流量，因此对于全管断裂等原因引起的大规模泄漏导致压力骤然下降能做到有效监测，但是，其缺点是无法发现燃气管网中出现的微小泄漏。各城市的管线运营单位主要采用手持可燃气体检测终端、可燃气体检测车辆等人工巡检方式来检测燃气管网中的微小泄漏问题。然而，人工巡检的方式无法避免实时性差、巡检周期长等缺陷。总体来说，现有技术尚不能很好地在泄漏初期发现燃气管线的泄漏问题。

2.监测预警“缺技术”。威胁城市燃气安全運行的另外一个复杂难题是燃气管网泄漏导致的受限空间内气体爆燃问题，尤其是地下管线相邻空间的爆炸问题。由于地下管线相邻空间存在空间复杂程度大、温湿度以及气体组成多元化等复合因素，造成燃气管线相邻地下空间的爆炸机理更加复杂。因此，在开展传感器布点时，必须根据一定准则，从众多地下空间中选取典型空间进行监测，以确保监测的可行性和充分性。目前可以借鉴的监测点选址方法主要有两种，一种是供水管网测点优化中的压力监测点优化选址方法，另一种是桥梁监测中压力传感器的布置方法。但是这两种方法在匹配燃气管线安全监测方面仍存在物理模型吻合性不好的缺点，会造成监测结果的参考价值大打折扣。而当前针对燃气管线安全监测方面的测点优化以及针对燃气管线相邻地下空间的安全监测尚无相关研究，并且制约燃气管线相邻地下空间安全监测应用的首要因素是测点数量过于庞大，因此对城市地下空间爆炸风险预测建立独有的优化算法和技术的必要性就显得尤为突出。

另外，在监测设备方面，由于地下空间内涝和腐蚀严重，监测设备要同时解决高精度、防水淹、抗腐蚀、长寿命和免校准的技术难题，国内外现有产品综合性能尚不能全部满足以上要求。在气体传感器研发和复杂地下环境可燃气体监测方面，国外以便携式气体监测设备为主，该设备对我国国情适用性及实用性并不高；国内针对可燃气体的监测及信息传输有一定的研究成果，但是没有建立起完整的针对燃气管线相邻空间的可燃气体监测设施。在现有技术不能很好地在泄漏初期发现管线泄漏的情况下，如何及时发现泄漏和防止泄漏燃气发生聚集就成了解决问题的关键。

3.综合防控“缺系统”。城市燃气高压管线一般有监控与数据采集系统，但对于占比90%以上的中低压管线，检测方式目前仍主要依靠人工巡查。地下相邻空间燃爆风险尤为复杂，非燃气部门或供排水、通信、电力等单一部门能够处置，需要建立城市级实时监测预警系统。从目前的系统建设来看，虽然燃气企业建立了各类信息化系统，并取得了一定的效果，但各个系统往往在不同时间由不同厂商分别构建，系统之间相对独立，流程彼此割裂，不利于对异常、事故、作业等管理过程进行闭环的跟踪和管理，而且数据无法相互拉通，缺乏数据统一汇集、处理、展示、分析、预警等，缺乏数据挖掘及数据分析，不能有效利用积累的业务知识和业务数据，挖掘其中蕴含的安全规律。国外针对地下空间可燃气体的监测设备是以便携式设备为主，并没有建立起完善的燃气管网安全监测平台，国内虽对这一领域有所尝试，但其监测方法仍以人工监测为主。针对我国燃气管网铺设规模巨大、燃气管网相邻空间复杂程度较高、部分管网处于更换交替易发生燃气泄漏时期等现状，需要建立起完善周密的燃气管网安全监测平台。

三、构建全链条城市燃气安全防控治理体系

燃气安全为民生之钥，针对城市燃气安全风险与管理痛点，需要构建全链条燃气安全治理体系。可以遵循以下思路：一是定风险，研究城市燃气燃爆风险规律，找出城市燃爆高风险区域；二是做监测，研究燃气泄漏监测技术和装备，建立监测点位优化布设方法和研发专用探测器；三是建系统，研制大型全尺度实验平台和监测系统，实现科学实时在线监测预警，构建风险识别—监测—预警—联动的全链条防控体系；四是善治理，要强化各个城市主管部门对燃气管道安全问题的重视程度，构建城市燃气安全运行精细化治理模式，建立统一标准、统一监管、统一服务的新机制。

（一）建立城市燃气燃爆风险识别方法和评估模型

针对燃气管网微小泄漏风险难题，基于多源异构数据的特征提取、耦合分析方法，通过信息汇聚和数据挖掘，实现占压隐患，燃气管线与周边排水、电力管线垂直交叉、水平间距不足隐患，燃气管线人员密集场所周边高泄漏可能性等耦合隐患自动分析、识别、分级，为燃气企业隐患排查及针对性日常巡检提供抓手。同时，基于“泄漏—扩散—聚集—点火—爆炸—后果—应急响应”的燃气泄漏燃爆事件发生逻辑，结合公共安全三角形理论，构建燃气管道泄漏影响排水、电力管线，第三方施工燃气管道，地质灾害破坏燃气管道等多场景、多风险类型的燃气管线耦合风险评估方法、指标体系，实现对不同类型燃气安全事故的发生概率及后果的动态化风险分析与评估，为燃气管道安全风险精准画像。

（二）研发地下空间燃爆风险监测技术和装备

随着传感技术、通信技术及大规模网络技术的飞速发展和日益成熟，近年来，物联网技术因其潜在的应用价值，已引起学术界和工业界的高度重视。通过在燃气管线相邻地下空间布设可燃气体智能监测传感器，实时感知地下空间可燃气体浓度，可有效预测预警地下空间爆炸事故，将危险源消除在萌芽状态。当然，由于燃气管线周边存在大量地下空间，在开展此类传感器布点时，必须根据一定准则，从众多地下空间中选取典型空间进行监测，以确保监测的可行性和充分性。可以基于燃气在典型介质中的扩散规律，结合爆炸后果计算模型与概率动态评估模型，构建适用于不同管网拓扑结构与连接规律的燃气管网耦合风险预测模型；根据监测有效性计算方法与燃气浓度传感器灵敏性特征，构建以燃气管网有效监测长度为目标的监测点优化布设模型；结合两种模型的优点，构建综合考虑科学性（可承受风险）、工程性（有效监测长度）、经济性（监测点位数量）的连通管线和独立地下空间测点优化布设模型，使得城市级大规模燃气管网相邻地下空间精准监测成为可能。

针对地下空间对监测设备运行条件要求极高，包括无外接电源，高温高湿，城市内涝导致设备淹没，地下空間网络信号差、维护成本高等特点，可以对相关前端可燃气体监测仪进行研发，确保研发设备可对地下空间内甲烷浓度、温度、湿度进行实时、高效、精确、高续航采集，并实现监测数据的实时上传。

（三）建设城市燃气安全监测预警系统

针对城市燃气管网系统安全运行全面感知、全面接入、全面监控、全面预警的需求，基于高可靠性、高性能、高稳定性的平台功能架构，采用云计算、高性能运算和高效储存等技术，构建包括城市生命线安全监测燃气专项系统、燃气管网智能风险防控与应急辅助决策系统的城市燃气燃爆风险防控系统平台（图3），实现燃气管网风险要素快速识别、耦合风险动态评估、管网实时监测、突发事件态势推演等应用，形成系统城市级、规模化、工程化应用能力。

图3 城市燃气燃爆风险防控系统平台

（四）形成燃气治理新模式

构建城市燃气安全运行精细化管理模式，建立统一标准、统一监管、统一服务的新机制，创新系统建设、运行、维护、处置、决策和管理一体化的工作流程。以燃气管网的直接责任单位燃气集团为骨干，建立覆盖监管链、供应链和空间相关链等多个渠道的风险关联方，确定各关联方的职责分配。按照“案例分析→技术与理论支撑→决策辅助→综合对策”的基本路线，以灾害机理的澄清和风险的预测预警为技术基础，以各风险关联方的常态化业务协同为实现目标，形成一套综合、系统、机制化的保障手段，从而提升隐蔽燃爆风险的实时监测、快速定位、分级预警、协同联动能力，实现燃气治理模式的创新（图4）。