城市燃气输配管网承载力评估方法研究

时间：2024-07-28

肖颖詹淑慧丁国玉

（1.北京建筑大学，北京 100044；2.北京市城市规划设计研究院，北京 100045）

0 引言

天然气作为一种优质、高效、清洁的化石燃料，已经被广泛地应用于国民生活和生产的各个领域，我国预计2015年天然气消耗占一次能源消耗的比重可达8%甚至10%，将为改善我国能源结构、保障能源安全做出重要贡献。随着城市燃气市场需求的不断增加，有些城市燃气管网的输气能力已经不能满足需求，加之人们对于设施安全性和服务水平要求的不断提高，适时对某一区域进行输气能力的评估，及时对燃气管网和设施进行动态的规划调整，模拟城市燃气管网的运行工况，使管网的输气能力尽可能满足城市发展的要求显得尤为重要。

1 燃气输配管网承载力背景及研究成果

1.1 承载力的意义

承载力原是一个力学概念，本意是指地基的强度对建筑物负重的能力。后来被引入到生态学的研究中，定义为某一特定条件下，生态系统对生活在其中的种群的承载数量。随着承载力概念的广泛应用，现已演变为对发展的限制程度进行描述的常用概念之一，在环境、经济和社会等各个领域均得到了不同程度的延伸。城市综合承载力是城市资源承载力、城市环境承载力、城市生态系统承载力、城市基础设施承载力、城市安全承载力及公共服务承载力的总称。

市政承载力是一个全新的概念，是城市综合承载力中水资源承载力、能源承载力和基础设施承载力等的有机结合，它的研究对象包括交通、供水、排水、供电、供气、供热等。借助其他领域的相关研究，可以诠释为一定时期内，在可预见的技术、经济和社会发展水平下，某一地区市政系统能够支撑城市可持续发展的能力。城市燃气输配管网承载力，是指燃气管网在不破坏的情况下，其服务设施能够对城市发展起到的支撑能力。

1.2 市政承载力评价研究成果

张中秀、石榴花在城市市政管网承载力综合评价方法与应用［1］中提出了市政管网承载力的概念，指在一定时期内，市政管网系统结构完善与功能正常发挥的前提下，输送生活用水、能源、信息和排除雨水、污水的水平对城市居民生活及经济社会发展的承载能力。根据各类市政管网的结构和运行特点，对市政管网系统建立了包括供水、排水、供电、燃气、供热的指标评价体系。各项指标及其评分值、权重通过统计资料分析、专家咨询综合确定，各项指标评分最优值为1，最差值为0，根据指标值与上限值、下限值的线性插值确定评分值，最后根据权重加权计算得到各类市政管网承载力的综合得分。其使用层次分析法计算单一权重，Delphi法计算综合权重论证了某沿海城市中心城区市政管网承载力。

郝天文、宋文波、李艺在城市市政管网规划设计研究与应用中［2］，以基础性指标、服务性指标、驱动性指标为3个准则层，采用层次分析法将综合评价结果分成5个等级，同时给出了各项指标的含义及评分导则。

1.3 燃气输配管网承载力研究成果

燃气输配管网承载力包含在市政承载力中，现有研究成果中评价体系及权值如表1所示。

表1 供气管网承载力评价指标体系表

目前，关于燃气输配管网承载力的研究较少，上述评价体系的各项指标、上下限值及权重可做进一步深入讨论。

2 燃气输配管网承载力的影响因素及评价方法

2.1 燃气输配管网的特点

同供水管网类似，燃气输配管网也是将上游输送来的能源根据区域负荷，在满足相应压力的条件下输送到用户。与其不同的是，燃气输配管网在将天然气输送到用户的过程中通常不允许产生升压，而是将从气源来的高压燃气通过逐级降压的方式输送到各用户。此外，不同类型的天然气用户所需压力不同，如发电厂一般需用高压燃气，商业用户、工业用户一般需用中压燃气，而民用天然气一般只需低压燃气即可。

2.2 影响因素及重要性分析

2.2.1 影响因素

由现状研究成果可以看出，在建立供气管网承载能力评价体系时，管道燃气普及率、管网密度、管网漏损率、管网事故率、待更新管线数量和运营者技术管理水平6项评价指标作为了必须考虑的因素。笔者认为评价体系中除以现状基础性指标为主外，空间及时序的发展、水力工况、规划要素、场站设施能力等也很重要。故以一级评价指标——管网及设施能力性指标、技术经济性指标、安全性指标和运行管理指标为主要框架，将二级评价指标增加了燃气场站的保障能力、燃气输配管网的水力工况、管网设计压力、发生事故时对周围建筑物的影响程度、与其他管网的协调度及运行管理水平等6项指标。各二级指标评分值均大于0。

2.2.2 重要性分析

1）燃气场站的保障能力［3］。体现在负荷需求与设施容量间的关系。调压设施在安全、方便运行方面应考虑一定的设施储备系数；同时，由于建设时序相对于城市发展具有一定的超前性，因此燃气设施的供应能力应大于某一时间点的用气负荷。场站的供应能力对用户的用气起到决定性作用，供应能力越大于需求，该指标评分值越大，供应能力越不足，该指标越接近于0。

式中，pZ为场站源点承载力，无量纲；Qd为燃气场站设计规模，104m3／h；RZ为燃气场站储备系数，宜为2.2～2.6，无量纲；Qn为燃气负荷需求，104m3／h。

2）输配管网的水力工况。体现在燃气管网对场站富裕能力的输配，其评价结果与用户压力需求有关。燃气输配管网水力工况计算主要为校核某一时间点管网架构、管径选择是否合理。炊事用户的压力要求一般不小于0.01 MPa，其他用户的压力要求一般不小于0.05 MPa。该项指标是影响用户能否安全可靠用气的核心要素。

燃气管网水力工况的影响可利用某分区内最小压力节点的压力与用户的最小工作压力之比衡量。分区内最小压力值越大评分值越高，最小压力值越小评分值越接近于0。

式中，Hrqg为燃气输配管网水力工况的的影响度，无量纲；pimin为某分区内节点的最低压力，MPa；pmin为用户所需最低压力，MPa。

3）网密度。一定区域内供气管道分布的稀疏程度是衡量城市燃气供应行业情况的基本指标。该指标的评价最高值为15 km／km2，最低值为0，在目前的评价体系中已应用。该指标评分值介于［0，1］，密度越大评分值越接近于1，越小评分值越接近于0。

4）燃气管线利用率。指用户可有效利用的管道长度占燃气管道建设总长度的比重。利用率高在一定程度上说明管线布置更加合理。可取100%为评价最高值，0为最低值。该指标评分值介于［0，1］，利用率越高评分值越接近于1，越低评分值越接近于0。

5）管网设计压力。指燃气管网可承受的最高压力，每个城市有所不同。以北京为例，已形成了由高压A、高压B、次高压A、中压A、低压5级压力体系组成的天然气输配管网；上海天然气管网可分为8级。该指标评分值介于［0，1］，若某地区设计的管网压力满足不同用户需求且压力级制合理，则评价值接近于1；若所设计的管网压力不能满足不同用户需求，或选取的压力级制不合理，则评价值接近于0。

6）管道燃气普及率。某城市管道用气人口数与城市总人口数之比。城市管道供气率越高，在一定程度上可体现出燃气管网对城市发展的承载力越强。可取100%为评价最高值，0为最低值。该指标评分值介于［0，1］，普及率越高评分值越接近于1，越低评分值越接近于0。

7）发生事故时对周围建筑物的危害程度。根据城市用地分类和建设用地标准，可将用地类型分为居住、公建、工业、市政、绿地、水域等几类。该指标评分值介于［0，1］，若管线两旁比较空旷，或人员密集、重要等级高的建设用地较少，如爆炸范围（事故的半径为20 m）内为绿地或水域较多，则该指标评价值趋近于1；若两旁建设用地中学校、商场、居住用地、医院等所占比重较大，则该指标评价值趋近于0。

8）管网事故率。是描述城市供气管网运行安全性、可靠性的重要指标。取0.5次／（1×103km·a）作为指标评价的最高值，6次／（1×103km·a）作为最低值。该指标评分值介于［0，1］，事故率越小评分值越接近于1，越大评分值越接近于0。

9）网漏损率。城市管道供气系统漏损气量占供气总量的百分比。漏损率取1%作为城市供气管网漏损率评价的最高值，10%作为评价最低值。该指标评分值介于［0，1］，漏损率越低评分值越接近于1，越高评分值越接近于0。

10）老旧管线所占比重。老旧管线数量越少，供气管线承载力及可靠度相对越强。可取0为评价最高值，80%为最低值。该指标评分值介于［0，1］，老旧管线所占比重越小评分值越接近于1，所占比重越大评分值越接近于0。

11）沿路敷设时与其他管网的协调度。该指标为定性指标。地下市政管线包括电力、通信、雨污水、燃气、热力等，涉及多个管理单位和部门。该指标评分值介于［0，1］，若施工时与其他管线协调较好、受周围管线影响小、便于今后改造且施工符合规范要求则评分值接近于1；若协调效果不好、易受周围管线影响、不利于今后改造或施工不符合规范要求则评分值接近于0。

12）运营者技术管理水平。包括城市燃气运营企业的管理现代化、信息化、实际运营及盈利能力、管理人员培训教育情况、专业学历构成、事故处理机构应急供气的保障程度等综合信息。该指标评分值介于［0，1］，若企业的管理现代化程度高、实际运营及盈利能力强、专业学历充沛，该项指标评分值更接近于1；若企业技术人员缺乏经验、专业学历人数少、应急保障制度差，则评价值接近于0。该指标在信息化、服务化水平要求不断提升的今天显得更加重要。

由上述分析可知，燃气场站的保障能力、燃气输配管网的水力工况为非常重要指标，发生事故时对周围建筑物的危害程度为重要指标，运营者技术管理水平的重要等级近几年呈上升趋势，其他为比较重要指标。

2.3 评价方法

2.3.1 方法

笔者将一级评价指标分为4级，根据专家打分给出指标权重；将二级评价指标分为12级，每项指标分别进行标准化并利用专家打分和AHP法综合求出相应权重，最后将标准化后的指标进行加权求和即得该燃气输配管网的承载力。承载力值越大则说明燃气输配管网的承载能力越强、综合性能越合理。

常见的评价指标分为正向型（向上或向前发展、增长的指标，这些指标值越大评价越好）和反向型（向下或向后发展、减少的指标，这些指标值越小评价越好），假设各二级指标相对于一级指标均为线性变化。具体评价体系及推荐权值如表2所示。

假设有i个对象，j个评价指标，每个指标的原始值为xij。结合表1中评价指标权重及上下界限，对评价指标的原始值进行线性标准化［4］：

表2 城市燃气管网承载力评价指标及权值表

对于正向指标，选用公式如下：

除此之外，本文还涉及定性指标评价，选用yk表示，C5、C7、C11、C12适用。

式中，yij为标准化后数值；xij为指标原始值；xi需为指标应满足的最小条件，指标C1对应为某分区用气负荷，指标C2对应为用户用气最低压力，取0.05 MPa；min(xj)为指标最低值；max(xj)为指标最高值；yk为专家评分。

评分标准为：无为0；非常差为0.1；很差为0.2；较差为0.3；差为0.4；一般为0.5；好为0.6；较好为0.7；很好为0.8；非常好为0.9；极好为1.0。

2.3.2 城市燃气输配管网承载力公式

综上，得到城市燃气输配管网承载力计算公式。

当Hrq＞1.5时，表明燃气设施承载力盈余；当1.2＜Hrq≤1.5时，表明燃气设施承载力可以满足需求；当1.0＜Hrq≤1.2时，表明燃气设施承载力不足；当Hrq≤1.0时，表明严重超载。

3 燃气输配管网承载力评价案例

以北京市通州区台湖镇某产业基地为例进行燃气输配管网承载力的分析。该地区为新开发用地，考虑到数据较全面且有必要对规划燃气输配管网进行承载力评价，故根据建筑规模及用地等数据，将该研究区域分为4部分（分区Ⅰ、分区Ⅱ、分区Ⅲ、分区Ⅳ）做如下评价（表3）。

表3 产业基地基本情况表

用气情况。该地区现状门站及高压A调压站已基本满足负荷运行，故新建高A调压站1座，高B调压站2座，次高压调压站1座；用气结构分为炊事用气、采暖用气、制冷用气、能源中心发电用气和其他用气。本地区管网利用率达98%，燃气普及率达100%，事故率取1次／（1×103km·a），管网的泄漏率按2%计算，中压燃气管网设计压力为0.4 MPa，其他指标如下表4所示。

根据承载力的计算公式（6），结合北京地区《十二五供热发展规划》《城镇燃气设计规范》及燃气规划发展中相关数据，可得每个分区的承载力情况。其中分区Ⅰ得分1.63，分区Ⅱ得分1.60，分区Ⅲ得分1.64，分区Ⅳ得分1.62。上述各分区燃气输配管网承载能力得分均在1.5以上，可见，承载力有盈余。

表4 产业基地各分区数据汇总表

该高端总部基地为新建工程，管网及场站较新，用气需求能够得到很好的保证。根据各分区承载力的计算结果，得出该基地的综合燃气管网承载能力为1.62，属于承载力有盈余等级。可见，该用地范围内的燃气供应规划方案满足用气要求，已基本形成了统一的供气系统，管道燃气覆盖率较高，燃气管网漏损率较低，运营管理水平较好，可以保障供气的安全性和可靠性。