管网仿真技术提升燃气安全管理水平
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城市燃气作为人民生活中不可或缺的一部分，燃气管网已成为城市能源运行的生命线，牵一发而动全身，关系着万千百姓和整个城市的安全。燃气管网安全运营是城市燃气事业发展的前提，是燃气企业的灵魂。
五十多年来，北京燃气始终将“安全是魂、预防在先”的理念作为指导思想和企业安全管理工作的基本原则，并通过各种方式逐渐摸索出一条行之有效的安全管理模式。本文就生产信息化技术和仿真预测技术对燃气管网安全管理的作用作一浅谈。
一、北京市燃气用量逐年攀升
随着北京燃气事业的发展和人民生活水平的提高，北京市天然气需求逐年递增，年平均增长率达19%，2012年北京燃气集团年用气量已达84亿立方米，在全市能源消费结构比例中由7.0%增加到13.4%。初步预测，2015年北京市用气总量将达到180亿立方米，高峰日用气量将超过1亿立方米；到2020年，年用气总量将达到280亿立方米，冬季高峰日用气量将达到2亿立方米。
从用户结构看，北京市的燃气用户由原来以采暖、炊事用气为主，发展到目前以采暖、发电、炊事为主，向趸售、天然气汽车、三联供拓展的局面。为做好PM2.5治理工作，北京市燃气集团将以四大热电中心、锅炉煤改气等大型集中负荷为依托，结合新城和重点园区规划，发展较为集中的分布负荷，促进能源清洁转型，为建设绿色北京做好清洁能源供应。
从上游供应看，目前中石油主要通过陕京一线、二线、三线向北京市供气，随着下游市场的开发，长输管线等配套设施也在逐步规划建设。“十二五”末期，上游将完成陕京四线工程、大唐煤制气工程、唐山LNG工程，最终形成10MPa高压外环。
从城市管网规模看，截止目前，北京市燃气管网共有7座城市门站，670余座调压站，14500余座调压箱，管网长度1.4万余公里，覆盖了除延庆外的全市所有区域。到“十二五”末期，北京市将形成“三种气源、六条通道、两大环线、九座门站、六种级制”的多源、多向、多级燃气供应接收体系（见图1）。
用气需求迅速飙升，管网规模急速扩充、气源通道逐渐增加、用户类型日趋多样等发展趋势将引发气源置换、管网合理布局、气源分配优化等一系列新兴课题，而所有课题面临的任务均指向“安全运行”这一灵魂，再有经验的管理人员也不可能通过历史经验解决未来所面对的所有问题，惟有依托生产信息化技术手段和全面、完备的管网数据积累，将历史经验和智能分析相结合，实现更智慧的决策，切实提升管网安全运行管理水平。
二、智能化管网提升安全管理
早在1987年，北京燃气就开始注重生产运营管理中的信息化建设，当时管网规模小、气量少，所以信息化程度不高。随着社会经济的发展，城市燃气需求不断增长，燃气管网规模不断扩大，确保城市燃气管网运营安全、做好未来发展规划，实时掌握各类数据信息并能准确进行分析成为必须。2002年，北京燃气开始对燃气管网实施SCADA监控系统、地理信息系统、仿真预测系统的建设，至2004年，三大系统上线运营，开启了北京管网信息化管理的新时期。
2008年，为保障北京奥运会期间燃气管网安全运行、提高突发事件处置能力，燃气集团结合GPS定位系统，建成了应急指挥平台，以实时跟踪应急指挥车，实现了应急指挥车与运营调度中心的实时交互，提高了应急抢修效率，减少了应急指挥人员的投入。该平台的建设作为一项管理创新项目，荣获了北京市的表彰与肯定。
2010年，随着北京燃气管理模式、组织机构的调整，为规范生产运行管理，提升运行质量，及时发现安全隐患，降低事故发生率，优化生产运行管理模式，建成了生产运营系统与带起作业系统，以规范各分公司生产运营管理。同时，随着燃气用户的多样性发展，为满足需求侧管理，建成了非家用远程计量数据监控系统，实现了对燃气大用户用气情况全面、及时的控制和管理。
燃气管网规模继续扩大、天然气用量继续上涨，对各类信息化系统的要求不断提高。为更好地掌握用户用气规律，了解其使用需求，为仿真预测系统提供更多的数据支持，提高管网管理、用气计划管理水平，2012年北京燃气对SCADA监控系统进行了全面升级改造，同时建成了阴极保护远程监测系统，以实时监测、分析管道重要节点的腐蚀情况，提供建议及措施。
经过2004-2005年度 “气荒”、2008年的奥运会燃气服务保障任务、2009-2010年度“压量保供”以及2012-2013年度“气量调控”的严峻考验，同时经历了上百次应急抢险的艰苦磨练，无论在硬件还是软件方面，北京燃气生产信息化技术都达到国内一流水平，成为中国燃气行业一面旗帜，业务从单一的调度运行拓展到应急救援、重大活动保障、重大工程配合、计量管理、管网工况仿真、燃气负荷预估等多个领域，成为北京燃气生产运营管理和指挥的中枢神经系统。
经过十多年的发展和完善，北京燃气始终将“安全是魂、预防在先”这一安全理念植入生产信息化系统，按照“统一规划、分步实施、统一标准、规范建设、资源共享、安全保密”的原则，使生产信息化系统由“经验型——个体化”管理向“经济型——协同化”转变，依托更完整的数据和更全面的感知，完成更智慧的分析决策，一方面为建设智能管网、安全运行打下坚实基础，另一方面为促进北京市物联网建设、造福民生、构建和谐社会做出了贡献。
三、管网仿真预测技术支撑安全运营
管网仿真技术是生产信息化系统的重要组成部分，是实现智能燃气管网不可或缺的手段，是实现生产运营安全管理的重要技术支撑。通俗地讲，管网仿真就是管网模拟，模拟管网运行状况，包括压力、流量、温度等参数的变化，将工况变化结果进行分析，为管网安全运行和未来规划提供技术支撑。
管网仿真技术在实际生产中的功能主要有气源追踪、组分跟踪、管网超压（欠压）分析、管存及存活时间分析、压力（流量）分布等。
1.气源追踪。实时动态监测不同气源来向的气体在管网内的分布及流向，使管理人员随时掌控管网内的气源分布，密切关注混气区的变化及其压力、气质状况。由于管网中的“压力零点”（压力低点）往往发生在两个气源的交界面附近，通过气源追踪可实时关注压力零点的“漂移”情况，确保“压力零点”的运行风险处于可控状态（见图2，不同颜色代表不同的气源来向，灰色代表两个气源的混气区）。
2.组分跟踪。通过从气源点色谱仪获取的组分信息，实时动态跟踪和分析管网中某些敏感和重要站点的组分、气质变化，了解某种某些组分在一定条件下可能造成天然气析出或冻堵现象，提前预判并做好防范措施。
3.管网超压、欠压分析。分析管网中各个节点的压力情况，通过对管网中超压或欠压的管线进行彩色化定位，实现对管网中压力异常区域的全天候监控，时刻提醒管理人员管网的运行状态，确保各类运行风险在可控范围内（见图3、图4）。图3中红色区域表示次高压管网压力低于0.65MPa的区域；图4展示了高压B管网中重要站点的进口压力情况，根据进口压力变化情况，管理人员可及时采取措施确保高压B管网处于优化、平衡状态。
四、应用仿真预测技术的必要性
（一）天然气峰谷比加大，管网安全调度难度提高
北京作为典型的北方城市，冬夏气候差异较大，天然气需求波动幅度高。2012年北京市天然气用量达92亿方（含燕化约3.5亿方），比2011年（76亿方）增加约16亿方，增幅21%，天然气消费量位居全国各大城市之首。2012年本市天然气日峰值达6423万方，峰谷比达16∶1，用气峰谷差进一步加大，对管网规划、气量计划和管网安全调度都是一个严峻挑战。
（二）大管网、大气量、多气源、大用户等趋势加大管网安全运营难度
根据“十二五”燃气规划，北京市燃气管网将形成以六环路以内为中心，向远郊区县辐射的供气格局，燃气管线将遍布除延庆以外的其它所有北京地区，城市门站将扩建到17个。天然气气源种类也将空前繁多，除了长庆气田气外，新疆塔里木气、中亚气、唐山LNG气化气、大唐清洁煤制气以及未来可能的非传统天然气（页岩气和煤层气），在未来都将进入城市输配管网。大型热电中心、分布式能源等大负荷用气，对天然气安全稳定供应的要求较高，燃气机组启停时负荷变化对燃气管网造成的冲击等加大了燃气管网安全运营的难度。
面对如此庞大的管网规模、气量需求以及繁多的气源种类，任凭多有经验的专业人员也无法通过简单的分析判断而对管网进行规划和调度。如何做好管网安全运行已成为一个现实而紧迫的问题，而管网仿真预测技术能为合理管网规划、降低固定资产投资成本、安全调度运营、稳定燃气供应提供技术支持和解决方案，无疑是提升管网安全运行管理的重要手段。
管网仿真预测技术与SCADA系统、GIS系统（地理信息系统）紧密结合，为管网管理人员实时提供可视化的管网前景预测，对不利因素提前做好预判并采取相应措施，实时确保燃气管网处于安全运行状态。管网仿真预测技术就像燃气管网安全运行管理的左膀右臂，而不使用此技术则像在一个庞大且陌生的城市开车不使用GPS，驾驶员会感到迷茫无力，有时甚至会陷入危险境地。
五、管网仿真技术提升安全管理水平
管网仿真预测技术是智能化燃气管网建设中的一个重要环节，是提升燃气管网安全运营的重要辅助手段。近十年来，仿真预测技术得到了充分应用和长足发展，无论在硬件发展还是软件实力上已成为行业的领头羊。管网仿真预测技术主要在以下方面提高了北京燃气的管网安全运营管理水平。
（一）增强燃气管网规划手段，确保管网规划与实际运行相吻合
管网仿真预测技术是城市管网规划设计的重要手段，在有效降低投资成本的前提下，确保管网规划满足未来用户发展需求，实现安全稳定供应。
2003年以前，北京市做燃气管网规划时使用长输管道的仿真预测技术，虽然同为燃气输送管道，城镇燃气管网与长输管道在运行特点上有很大的不同，主要区别在于：长输管道单气源、一条主干线上运行，管道分布在人烟稀少地区；而城镇燃气管网是多气源、管网密布并环环相扣、压力级别较多，分布在人口密集地区，调度运行要求较高。因此，随着管网复杂程度的提高，长输管道仿真预测技术已不能适用于城市燃气管网的规划；而采用基于实际管网状态的工况仿真预测系统后，管网规划建设对实际管网工况起到了较大的优化作用。
（二）仿真预测技术提升“安全调度、优化调度”管理水平
一方面，仿真预测技术使调度运行由“经验管理”走向“科技管理”，极大减少了“经验不足”带来的调度安全隐患，使得调度管理人员可在短时间内掌握管网运行特性和调度手段，使管网工况更优化、合理，管网供应系统的安全得以保障。另一方面，可增强管网工况的预见性和分析性，对不安全因素提前做出预判并采取措施，确保管网运行始终处于可控、安全的状态。
图5展示了某时段燃气管网的管存变化情况预测：管存变化可使管理人员实时了解管网的可用管存变化情况，为管网设备的维、检修等计划作业把好“时间关”，确保作业时管网处于安全状态，同时最大限度降低由于作业带来的气量损失。图6展示了某时段管网接收气量的变化情况预测，管理人员依此可提前做好用气高峰时段的相关准备工作，确保管网安全稳定供气。
（三）预测分析，消灭安全隐患
鉴于燃气供应的季节特点，北京供暖季期间（11月15日——3月15日）用气负荷急增，是管网安全事故的高发期。管网仿真预测技术使供暖季管网工况预测和运行分析变得轻而易举，根据预测分析结果编制《供暖季天然气供应方案》和《供暖季天然气供应总结》，为高峰时段可能出现的安全隐患提前做出预判，及时采取方法措施，将隐患消灭在萌芽状态；调整管网规划、调压站的建设及维、检修工作，为管网的安全运行以及下一年度的稳定供应打下坚实基础。