城市燃氣供應突發(fā)事件情景構建方法研究

翟振崗，劉克會，朱 偉

(1.北京市新技術應用研究所,北京 100094；2.燃氣、供熱及地下管網(wǎng)運行安全北京市重點實驗室，北京 100035;3.北京城市系統(tǒng)工程研究中心,北京 100035)

隨著城市對燃氣的依賴程度越來越高，許多城市燃氣用氣量迅速飆升，管網(wǎng)規(guī)模急速擴充，氣源通道逐漸增加，用戶類型日趨多樣。2017年中國多個地區(qū)天然氣出現(xiàn)嚴重缺口，環(huán)保部印發(fā)《關于請做好散煤綜合治理確保群眾溫暖過冬工作的函》特急文件，河北省制定了《河北省天然氣迎峰度冬應急預案(2017—2018)》，建立天然氣需求側管理機制，緊急應對燃氣短缺事件。燃氣系統(tǒng)自身各要素之間及其與外部環(huán)境各要素之間的關聯(lián)性不斷增強，一旦出現(xiàn)上游氣源短缺或事故，極易造成燃氣供應不足、供熱低溫運行、電力拉閘限電，會影響居民生產生活。但目前對燃氣突發(fā)事件的研究多集中在燃氣泄漏、燃氣爆炸等傳統(tǒng)安全事故方面[1-2]，而對燃氣供應突發(fā)事件演化及應對的研究相對缺乏。

美國自“9·11”恐怖襲擊事件之后，開始重視突發(fā)事件情景構建研究。美國國土安全部與聯(lián)邦多個部門合作完成《國家應急規(guī)劃情景》[3]，并通過人口、基礎設施和政策之間復雜相互作用的研究，提出災害事件情景分析建模與仿真方法[4]。在情景設定的基礎上，美國開發(fā)了“通用任務表”，詳細界定了美國各級政府和私營部門在應對突發(fā)事件的預防、保護、響應和恢復過程中的任務。德國從2004年開始圍繞“重大突發(fā)事件情景”持續(xù)性開展了跨州演練工作[5]。近幾年，我國開展了非常規(guī)突發(fā)事件的情景表現(xiàn)、推演和“情景-應對”型應急決策方法等方面的研究，劉鐵民[6]認為“情景-應對”是在對以往事件發(fā)生及運行規(guī)律的認識和收斂的基礎上，研究制定相應的應對措施。王旭坪等[7]從關鍵要素及其作用機理的提取與表示、多源信息融合下應急情景鏈構建、面向情景-應對的結果研判和應對效果實效評估4個方面，提出非常規(guī)突發(fā)事件情景構建與推演方法體系。王紅衛(wèi)等[8]通過對應急仿真演練中情景要素、要素屬性及其關系分析，提出基于知識元模型的應急情景構建。張輝等[9]提出“數(shù)據(jù)融合-模型推演-案例推理-心理行為規(guī)律”綜合集成的“情景-應對”型應急決策理論和方法。突發(fā)事件情景構建需要多種數(shù)據(jù)、模型和知識的有機融合，目前對突發(fā)事件情景的表達、分析與推演等關鍵技術研究還處于探索階段，已有文獻的研究重點主要集中在突發(fā)事件情景構建的概念、過程、通用方法等方面。

在基礎設施領域，DAVIS[10]進行了地震條件下供水情景構建；ZHANG等[11]研究電力和天然氣協(xié)調調度方法，以提升其整體效益；CHAUDRY等[12-13]利用多時段概念，建立燃氣與電力網(wǎng)絡聯(lián)合優(yōu)化模型，重點對燃氣與電力設施相互作用進行了模擬，但未考慮供熱系統(tǒng)及其對城市服務的影響。筆者針對城市燃氣空間分布廣、系統(tǒng)耦合性強等特點，提出燃氣供應突發(fā)事件情景構建框架，明確了城市燃氣供應短缺可能引發(fā)事件的分類，并通過城市燃氣系統(tǒng)關聯(lián)與常規(guī)情景構建方法的有機融合，建立燃氣與熱力、電力系統(tǒng)關聯(lián)模型，第一次提出燃氣供應突發(fā)事件多層次情景構建方法，可實現(xiàn)該類突發(fā)事件演化及應急任務的全過程模擬分析。

1 燃氣供應突發(fā)事件情景構建框架

情景構建是通過對典型案例的分析，系統(tǒng)整合多個同類事件和預期風險，實現(xiàn)某一類突發(fā)事件普遍規(guī)律的全過程、全方位、全景式系統(tǒng)描述[14-15]。在對國內外燃氣供應典型事件分析的基礎上，采用廣泛應用于大型復雜系統(tǒng)規(guī)劃、組織和管理的霍爾三維結構，提出燃氣供應突發(fā)事件情景構建框架，如圖1所示。分類維表示燃氣供應突發(fā)事件可能引發(fā)的事件類型，邏輯維表示事件影響的層次，時間維是按照突發(fā)事件發(fā)展與應急處置的特征，將其劃分為不同的情景階段。情景框架中3個維度密不可分，燃氣供應引發(fā)的各類事件隨著時間進程而相互耦合，并分別或共同作用于設施、服務、社會等不同層面，從而形成突發(fā)事件的不同階段性特征。通過3個維度系統(tǒng)地、交叉地、動態(tài)地、周而復始地應用，可實現(xiàn)燃氣供應突發(fā)事件情景的全過程、全方位描述。

圖1 燃氣供應突發(fā)事件情景構建框架

2 引發(fā)事件分類及特點

城市燃氣運行問題主要包括供應短缺、安全事故、燃氣質量等，根據(jù)城市燃氣供應短缺對城市運行各個方面影響的性質、特點、應對方法等的差異，可以將事件分為5種類型，分別為供應短缺、控制中斷、設備損壞、需求引發(fā)和偶發(fā)事故，如圖2所示。

圖2 引發(fā)事件分類及典型事件

(1)供應短缺類事件。城市燃氣作為重要的一次能源，為城市運行過程的多個領域提供了必要的輸入和支撐，一旦出現(xiàn)短缺會直接導致燃氣發(fā)電廠能源不足，同時使大量區(qū)域燃氣供熱鍋爐房停機，導致供熱低溫運行，極端情況下可能導致居民生活用氣緊張。

(2)控制中斷類事件。城市系統(tǒng)運行需要電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)為其提供動力與控制，一旦電力短缺，可能導致部分區(qū)域電力供應中斷甚至大面積停電，如果缺乏備用電源，將導致該區(qū)域內多種基礎設施供應中斷，嚴重時會對整個城市運行系統(tǒng)造成嚴重影響。

(3)設備損壞類事件。由于燃氣供應短缺發(fā)生比較突然，若不能及時采取有效措施調整或關閉相關設備，則會導致燃氣供應失衡，極易引發(fā)燃氣設施損壞。同時，燃氣、熱力、供水等系統(tǒng)如果遭到突然斷電，可能引發(fā)水錘、電機損壞等事故。

(4)需求引發(fā)類事件。由于供應短缺或需求急劇增加導致居民生活許多需求難以滿足，這種情況下容易出現(xiàn)居民集中購買等行為，引發(fā)搶購、物資短缺等現(xiàn)象。①由于供熱低溫運行，可能出現(xiàn)搶購取暖保暖用品；②供熱問題會導致醫(yī)療需求增加，引起部分藥品短缺；③若事件未得到很好的引導，可能導致謠言傳播，甚至引發(fā)群體性事件。

(5)偶然發(fā)生類事件。城市燃氣供應短缺或停氣，導致居民采用煤炭、電力等采暖，由于生活習慣的改變，可能引發(fā)CO中毒、觸電、火災等偶發(fā)事故。

3 多層次情景構建方法

城市燃氣供應突發(fā)事件可能對城市基礎設施、公共服務、社會生活等方面產生影響，朱偉等[16]將該影響劃分為設施、服務、社會3個層面，筆者對各層面事件演化特征進行分析，通過不同層面的模擬與分析，提出多層次情景構建方法。

3.1 設施層面模擬

3.1.1 燃氣與熱力、電力系統(tǒng)關聯(lián)模型

城市燃氣作為城市運行的重要基礎設施，直接為供熱、電力系統(tǒng)提供能源，隨著我國北方煤改氣的不斷推進，城市供熱對燃氣的依賴越來越強。而城市除了外輸電源外，城市電廠也多采用燃氣作為燃料，形成了燃氣、熱力、電力3個系統(tǒng)之間的緊密關聯(lián)關系。燃氣、熱力、電力均以網(wǎng)絡形式運行，故采用美國愛達荷實驗室建立的關鍵基礎設施建模框架進行建模[17]，將熱電廠、鍋爐房、燃氣門站、調壓站等定義為網(wǎng)絡節(jié)點，將城市燃氣、熱力、電力系統(tǒng)中的主干線定義為網(wǎng)絡的邊。在燃氣供應突發(fā)事件中燃氣、熱力、電力3種系統(tǒng)之間存在兩類相互作用。燃氣與熱力、電力設施聯(lián)調聯(lián)供模擬如圖3所示。

圖3 燃氣與熱力、電力設施聯(lián)調聯(lián)供模擬

(1)輸入-輸出相互作用。兩個系統(tǒng)物質和能源之間的關系可稱為輸入-輸出關聯(lián)[18]。通過調研每個熱電廠、用于供熱的燃氣鍋爐房等的燃氣使用情況以及產出電力、供熱面積，確定各個節(jié)點燃氣、熱力、電力3個系統(tǒng)之間的輸入-輸出關系，建立相應的變化函數(shù)。熱電廠在運行過程中同時產生熱力和電力的輸入，國內外對常態(tài)下熱電廠熱力和電力產出優(yōu)化分配開展了大量研究[19]，在突發(fā)事件情況下需對其產出熱力、電力負荷進行優(yōu)化調整，實現(xiàn)熱力、電力供應的整體最優(yōu)化。

(2)替換型相互作用。姚保華等[20]將一個系統(tǒng)的失效造成對其可替換系統(tǒng)的過量需求稱為替換型相互作用。燃氣系統(tǒng)供應短缺導致供熱低溫運行甚至供熱中斷，居民采用空調、電暖器等設備取暖，造成電力負荷增加，形成典型替換型相互作用關系鏈。替換型相互作用是通過不同區(qū)域居民的反應而產生作用。燃氣短缺情況下會出現(xiàn)部分區(qū)域供熱溫度很低，極端情況下可能會出現(xiàn)供熱中斷，則該區(qū)域電力負荷會顯著增加；而不采用燃氣作為燃料的供熱區(qū)域，供熱不受影響。因此可依據(jù)供熱異常與電力負荷變化在不同區(qū)域的映射關系，建立替代型作用函數(shù)，實現(xiàn)各區(qū)域電力負荷變化的估算。

3.1.2 設施層情景過程模擬

(1)燃氣-熱力系統(tǒng)分析。城市燃氣管網(wǎng)日常運行模擬工具已經相對成熟，較為成熟的管網(wǎng)模擬軟件有挪威DNV GL公司的Syneigi Gas、美國GREGG公司的Win Flow、美國SSI公司的TGNET等，應用成熟軟件開展不同供應短缺情景，對管網(wǎng)運行壓力、流量、溫度等參數(shù)進行模擬，模擬不同應對措施下管存變化趨勢。

筆者從控制難度和控制效果兩個角度制定燃氣供應措施，在燃氣供應突發(fā)事件初期，為了保障燃氣管網(wǎng)安全，必須快速降低燃氣負荷，因此，需要按照控制難度從低到高的原則進行應急處置，即盡快關閉燃氣熱電廠等大用戶，以保證燃氣負荷在30min內降低到管網(wǎng)安全負荷之內。

在保證管網(wǎng)安全條件下，為了保障城市不同區(qū)域、不同熱源區(qū)域供熱的整體平衡，需盡快大幅度壓縮用于供熱的燃氣鍋爐房的用氣量，由于燃氣鍋爐房數(shù)量眾多、位置分散，需要發(fā)動區(qū)縣、街鄉(xiāng)鎮(zhèn)等各級管理力量，實現(xiàn)鍋爐房用氣調整與監(jiān)督，預期需要1～2天時間。

在城市燃氣負荷壓減到位后，為了保障供熱的相對均衡，需重啟部分熱電廠，部分恢復供熱，最終實現(xiàn)采用燃氣作為能源的供熱區(qū)域的室溫相對一致。突發(fā)事件與控制措施共同作用下某調壓站供應量變化情況如圖4所示。

(2)電力系統(tǒng)分析。通過燃氣、熱力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)模擬分析，電力系統(tǒng)在燃氣供應短缺情況下，將出現(xiàn)電力整體供應能力不足和局部電力設備過載兩類問題。

圖4 突發(fā)事件發(fā)生后某調壓站供應量變化

在電力整體供應方面，當部分熱電廠停機時，首先調用備用負荷，在仍不能滿足電力缺口的情況下，按照先錯峰、后避峰、再限電、最后拉閘的原則，有序開展用電工作。電力部門需根據(jù)燃氣供應缺口數(shù)量，確定電力缺口；根據(jù)電力缺口嚴重程度，按照調度范圍和調度權限，確定電力拉路限電序位執(zhí)行條件、執(zhí)行步驟及相關部門聯(lián)動措施。

在熱力系統(tǒng)溫度逐漸下降后，供熱用戶約在2～4 h后感覺到室溫下降，并逐步啟動電熱采暖裝置，電網(wǎng)負荷改變日常運行趨勢，出現(xiàn)顯著上揚。根據(jù)電網(wǎng)冬季運行方式分析，找出可能出現(xiàn)過載的變壓器和電網(wǎng)，為避免過載導致設備事故，需及時執(zhí)行拉路限電措施。

3.1.3 典型案例情景模擬

對我國北方某城市不同燃氣供應缺口的情景進行模擬，得到的分析結果如表1所示。

表1 不同燃氣供應缺口情景模擬結果

3.2 服務層面影響分析

燃氣供應短缺會對商業(yè)、衛(wèi)生等城市運行服務系統(tǒng)造成影響。

(1)商業(yè)。由于燃氣、電力存在缺口，為優(yōu)先保障居民生活用氣和基本的供熱需求，應盡量降低或關閉商場供熱。此外，供熱低溫運行、停電等事件將導致市民搶購保暖、采暖用品，以及手電筒、蠟燭等照明用品。

(2)衛(wèi)生。室內溫度持續(xù)低于供暖標準，老年人、小孩或者體質虛弱的人會出現(xiàn)不適癥狀，可能出現(xiàn)呼吸系統(tǒng)疾病、感冒等，并導致心臟病、高血壓等病人病情加劇，進而導致醫(yī)院門診病人急劇增加。

3.3 社會層面影響分析

由于燃氣供應短缺事件將影響熱力、電力等多個方面，嚴重影響居民生活，如果不能做好事件信息及時通報與群眾引導，可能出現(xiàn)居民強烈不滿，加上部分不法分子挑撥，容易出現(xiàn)聚眾鬧事等群體性事件。

4 應急階段劃分與任務分析

通過對燃氣供應突發(fā)事件引發(fā)各類事件及其演化過程進行梳理，可以將應急過程劃分為先期處置、響應升級、全面響應、善后恢復4個階段，下面對不同階段主要特征及應急任務進行分析。

4.1 先期處置階段

先期處置階段一般為事件發(fā)生后的0～4 h，為保證燃氣、熱力、電力設施安全，需要采取緊急措施，燃氣、電力、熱力系統(tǒng)根據(jù)專業(yè)預案及實際情況快速響應。盡快進行熱電廠鍋爐房停機及燃氣大型鍋爐房停運，并向社會發(fā)布事件初步信息。

燃氣企業(yè)：關閉相關門站、管道閥門，避免出現(xiàn)超流速等現(xiàn)象，確保設施不受損壞；盡快通知熱電廠停機，避免由于燃氣壓力不足，導致被迫停機，損壞發(fā)電、輸電設備。

電力企業(yè)：收到燃氣事件信息后，立即采取停運燃氣鍋爐措施；同時拉閘限電，避免出現(xiàn)電力供需不平衡，導致設施設備損壞。

熱力企業(yè)：停運燃氣鍋爐，調整管網(wǎng)運行，避免出現(xiàn)故障。

政府部門：政府確認事件信息，召集相關部門成立城市燃氣供應突發(fā)事件應急指揮部，發(fā)布事件初步信息，穩(wěn)定社會輿論。

4.2 響應升級階段

響應升級階段一般為事件之后的4～48 h，從專業(yè)緊急處置完成開始，到城市燃氣負荷控制措施全面實施，并達到燃氣供需基本平衡結束。重點任務是全力降低燃氣負荷，開展全面救助。

燃氣企業(yè)：與政府溝通，共同制定降低城市燃氣負荷方案，全力推進限氣方案落實。

市政部門：與燃氣企業(yè)共同制定限氣方案，由政府發(fā)布限氣方案并要求相關企業(yè)、居民執(zhí)行，市、區(qū)、街道、社區(qū)、NGO等全面行動起來，降低城市燃氣負荷。

電力企業(yè)：啟動燃煤發(fā)電機組，優(yōu)化限電方案，減少限電影響。

熱力企業(yè)：執(zhí)行限氣方案，逐漸降低供暖溫度，保障設備安全。

民政部門：救助老弱病殘孕幼等特殊人群，發(fā)放采暖保暖用品。

工商部門：控制及調取采暖保暖用品，維持市場平穩(wěn)。

衛(wèi)生部門：密切關注低溫導致的疾病發(fā)生情況，保障藥品供應。

醫(yī)院：室內溫度降低，導致相關疾病人數(shù)增加，發(fā)揮社區(qū)醫(yī)療的基礎作用，采取全方位的疾病救治措施，避免出現(xiàn)大醫(yī)院人滿為患的現(xiàn)象。

發(fā)改部門：保障煤炭供應，與電力公司共同制定限電方案，并推進方案執(zhí)行。

4.3 全面響應階段

全面響應階段從燃氣負荷達到平衡開始，到燃氣供應恢復正常結束。重點任務是監(jiān)測與控制設施運行情況，維持社會平穩(wěn)，監(jiān)測內容包括：①“限氣方案”、“限電方案”等的執(zhí)行情況；②燃氣、熱力、電力等設施設備運行情況；③低溫引發(fā)疾病發(fā)展及救治情況；④保暖采暖用品市場情況；⑤老弱病殘孕幼等特殊人群救助情況；⑥食品藥品市場供應及其價格。參與主體包括燃氣、供熱、電力等企業(yè)，以及市政市容、發(fā)改、衛(wèi)生、民政、工商等政府部門。

4.4 善后恢復階段

善后恢復階段從燃氣恢復正常運行開始，主要任務是熱力、電力等逐漸恢復，避免事故發(fā)生。隨著燃氣設施修復或補充氣源，城市燃氣供應逐漸恢復正常，逐漸恢復電熱廠、鍋爐房等的正常運行，城市供電、供熱等逐漸恢復正常。

5 結論

(1)在情景構建常規(guī)方法的基礎上，針對燃氣與熱力、電力復雜耦合的特點，提出城市燃氣供應突發(fā)事件情景構建框架，完成燃氣供應短缺引發(fā)事件分類，可實現(xiàn)燃氣供應突發(fā)事件情景的全過程、全方位描述。

(2)提出燃氣、熱力、電力3種網(wǎng)絡之間的相互作用關系，建立燃氣與熱力、電力設施聯(lián)調聯(lián)供模擬方法，實現(xiàn)了燃氣供應短缺事件在燃氣、熱力和電力系統(tǒng)之間的演化過程模擬，可為網(wǎng)絡狀基礎設施突發(fā)事件情景研究提供思路與方法。

(3)提出燃氣供應突發(fā)事件應對的先期處置、響應升級、全面響應、善后恢復4個階段，實現(xiàn)對該類突發(fā)事件各階段應急任務的梳理。

(4)由于城市燃氣系統(tǒng)運行極為復雜，各種關聯(lián)關系的定量描述存在困難，亟需在深度調研及數(shù)據(jù)積累的基礎上，通過數(shù)據(jù)分析與挖掘對模型進行細化與改進，提高模型的準確性。