综合能源系统下天然气管网供气可靠性评价方法综述_池立勋.pdf

512 0 2 3 年 2 月第 3 5 卷第 1 期油 气 与 新 能 源文章编号：2097-0021（2023）01-0051-10综合能源系统下天然气管网供气可靠性评价方法综述池立勋1,2，郝迎鹏2，郑龙烨2，黄骞2，杨坤3，苏怀1，张劲军11.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院；3.中国石油天然气股份有限公司天然气销售江苏分公司引用：池立勋,郝迎鹏,郑龙烨,等.综合能源系统下天然气管网供气可靠性评价方法综述J.油气与新能源,2023,35(1):51-60.摘要：在综合能源系统背景下，可再生能源发电的间歇性、随机性传递到天然气管网，导致供气可靠性评价在不确定性来源、系统行为分析、评价时间尺度等方面都产生了新特点。因此，以综合能源系统背景下的天然气管网为研究对象，分析了供气可靠性评价的关键问题：复杂系统中不确定性量化、不确定性在系统中的传播过程、扰动对系统影响的不确定性等。提出了需要强化设备、市场和可再生能源出力的时序性和概率性耦合量化以满足系统实时供气可靠性分析、需要在考虑能源系统协调优化的基础上提升系统复杂度表征准确性和效率、需要创新探究实时后果不确定性分析方法等思路，为天然气供气可靠性评价提供了借鉴。关键词：天然气管网；综合能源系统；供气可靠性 中图分类号：TE832 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2097-0021.2023.01.007Review of Assessment Method of Supply Reliability for Natural Gas Pipeline Networks in Integrated Energy Systems CHI Lixun1,2,HAO Yingpeng2,ZHENG Longye2,HUANG Qian2,YANG Kun3,SU Huai1,ZHANG Jinjun 11.National Engineering Laboratory for Oil and Gas Pipeline Transportation Safety/Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Transmission and Distribution Technology,China University of Petroleum,Beijing;2.PetroChina Planning and Engineering Institute;3.PetroChina Natural Gas Marketing Company Jiangsu BranchAbstract:In Integrated Energy Systems,the intermittency and randomness of renewables affect the natural gas pipeline network,which leading to new characteristics in gas supply reliability assessment from perspectives of uncertainty sources,system behavior analysis,evaluation time scale,etc.Therefore,taking the natural gas pipeline networks under the background of Integrated Energy Systems as the research topic,this paper analyzed the key issues of gas supply reliability assessment:the quantification of uncertainties in complex systems,the propagation process of uncertainties,and the uncertainties of the impact of disturbances for the system.We proposed some ideals:strengthen the coupling quantification between timing and probabilistic for equipment,market environment and renewables to meet the real-time gas supply reliability analysis;improve the accuracy and efficiency of the system complexity characterization on the basis of considering the coordination and optimization of energy systems;innovate and explore the real-time uncertainty analysis method.Then,These ideas could provide a reference for the future supply reliability assessment of natural gas pipeline networks.Keywords:Natural gas pipeline networks;Integrated energy system;Supply reliability0引言目前世界能源主要以化石燃料为主，能源系统的碳排放是温室气体总排放主要来源。面对全球气候危机的挑战，大规模发展和利用可再生能源、天然气发电、电制氢等清洁能源技术，为推动世界能52油气与新能源 经济与管理Vol.35 No.1 Feb.2023源系统可持续发展提供了有效的途径。能源领域的科技创新、政治和社会经济的发展促进了全球能源系统的转型：从主要以化石燃料为基础转变为以可再生能源和高效率为核心的能源体系。能源的形态、技术、网络结构、运营理念、商业模式等能源系统主体要素的根本性变革推动能源体系向着绿色、清洁、高效、安全方向发展1。能源系统中可再生电力占比的不断上升，对电力系统的灵活调度提出了更高的要求。一方面，风电和光伏等可再生能源的出力具有很强的波动性和不确定性，需要更大的电力储备和更加灵活的调峰措施来保障电力系统的安全可靠运行，而天然气发电操作灵活、响应时间短、爬坡速率快，是实现电力系统日调峰和季节性调峰、缓解可再生能源波动对系统安全影响的重要手段。另一方面，为缓解弃风和弃光等资源浪费现象，可以采用电转气技术将富余的可再生电力转化为氢气进行存储和利用，提升能源的利用效率。综合来看，天然气发电设备（燃气机组）和电制氢设备的运行都涉及到不同能源系统间的协调，对通过提升可再生能源占比来降低碳排放、灵活调控各个能源系统的运行具有重要作用。能源系统的灵活调控依赖于各个能源系统之间的交互：基于能源转化技术将电力、天然气、热等能量进行转换；通过数据网络、运输技术等基础设施协调不同能源系统的运行。能源转型背景下，天然气发电、电制氢技术、热泵等高效新型能源技术的发展促进了不同能量载体之间的转换、存储、生产、供应和消费的整合，逐步形成了一个相互协同的、灵活高效的、一体化的能源系统综合能源系统2-3。综合能源系统背景下，天然气管网的运行状态会影响综合能源系统的供气可靠性。例如，天然气的安全供气是电力系统供电安全的保障、系统的能源利用效率受天然气管网的末端储气能力影响4-6。此外，在综合能源系统背景下，天然气管网的运行需要配合整个能源系统的优化进行调整，导致天然气管网的供气可靠性受到影响7。例如，将富余的可再生电力转化为甲烷存储到天然气管网中时，会造成天然气管网的压力波动8-9、压缩机的负荷和运行状态调整10，进而影响系统的供气可靠性。目前，针对独立运行的天然气管网和电力系统，系统可靠性分析方法的研究有了一定的基础11。综合能源系统的系统和供气可靠性分析研究尚处于起步阶段12。在综合能源系统背景下，天然气管网、电力系统、热/冷网络等能源系统相互耦合，形成了复杂的系统网络。天然气管网作为复杂系统网络的一部分，其供气可靠性评价在不确定性来源、系统行为分析、评价时间尺度等方面都发生了变化，产生了新特点。本文将通过分析综合能源系统背景下天然气管网供气可靠性问题研究现状，总结规律及存在问题，并指出未来天然气管网供气可靠性研究方向及思路。1供气可靠性评价方法现状从十九世纪初开始，国际社会关系、经济和科技历经多次变革，大规模生产概念兴起，大量的制造业商品标准化的需求，促使人们提出一个合理的框架来定性和定量地分析商品和工厂系统的可靠性13。二十世纪三十年代，休哈特首先将统计方法应用于制造业的质量控制，为可靠性工程的崛起做出了开创性的贡献14。二十世纪五十年代中期开始，在军事领域研究的基础上，可靠性工程开始成为一门科学学科15。二十世纪七十年代，可靠性工程的发展从组件和设备层面过渡到复杂工程系统（如核电站）的可靠性层面。目前，可靠性分析在电力系统、航空航天、互联网、软件工程等领域有着广泛地应用。可靠性是现代系统安全运行的基本属性。可靠性分析一般以安全性为重点，量化系统的失效概率。国家标准 GB 31871982 中对可靠性的定义为“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。近年来，针对天然气管网的可靠性问题，国内外学者围绕运行可靠性和供气可靠性等角度进行了一系列的探索。1.1可靠性类型天然气管网可靠性可以细分为管网系统可靠性和供气可靠性。运行可靠性层面，天然气管网的（系统）运行可靠性一般基于历史数据和概率统计方法，在设备和系统层面进行可靠性建模，并采用系统故障率、可靠度和平均失效时间等指标进行系统可靠性分析16。例如，Pesinis 等17采用历史管道失效数据和结构可靠度理论，对输气管道的系统可靠性进行评估。此外，统计分析、贝叶斯网络等传统可靠性评价方53第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月池立勋等：综合能源系统下天然气管网供气可靠性评价方法综述法也广泛用于天然气管网的运行可靠性分析18-19。然而，在产供销一体化运营模式下，天然气管网介质的物理传输过程和能源用户行为对天然气管网的供气安全的影响越发重要，仅考虑设备层面的运行可靠性无法全面分析用气安全。供气可靠性层面，早期天然气管网供气可靠性研究中，部分学者就已经开始从宏观层面和经济学角度出发，针对战略储备量、供气中断、应急供应能力等方面研究天然气的用气安全20。随着研究的深入，天然气管网的供气可靠性进一步考虑了管网的传输特性和用户行为16，并结合概率论、随机过程等方法从系统和用户角度分析管网的供给能力。Praks 等21采用基于图论的蒙特卡洛模拟，建立了概率可靠性评价模型对管网的供气可靠性进行定量评价；Lise 等22基于系统的物理模型分析了天然气运输、液化天然气和储存设施等对天然气供应安全的影响；Su 等11考虑了系统的不确定性和结构的复杂性，采用随机过程、图论和系统水热力过程相结合的方法分析了天然气管网的供气可靠性；Yu等23基于蒙特卡洛模拟，分析了市场需求的不确定性和管道系统的动态行为对天然气管网供气能力的影响。1.2可靠性评价的局限性然而，目前天然气管网供气可靠性评价方法仍然具有一定的局限性。其一，天然气管网传输介质的慢瞬变特性和网络化拓扑结构增加了系统行为模拟的复杂度，因此天然气管网的供气可靠性分析过程一般采用简化的稳态模型，影响了供气可靠性分析的准确度；Praks 等21基于最大流量算法建立的评估天然气供应可靠性的概率模型，只考虑了每条管道输气能力的上下限以及流量平衡约束；Qadrdan等7采用稳态的天然气管