城市燃氣輸配管網承載力評估方法研究

肖 穎 詹淑慧 丁國玉

（1.北京建筑大學，北京 100044；2.北京市城市規劃設計研究院，北京 100045）

0 引言

天然氣作為一種優質、高效、清潔的化石燃料，已經被廣泛地應用于國民生活和生產的各個領域，我國預計2015年天然氣消耗占一次能源消耗的比重可達8%甚至10%，將為改善我國能源結構、保障能源安全做出重要貢獻。隨著城市燃氣市場需求的不斷增加，有些城市燃氣管網的輸氣能力已經不能滿足需求，加之人們對于設施安全性和服務水平要求的不斷提高，適時對某一區域進行輸氣能力的評估，及時對燃氣管網和設施進行動態的規劃調整，模擬城市燃氣管網的運行工況，使管網的輸氣能力盡可能滿足城市發展的要求顯得尤為重要。

1 燃氣輸配管網承載力背景及研究成果

1.1 承載力的意義

承載力原是一個力學概念，本意是指地基的強度對建筑物負重的能力。后來被引入到生態學的研究中，定義為某一特定條件下，生態系統對生活在其中的種群的承載數量。隨著承載力概念的廣泛應用，現已演變為對發展的限制程度進行描述的常用概念之一，在環境、經濟和社會等各個領域均得到了不同程度的延伸。城市綜合承載力是城市資源承載力、城市環境承載力、城市生態系統承載力、城市基礎設施承載力、城市安全承載力及公共服務承載力的總稱。

市政承載力是一個全新的概念，是城市綜合承載力中水資源承載力、能源承載力和基礎設施承載力等的有機結合，它的研究對象包括交通、供水、排水、供電、供氣、供熱等。借助其他領域的相關研究，可以詮釋為一定時期內，在可預見的技術、經濟和社會發展水平下，某一地區市政系統能夠支撐城市可持續發展的能力。城市燃氣輸配管網承載力，是指燃氣管網在不破壞的情況下，其服務設施能夠對城市發展起到的支撐能力。

1.2 市政承載力評價研究成果

張中秀、石榴花在城市市政管網承載力綜合評價方法與應用［1］中提出了市政管網承載力的概念，指在一定時期內，市政管網系統結構完善與功能正常發揮的前提下，輸送生活用水、能源、信息和排除雨水、污水的水平對城市居民生活及經濟社會發展的承載能力。根據各類市政管網的結構和運行特點，對市政管網系統建立了包括供水、排水、供電、燃氣、供熱的指標評價體系。各項指標及其評分值、權重通過統計資料分析、專家咨詢綜合確定，各項指標評分最優值為1，最差值為0，根據指標值與上限值、下限值的線性插值確定評分值，最后根據權重加權計算得到各類市政管網承載力的綜合得分。其使用層次分析法計算單一權重，Delphi法計算綜合權重論證了某沿海城市中心城區市政管網承載力。

郝天文、宋文波、李藝在城市市政管網規劃設計研究與應用中［2］，以基礎性指標、服務性指標、驅動性指標為3個準則層，采用層次分析法將綜合評價結果分成5個等級，同時給出了各項指標的含義及評分導則。

1.3 燃氣輸配管網承載力研究成果

燃氣輸配管網承載力包含在市政承載力中，現有研究成果中評價體系及權值如表1所示。

表1 供氣管網承載力評價指標體系表

目前，關于燃氣輸配管網承載力的研究較少，上述評價體系的各項指標、上下限值及權重可做進一步深入討論。

2 燃氣輸配管網承載力的影響因素及評價方法

2.1 燃氣輸配管網的特點

同供水管網類似，燃氣輸配管網也是將上游輸送來的能源根據區域負荷，在滿足相應壓力的條件下輸送到用戶。與其不同的是，燃氣輸配管網在將天然氣輸送到用戶的過程中通常不允許產生升壓，而是將從氣源來的高壓燃氣通過逐級降壓的方式輸送到各用戶。此外，不同類型的天然氣用戶所需壓力不同，如發電廠一般需用高壓燃氣，商業用戶、工業用戶一般需用中壓燃氣，而民用天然氣一般只需低壓燃氣即可。

2.2 影響因素及重要性分析

2.2.1 影響因素

由現狀研究成果可以看出，在建立供氣管網承載能力評價體系時，管道燃氣普及率、管網密度、管網漏損率、管網事故率、待更新管線數量和運營者技術管理水平6項評價指標作為了必須考慮的因素。筆者認為評價體系中除以現狀基礎性指標為主外，空間及時序的發展、水力工況、規劃要素、場站設施能力等也很重要。故以一級評價指標——管網及設施能力性指標、技術經濟性指標、安全性指標和運行管理指標為主要框架，將二級評價指標增加了燃氣場站的保障能力、燃氣輸配管網的水力工況、管網設計壓力、發生事故時對周圍建筑物的影響程度、與其他管網的協調度及運行管理水平等6項指標。各二級指標評分值均大于0。

2.2.2 重要性分析

1）燃氣場站的保障能力［3］。體現在負荷需求與設施容量間的關系。調壓設施在安全、方便運行方面應考慮一定的設施儲備系數；同時，由于建設時序相對于城市發展具有一定的超前性，因此燃氣設施的供應能力應大于某一時間點的用氣負荷。場站的供應能力對用戶的用氣起到決定性作用，供應能力越大于需求，該指標評分值越大，供應能力越不足，該指標越接近于0。

式中，pZ為場站源點承載力，無量綱；Qd為燃氣場站設計規模，104m3／h；RZ為燃氣場站儲備系數，宜為2.2～2.6，無量綱；Qn為燃氣負荷需求，104m3／h。

2）輸配管網的水力工況。體現在燃氣管網對場站富裕能力的輸配，其評價結果與用戶壓力需求有關。燃氣輸配管網水力工況計算主要為校核某一時間點管網架構、管徑選擇是否合理。炊事用戶的壓力要求一般不小于0.01 MPa，其他用戶的壓力要求一般不小于0.05 MPa。該項指標是影響用戶能否安全可靠用氣的核心要素。

燃氣管網水力工況的影響可利用某分區內最小壓力節點的壓力與用戶的最小工作壓力之比衡量。分區內最小壓力值越大評分值越高，最小壓力值越小評分值越接近于0。

式中，Hrqg為燃氣輸配管網水力工況的的影響度，無量綱；pimin為某分區內節點的最低壓力，MPa；pmin為用戶所需最低壓力，MPa。

3）網密度。一定區域內供氣管道分布的稀疏程度是衡量城市燃氣供應行業情況的基本指標。該指標的評價最高值為15 km／km2，最低值為0，在目前的評價體系中已應用。該指標評分值介于［0，1］，密度越大評分值越接近于1，越小評分值越接近于0。

4）燃氣管線利用率。指用戶可有效利用的管道長度占燃氣管道建設總長度的比重。利用率高在一定程度上說明管線布置更加合理。可取100%為評價最高值，0為最低值。該指標評分值介于［0，1］，利用率越高評分值越接近于1，越低評分值越接近于0。

5）管網設計壓力。指燃氣管網可承受的最高壓力，每個城市有所不同。以北京為例，已形成了由高壓A、高壓B、次高壓A、中壓A、低壓5級壓力體系組成的天然氣輸配管網；上海天然氣管網可分為8級。該指標評分值介于［0，1］，若某地區設計的管網壓力滿足不同用戶需求且壓力級制合理，則評價值接近于1；若所設計的管網壓力不能滿足不同用戶需求，或選取的壓力級制不合理，則評價值接近于0。

6）管道燃氣普及率。某城市管道用氣人口數與城市總人口數之比。城市管道供氣率越高，在一定程度上可體現出燃氣管網對城市發展的承載力越強。可取100%為評價最高值，0為最低值。該指標評分值介于［0，1］，普及率越高評分值越接近于1，越低評分值越接近于0。

7）發生事故時對周圍建筑物的危害程度。根據城市用地分類和建設用地標準，可將用地類型分為居住、公建、工業、市政、綠地、水域等幾類。該指標評分值介于［0，1］，若管線兩旁比較空曠，或人員密集、重要等級高的建設用地較少，如爆炸范圍（事故的半徑為20 m）內為綠地或水域較多，則該指標評價值趨近于1；若兩旁建設用地中學校、商場、居住用地、醫院等所占比重較大，則該指標評價值趨近于0。

8）管網事故率。是描述城市供氣管網運行安全性、可靠性的重要指標。取0.5次／（1×103km·a）作為指標評價的最高值，6次／（1×103km·a）作為最低值。該指標評分值介于［0，1］，事故率越小評分值越接近于1，越大評分值越接近于0。

9）網漏損率。城市管道供氣系統漏損氣量占供氣總量的百分比。漏損率取1%作為城市供氣管網漏損率評價的最高值，10%作為評價最低值。該指標評分值介于［0，1］，漏損率越低評分值越接近于1，越高評分值越接近于0。

10）老舊管線所占比重。老舊管線數量越少，供氣管線承載力及可靠度相對越強。可取0為評價最高值，80%為最低值。該指標評分值介于［0，1］，老舊管線所占比重越小評分值越接近于1，所占比重越大評分值越接近于0。

11）沿路敷設時與其他管網的協調度。該指標為定性指標。地下市政管線包括電力、通信、雨污水、燃氣、熱力等，涉及多個管理單位和部門。該指標評分值介于［0，1］，若施工時與其他管線協調較好、受周圍管線影響小、便于今后改造且施工符合規范要求則評分值接近于1；若協調效果不好、易受周圍管線影響、不利于今后改造或施工不符合規范要求則評分值接近于0。

12）運營者技術管理水平。包括城市燃氣運營企業的管理現代化、信息化、實際運營及盈利能力、管理人員培訓教育情況、專業學歷構成、事故處理機構應急供氣的保障程度等綜合信息。該指標評分值介于［0，1］，若企業的管理現代化程度高、實際運營及盈利能力強、專業學歷充沛，該項指標評分值更接近于1；若企業技術人員缺乏經驗、專業學歷人數少、應急保障制度差，則評價值接近于0。該指標在信息化、服務化水平要求不斷提升的今天顯得更加重要。

由上述分析可知，燃氣場站的保障能力、燃氣輸配管網的水力工況為非常重要指標，發生事故時對周圍建筑物的危害程度為重要指標，運營者技術管理水平的重要等級近幾年呈上升趨勢，其他為比較重要指標。

2.3 評價方法

2.3.1 方法

筆者將一級評價指標分為4級，根據專家打分給出指標權重；將二級評價指標分為12級，每項指標分別進行標準化并利用專家打分和AHP法綜合求出相應權重，最后將標準化后的指標進行加權求和即得該燃氣輸配管網的承載力。承載力值越大則說明燃氣輸配管網的承載能力越強、綜合性能越合理。

常見的評價指標分為正向型（向上或向前發展、增長的指標，這些指標值越大評價越好）和反向型（向下或向后發展、減少的指標，這些指標值越小評價越好），假設各二級指標相對于一級指標均為線性變化。具體評價體系及推薦權值如表2所示。

假設有i個對象，j個評價指標，每個指標的原始值為xij。結合表1中評價指標權重及上下界限，對評價指標的原始值進行線性標準化［4］：

表2 城市燃氣管網承載力評價指標及權值表

對于正向指標，選用公式如下：

除此之外，本文還涉及定性指標評價，選用yk表示，C5、C7、C11、C12適用。

式中，yij為標準化后數值；xij為指標原始值；xi需為指標應滿足的最小條件，指標C1對應為某分區用氣負荷，指標C2對應為用戶用氣最低壓力，取0.05 MPa；min(xj)為指標最低值；max(xj)為指標最高值；yk為專家評分。

評分標準為：無為0；非常差為0.1；很差為0.2；較差為0.3；差為0.4；一般為0.5；好為0.6；較好為0.7；很好為0.8；非常好為0.9；極好為1.0。

2.3.2 城市燃氣輸配管網承載力公式

綜上，得到城市燃氣輸配管網承載力計算公式。

當Hrq＞1.5時，表明燃氣設施承載力盈余；當1.2＜Hrq≤1.5時，表明燃氣設施承載力可以滿足需求；當1.0＜Hrq≤1.2時，表明燃氣設施承載力不足；當Hrq≤1.0時，表明嚴重超載。

3 燃氣輸配管網承載力評價案例

以北京市通州區臺湖鎮某產業基地為例進行燃氣輸配管網承載力的分析。該地區為新開發用地，考慮到數據較全面且有必要對規劃燃氣輸配管網進行承載力評價，故根據建筑規模及用地等數據，將該研究區域分為4部分（分區Ⅰ、分區Ⅱ、分區Ⅲ、分區Ⅳ）做如下評價（表3）。

表3 產業基地基本情況表

用氣情況。該地區現狀門站及高壓A調壓站已基本滿足負荷運行，故新建高A調壓站1座，高B調壓站2座，次高壓調壓站1座；用氣結構分為炊事用氣、采暖用氣、制冷用氣、能源中心發電用氣和其他用氣。本地區管網利用率達98%，燃氣普及率達100%，事故率取1次／（1×103km·a），管網的泄漏率按2%計算，中壓燃氣管網設計壓力為0.4 MPa，其他指標如下表4所示。

根據承載力的計算公式（6），結合北京地區《十二五供熱發展規劃》《城鎮燃氣設計規范》及燃氣規劃發展中相關數據，可得每個分區的承載力情況。其中分區Ⅰ得分1.63，分區Ⅱ得分1.60，分區Ⅲ得分1.64，分區Ⅳ得分1.62。上述各分區燃氣輸配管網承載能力得分均在1.5以上，可見，承載力有盈余。

表4 產業基地各分區數據匯總表

該高端總部基地為新建工程，管網及場站較新，用氣需求能夠得到很好的保證。根據各分區承載力的計算結果，得出該基地的綜合燃氣管網承載能力為1.62，屬于承載力有盈余等級。可見，該用地范圍內的燃氣供應規劃方案滿足用氣要求，已基本形成了統一的供氣系統，管道燃氣覆蓋率較高，燃氣管網漏損率較低，運營管理水平較好，可以保障供氣的安全性和可靠性。

4 結論

1）相比傳統的承載力研究方法，改進后的指標體系更加全面，充分考慮了天然氣空間及時序的發展，對城市天然氣迅猛增長的發展趨勢及建立服務型社會更具適用性。

2）本評價方法中的影響因素及標準值會因不同城市、不同地區有所差異，故計算時應結合當地具體情況考慮；此外，加權系數也可有針對性地根據不同情況調整。

3）動態、適時地對燃氣輸配管網進行承載力評價很有必要，可以及時對城市天然氣設施進行規劃調整以滿足用戶需求。

可見，對城市燃氣輸配管網進行承載力研究應作為常態的必須工作進行，使得燃氣企業更好地實現科學發展和有效管理。

［1］張中秀，石榴花.城市市政管網承載力綜合評價方法與應用［J］. 中國市政工程，2012（2）：42-47.

［2］郝天文，宋文波，李藝，等.城市市政管網規劃設計研究與應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［3］北京市城市規劃設計研究院項目組.北京市市政承載力規劃研究二期［R］.北京：北京市城市規劃設計研究院，2013.

［4］王林，王迎春.層次分析法在指標權重賦值中的應用［J］. 教學研究，2002，25（4）：303-306.