基于可靠性分配理论的天然气管道系统供气可靠性提升路径确定方法

《Journal of Pipeline Science and Engineering》：A method for determining gas supply reliability improvement paths of natural gas pipeline system based on reliability allocation theory

　　

确定高效的可靠性提升路径对于确保天然气管道系统（Natural Gas Pipeline System, NGPS）的能源安全至关重要，然而现有研究缺乏系统层面的决策支持机制。本研究提出了一种基于可靠性分配（reliability allocation）理论的系统化方法，用于确定供气可靠性（gas supply reliability）提升路径。首先，建立了一个供气可靠性评估框架，明确考虑了水力特性（hydraulic characteristics）以及系统固有的不确定性，包括随机故障（random failures）和需求波动（demand fluctuations）。其次，通过量化四个关键因素（供气重要性、可维护性、运行环境和后果严重性）来确定各个管道区段（pipeline segment）的提升权重（improvement weights）。最后，构建了一个优化模型（optimization model），将系统级目标映射到组件级要求，并采用改进二分法算法（improved bisection algorithm）进行求解。对一个实际天然气管道系统的案例研究验证了所提方法的可行性。结果表明，为实现系统级目标可靠性0.999，所有单个管道区段的可靠性必须超过0.9643。值得注意的是，位于用户附近或高后果区域的管道区段被分配了更高的可靠性要求，因为它们对供气安全有显著影响。该方法有效解决了可靠性评估的逆问题（inverse problem of reliability evaluation），为天然气管道系统的完整性管理（integrity management）和维护规划提供了理论基础和定量决策支持。

**论文解读：基于可靠性分配理论的天然气管道系统供气可靠性提升路径确定方法**

**研究背景与问题**
随着中国“碳达峰、碳中和”目标的推进，天然气消费持续增长，天然气管道系统（Natural Gas Pipeline System, NGPS）日趋网络化、复杂化。供气可靠性（gas supply reliability）指系统在规定时间和条件下满足用户需求的能力，其保障不仅依赖单元状态，还受网络拓扑、水力特征、资源可用性及外部环境等因素影响。现有研究集中于正向可靠性评估，如基于序贯蒙特卡洛方法（sequential Monte Carlo）的系统状态模拟和输气能力计算，但缺乏系统级可靠性目标向组件级改进要求的反向决策机制。当系统可靠性低于目标值时，如何确定最优提升路径——即如何为各管道区段分配具体的可靠性要求——成为关键问题。这种“逆问题”类似于系统设计中的可靠性分配（reliability allocation），但需应用于运行维护阶段。当前研究在将系统级供气目标与组件级改进要求关联方面存在空白，限制了可靠性理论在完整性管理（integrity management）中的实际应用。为此，研究人员提出基于可靠性分配理论的系统方法，以解决NGPS供气可靠性提升路径的确定问题。该论文发表在《Journal of Pipeline Science and Engineering》上。

**主要技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法：
1. **供气可靠性评估框架**：结合系统状态转移模拟（考虑随机故障、维修及资源需求波动）和水力优化模型（最大天然气输送量），采用蒙特卡洛模拟（10,000次）计算系统供气可靠性指标。
2. **四因素权重量化方法**：对每个管道区段，量化供气重要性（failure对输气影响）、可维护性（维修复杂度）、运行环境（压力、温度、腐蚀等）和后果严重性（失效对社会、环境、人员的潜在损害），并基于专家评分法确定各因素权重向量。
3. **优化模型与改进二分法算法**：构建以最大化管道区段故障率（failure rate）为目标、以系统供气可靠性达标的约束模型，引入比例约束（各段故障率与分配权重成正比），使用改进二分法算法（多初始解迭代收敛）求解组件级可靠性要求。

**研究结果**
案例研究基于一个2007年投运的实际天然气管道系统，包含1个气源、9个用户、7个压缩机站、54个管道区段。主要发现如下：
1. **影响因素量化与分配权重**：根据四因素评分（表8）和专家权重向量W={0.32, 0.18, 0.28, 0.22}，计算每个区段的综合故障率分配权重Ai。供气重要性通过比较故障前后输气量（考虑管存效应）获得，其他因素按标准评分。
2. **不同目标可靠性下的分配结果**：分别设定系统目标可靠性0.99、0.999和0.9999，优化求解后各段最小可靠性分别为0.9608、0.9643和0.9678。目标越高，各段要求越严格。
3. **关键区段识别**：靠近高需求用户（如区段31、41、54）的管道被分配更高可靠性，因其失效直接导致供气中断；位于高后果区域（如区段21）的管道也需更高可靠性，以减轻失效影响。
4. **与均匀分配方法对比**：在相同系统目标（0.999）下，均匀分配导致部分区段过度设计（如1~15段）而其他区段裕量不足（如24~54段），而加权分配结果更符合各段重要性和后果严重性。
5. **管存效应影响**：由于管存效应（line-pack effect），失效后供气不会立即中断，因此基于供气可靠性分配的区段目标可靠性低于传统结构安全方法，避免不必要的过高要求。

**讨论与结论**
讨论部分总结：该方法有效解决了可靠性评估的逆问题，为NGPS的完整性管理和维护规划提供了定量决策支持。未来研究方向包括：纳入成本因素（如增强可靠性的投资、供气中断的经济损失）构建多目标优化模型；扩展至修复率分配，并对压缩机单元进行故障与修复率的联合分析。
研究结论翻译如下：本研究提出了一种将可靠性分配理论与综合评估框架相结合的系统方法，用于确定天然气管道系统的供气可靠性提升路径。核心贡献在于解决可靠性评估的逆问题，将系统级可靠性目标转化为单个管道区段的具体组件级可靠性要求。所提方法有效量化并整合了四个关键影响因素（供气重要性、可维护性、运行环境和后果严重性），得到各区段的故障率分配权重，并融入优化模型。采用改进二分法算法求解，展现出计算效率与鲁棒性。实际案例验证了可行性：实现高系统级可靠性目标需要所有区段满足严格标准，尤其靠近主要用户或高后果区域的区段被分配更高可靠性。与传统结构安全方法相比，由于管存效应对供气中断的缓解作用，分配目标可靠性更低。该方法为管道系统维护规划提供了明确的理论依据。