天然气和电力输配系统中的可靠性建模相似性和差异.docx
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天然气和电力输配系统中的可靠性建模相似性和差异
第九届国际会议上应用于电力系统的概率计算方法
瑞典皇家理工学院，斯德哥尔摩，瑞典-2006年6月11-15日
天然气和电力输配系统中的可靠性建模；相似性和差异
ArildHelseth,ArneT.Holen
电力工程部
挪威科技大学（NTNU）
挪威特隆赫姆
{helseth,holen}@elkraft.ntnu.no
摘要：
由于替代石油能源汽车的逐渐发展，如集中供热和天然气，挪威的能源系统变得越来越复杂。
虽然配电系统的可靠性评估的研究是已经很成熟，但关于以替代能源为载体的配电系统的可靠性的研究工作还有非常有限的。
基于配电系统和天然气分输系统的相似性，本文根据评估配电系统的可靠性的经验提出了一个关于天然气分输系统可靠性评估方法，这个评估方法类似于配电系统的可靠性评估方法。
一个简单的测试被用于证明这个可靠性评估方法，基本负荷点的可靠性指标：
平均停气率，平均停气时间和年平均停气时间被提出。
1.简介
在挪威主要的能源消耗是电力。
下面介绍以替代能源为载体的能源系统，如天然气和集中供热，受到政府的支持，预计在将来替代能源将不断的增加。
计划将已经存在的能源系统和新兴的能源系统并存达到一个紧密联系的水平。
这是一个非常复杂的任务，由于涉及到多个不同的领域，各自有自己不同的标准。
传统来说，通过模型和理论已经能够对电力分配系统（EPDS）供应的可靠性进行系统评估。
本文通过尝试着应用来自于电力系统的方法去评估天然气分配系统（NGDS）的可靠性。
天然气管网和电力系统在物理结构方面有很多相似的地方，天然气通过传输和分输管网被送到一个或者多个的需要资源用户。
高压管网输送天然气到门站能确保更好的稳定性和经济性，在门站内天然气的压力被助剂降压直到达到分输系统和用户的要求。
基于电力分配系统（EPDS）的相似性，天然气分配系统（NGDS）在城市地区通过径向的运行被建设成为环状结构。
区分电力和天然气系统的特点的一个特征是后者具有通过存储天然气到管网中或者分开的储罐中的方式优化系统性能和可靠性的能力。
然而，由于在天然气在压力比较低的情况下天然气在管网中存储的能力是受到限制的，这个系统对天然气瞬时流量是考虑不到的。
天然气输配管网的可靠性评估已经被很多学者（文献[2]-[6]）研究过了。
受到电力系统可靠性评估的框架的启发，[2]建议将天然气输配系统分成三个功能区，在天然气开采，输送和分配三个结构层次中对设备进行可靠性评估。
Authors文献[3]-[5]中应用蒙特卡罗模拟来评估天然气传输系统是否提供足够压缩设施,以满足消费者的负载。
在文献[6]中天然气在管网故障中导致输气量的损失是处于一个很低的限度的，因此管网的安全性是可以得到评估的。
无论什么时候各负载的压力都不低于他们各自的最低压力水平，天然气输配系统的标准安全操作就算完成了。
天然气和电力系统可以耦合，比如通过电力燃气电厂和电力带动的压缩机。
一个用于评估能源基础设施相互关联的框架在文献[7]中被提出。
在文献[8]，[9]中天然气输配管网的模型效果在电力输配系统中呈现出来。
本文的目的是给天然气分配系统提出一个可靠的评估方法。
一个具有说明性的案例被呈现出来，平均停电率决定一个负载点的可靠性指标，平均停电时间和年平均停电时间被提出。
什么样的结果能作为一个切入点将NGDS和EPDS的可靠性评估结合起来，这个问题一直在讨论中.
2.天然气系统
A.系统描述
典型的陆上天然气系统，天然气通过不同压力级别的管网从气源输送到用户。
远程传输系统的特色是较少的管道和较多的操作压力。
压缩机站用于保持传输管网所需要的压力。
作为长输系统和分输系统的连接点，计量站和分输站主要是分配其流量和调节其压力以至于达到分输的要求。
天然气的输配系统可以包括多达三个压力水平，这主要取决于天然气分输公司的设计要求。
在这项工作中，只有两个压力水平考虑：
高压（HPDS）和中压配电系统（MPDS）。
支线管道主要用于高压管网中门站到配气站的部分。
天然气在配气站中降压，然后按流量需求分输到各中压系统中。
城市管道系统主要用于连接用户和配气站。
大的用户甚至可以直接连接到高压管网中，甚至天然气传输干管上。
阀门安装在配气系统中用于对天然气进行分流和汇聚，以至于骑到维护管网稳定和扩展管网的作用。
某些类型的阀门，还可以防止天然气超压和回流。
阀门有自动的，远程遥控或手动操作的，主要取决于天然气压力水平和操作方便安全。
通过手动阀门来应付管网的突发事件的情况，使用夹具进行故障隔离天然气管道可以减少气体逸出，使受影响的用户的数量减少。
天然气通过调压站降低压力使其从高压到低压。
调压器用于控制天然气调压系统中的某一部分的压力。
如果上游配气站的天然气压力比下游预先设定的调压器的压力低，则调压器将完全打开。
此外，调压站应能保护下游天然气分输系统免受过大的压力。
最主要的由调压器保护下游设备，但如果调压器出现故障，则通过额外的设备，如切断阀和泄压阀，用于降低下游压力。
调压站应设计成独立运行的，应与其他基础设施分开。
图1为一个典型的具有完整工艺流程的调压站示意图。
每个工艺流程都包括以下主要部件：
过滤器
（1），开闭阀
（2），调节器（3）和安全阀（4）[10]。
B.天然气流量分析
由于天然气是可压缩介质，因此在传输过程中利用这一特点可以将天然气存储在管道中。
该存储方式，叫高压管道储气。
每当气源停气或者压缩设施出现故障的时候，这种储气方式能提高天然管网的可靠性。
高压管道储气的效果随着管道内部的压力降低而降低。
出于实践的目的稳态模拟是一个足够用于计算排除偶然性的流量和压力。
For计算管流和节点的压力确保在网状和径向NGDS中的目的，牛顿环的节点的方法[11]中描述的，被施加。
对于其目的在于计算网状管网和径向天然气分输系统中的管道流量和节点压力，在【11】中描述的牛顿环节点的方法在此得到应用。
调压器被模型化用于提前设定下游压力。
不像电力系统的那种情况，欧姆定律独立实用与各个压力级别，不同的流量方程在燃气管网中适用于不同的压力水平。
为了使用起来方便，在一定的压力范围内考虑，平均流量方程被假定出来。
节点压力和流量必须通过合适的流动方程计算，并且还要有精确的用气量和气源供气量，首先基尔霍夫定律必须满足。
C.供气质量
送达到消费者的天然气质量取决于以下几个因素：
●气味
●化学属性
●压力
天然气是无色，无味的。
将有气味的添加剂添加入无色无味的天然气中，用于是泄露的天然气很容易能被闻到。
因此，适当的加臭，对安全方面考虑是相当重要的，但是不会直接影响供气的可靠性。
天然气在输送进入传输管网前，就进行了化学性质的评估。
在分输的过程中天然气的化学性质是被认为保持稳定不变的。
不同的消费者和不同的压力需求，输送过程中各自需要的压力范围也是不同的。
经验表明，低压天然气输送系统在稳步健康的发展，但是过大的压力负载越来越成为短期需要解决的问题【10】。
在本文中仅仅只有压力被用于评定供气质量的好坏，仅仅只有最低压力需求被考虑。
D.电厂
电厂能够建设在传输和分输系统中主要决定于电厂的规模和期望达到的发电量。
热电联产的电厂不仅发电还能提供热量，一般建设在天然气分输系统中。
有很多最基本的天然气的热电联产技术正在被利用，例如往复式发动机，涡轮机和微型涡轮机。
在大多数情况下，热电厂的选择主要是根据它自身的热量需要决定的。
因此，引进小型的热电联产电厂到天然气分输系统中，对符合是不会起到显著影响的。
大型的天然气发电厂选址在天然气传输系统中，有可能导致天然气的符合显著变化，因为大型发电厂运行需要的天然气瞬时流量相当的大。
这一现象依赖于节点的压力大小和是否容易出现压力降。
对存在大型天然气发电厂的燃气管网来说，天然气管网的运行状态的暂态仿真是相当重要的【12】。
在电力系统中，将分开的设备整合到一起将会让电网运行起来更加复杂。
小型的热电联产电厂不自然的发电调度规律，他们不可能依赖单独的电力负荷。
然而他们在冬季的这几个月里会达到他的最大发电规模去缓解电力系统的压力【13】。
3．可靠性建模
A.定义和假设
天然气分输系统中有两个不希望看到的漏洞：
1）天然气泄漏
2）供给用户的损失
不可控制的天然气泄漏和压力降将导致不安全的情况，由于天然气和空气混合存在着爆炸极限。
这个和电力系统就有很大的差别，电力系统中，电力的泄漏被认为系统是安全的。
为了对供电的可靠性评估，将要对用户的电力供应损失也需要考虑进来。
一般情况下天然气分输系统中，断气的情况可以分为计划内的和计划外的。
计划内的断气，一般是对系统保持稳定性的必要维护或者对天然气系统进行更新，然而计划外的断气一般是由于意外事故引起的。
一个彻底的系统崩溃是超出了本文的研究范围的，但是，过去的分输管网故障记录显示，外部机械的破坏是天然气分输系统故障的最主要原因【6】【14】。
具有可行性的可靠性建模归于以下假设条件：
●天然气分输系统是径向运行的
●仅仅只有管道断裂和调压站故障被考虑
●第一次偶然事故被考虑
●阀门被认为是完成可靠的
●每一个用气点都能达到最小的压力要求
●高压管网中阀门远程控制，低压管网中阀门手动控制
●调压器能够远程控制并且能够立即在径向上隔离开
●调压器出故障会引起下游的所有用户用气
如果故障发生，管网重新恢复正常所需要的时间r
。
用户由于修复故障而不能满足正常供气的时间通常叫做停气时间相当于由于维修所用的总时间r
。
由于这一套假设使天然气分输系统和电力分输系统在物理和运行上具有相似性，因此应用于电力分输系统的可靠性评估技术同样适用于天然气分输系统。
【15】中提出的一个分析模拟方法可以作为参考，是可以起到约束天然气管网的效果的。
B．方法说明
在天然气分输系统中找到一个方法能够确定相对可靠的参数，这些参数包括平均中断率，平均停气时间和年平均停气时间在图2中提出并且得到证明。
让NW|0
描述管网中设备的k值下降。
被联系到同一个像k的径向系统的所有负载点很宽松的供应量和归属于B和C类之间。
保持不变的负载点属于A类，不受故障的影响。
如果可能，当故障设备在被修理的时候，这些管网可以被p
改动和所有负载点能合理的选择供应。
重新配置后每个节点的被计算出来。
每个负荷点被所需的压力精确的计算出来P
（i）.如果p
（i）,负荷点不会充分的被供应，而是将属于C类。
负荷点被改动属于B类后，将会充分的得到供给。
当所有的管网设备被选则时，每个负荷点被从（A-C）分类被偶然性选定。
可靠性的参数被计算和汇总。
图.2负荷点分类
如果阀门是自动或者远程控制的，用户停气是可以避免的利用属于B类的负荷点在高压管道储气的效果的影响下。
显然，这一现象是不同于电力分输系统的可靠性分析的，因为电力分输系统是没有存储效果的。
C.基本的可靠性参数
基本的可靠性参数的计算最先应用于高压分输系统。
考虑到每个调压站作为一个负荷点都需要一个最低压力水平。
这些可靠性参数可以通过分级处理利用于中压分输系统。
对一个调压站的可靠性研究是超出本文范围的，因此为了简单起见，每一个调压站都会被分配一定的故障率
。
当一个调压站经受上游的故障或者他自己的故障，所有的下游用户都会出现停气。
显而易见，本程序给出了环境最坏的负荷点可靠性分析，因为负荷转移到调压站级别是不会被考虑的。
对于给定压力的管网分析，所有的负荷点在瞬时被评估。
负荷点i位于径向系统j时，每当属于系统j的设备k出现故障时是会被切断的。
负荷点平均断气率【中断次数/年】:
负荷点的年平均停电时间[h/年]：
rB-重新配置的预期时间
rC-预计维修时间
负荷点平均停气时间【H/中断次数】：
D．热电联产
热电联产电厂将天然气分输系统和电力分输系统联系起来。
一般情况下，一般热电联产电厂有三个故障形式【13】：
1）机组故障
2）定期维护
3）缺乏燃料
被找到用于热电联产负荷点的可靠性参数能作为一个切入点把天然气分输系统和电力分输系统紧密联系起来进行可靠性研究。
IV.案例研究
图三简单的介绍了一个天然气分输管网。
这个管网由一个为气源服务的门站和一个高压分输系统，两个调压站（R1和R2），四个负荷点（A-D）。
通常黑色的是常闭阀门，白色为长开阀门。
图三中的阀门都是能通过远程控制的，除了在中压分输系统中分级制的阀门。
一个热电联产电厂坐落于负荷点C。
在高压和低压是分开的，高压的工作压力是10bar,中压是4bar。
仅仅只有管道破裂和调压站发生故障被考虑进来。
破裂的管道在中压分输系统中是通过夹子固定或者手动阀门分开的，在高压分输系统中是通过远程遥控阀门控制的。
高压分输系统被假定瞬间重新配置。
管网的参数和负荷数据被表1和表2列出。
预计调压站和管道的故障率（ARs和Ap），分断时间（rE）
管网维修时间（rc）调压站维修时间（rRS）在下边列出。
将所有的可靠性参数表示于表III中.
。
表一负荷和需求
负荷点
负荷[m3/h]
Preq[bar]
R2
3000
4
A
200
2
B
200
2
C
150
3
D
200
2
现在假定，在中压分输系统正常运行的时候，被连接到九个管道的截断阀都打开。
换言之，中压分输系统运行是循环的。
由于中压分输系统中的管道破裂，为了减少天然气泄漏的量，调节站R1不得不切断破裂管道的连接的用户的供气量。
基于这样假设，成环状运行的负荷点A和C的可靠性研究被计算出来呈现在表4中。
和中压分输系统径向运行相比较起来，负荷点A和C的年平均停气时间预计会增加23%和11%。
天然气分输系统有足够传输能力的情况下，最基本的可靠性参数能在可靠性研究计算的基础上通过分析而获得，
（2）-（4）没有通过计算节点压力。
当管网的传输能力有限时，出现偶然故障时的压力评估可以验证重新配置过的管网系统是否能够充分的供应各个负荷点。
如果管道5被停止通气，则通过重新配置的管网将不能满足热电联产电厂的供气需求（PC=2.5bar和Preq（C）=3bar）,，也就是说热电联产电厂是必定会断气的。
通过对这个案例的研究，管道5的故障仅仅只是偶然性的，这种情况下通过重新配置的燃气管网中被连接到气源的负荷点就不能够得到它需要的压力。
对于复杂的分析，传输能力有限的燃气管网，降低其负荷的方法将被添加到已经提出的方法中。
当给负荷点故障分类时，另外的方法将分成两类或者更多。
例如
调查重新配置后的负荷点在满足需求压力的情况下是否被供气100%，99-50%或者50-0%，但是必须要在所有的负荷点没有断开之前。
类似的推理在文献【16】中自来水分输系统中的可靠性研究中能找到。
表2管道数据
管道号
长度【Km】
直径【mm】
1
10
160
2
10
200
3
3
160
4
5
120
5
5
120
6
3
200
7
3
100
8
5
100
9
2
100
10
3
100
11
5
100
12
3
100
表3可靠性参数
负荷点
A
C（CHP）
设备
λ
Υ
U
λ
Υ
U
R1
0.05
96
4.8
0.05
96
4.8
4
1.0
3
3
7
1.0
3
3
5
1.0
48
48
11
1.0
3
3
6
0.6
48
28.8
8
0.6
3
1.8
10
0.6
48
28.8
12
0.6
3
1.8
总计
3.3
12.7
41.4
3.3
26.6
86.4
高压分输系统中的远程控制阀门确保直线1-3的单一的突发性事故不会影响系统的可靠性数据。
当管道1或者2不被供气时，管道3却能正常的供气由于打开了图3所示的常闭阀门。
在正常的运行状态下，天然气被存储到管道3中用以避免由于管道1或者管道2停气所导致的压力损失。
应该要注意的是，另一种运行状态能够被应用到这样的情况，例如，当考虑到管道3上阀门的状态。
在正常的系统运行期间，高压分输系统可以建设成环状运行或者管道3可以降低压力。
然而，没有一种能够显著的影响计算的可靠性参数。
表4可靠性参数
负荷点
A
C（CHP）
λ
Υ
U
λ
Υ
U
总数
6.5
7.9
51.0
6.5
14.9
96.0
五．总结
一个对天然气分输系统进行可靠性评估的方法在电力配送的计算和理论的发展基础上被实现。
通过对两个系统的比较，发现两个系统在运行和网络扩展的理念上具有相似性这一原理。
另一方面，本质上的区别也应该被重视到，以至于能找到更精确的可靠性研究指标。
提出来的理论是基于一个分析型管网模型，这个模型被用来模拟恢复和制约管网传输能力的效果。
一个简单的例子被提出用于计算管网传输能力有限的中压分输系统的基本的可靠性参数目的。
虽然有限的可靠性数据已经被利用到天然气分输系统中用于可靠性研究，但是将每个系统独立的量化和与其他基础设施联系在一起量化其可靠性的重要性是需要被强调的。
这种方式下，系统可靠性的提升和管网的扩充息息相关，例如在管网中建立一个额外的环状管网或者利用远程的遥控阀们都能的证明这个观点。
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