天然气管道失效风险超前预测及布局优化

随着天然气能源地位的逐年提升，城市天然气已逐步取代石油和煤气等能源，成为城市能源供应的主要类型，城市天然气管网系统也发展为城市主要的基础设施之一。同时，生态环保一直是油气行业高度重视的问题，建设“能源开发与生态环境和谐共生”的绿色管道工程已成为油气行业的核心理念。具有易燃易爆特性的城市天然气管网通常敷设于人群较为集中的中心城区，或有重要公共建筑及基础设施的地段，因此其泄漏引起的火灾或爆炸事故导致的直接和间接经济损失极其巨大，包括人员、公共财产安全与环境污染等方面。目前，城市天然气管网布局规划主要依据实地勘察的管道可敷设路线，结合设计人员主观意识予以确定；在理论研究方面主要包括以管长最短为优化目标的枝状管网布局优化，和以管长与供应可靠度为多优化目标的环状管网布局优化，但并未出现在布局规划阶段最小化运行期风险损失的布局优化研究。另外，各种风险评价方法体系的研究均是基于已建管网，并非针对拟建管网的布局规划阶段。例如管道完整性管理是针对已敷设管网运行期风险评价最有效的理论支撑，却因无法在管网布局规划阶段加以实施，表现出“滞后”难题。为在规划阶段实现最小化风险损失成本的目的，笔者提出了失效风险（风损）超前预测模型及其对应的布局优化应用方法，为本领域或其他领域在建设前期的规划设计阶段研究运行期风险损失提供可行的解决思路和方法理论支撑。
《天然气管道失效风险超前预测及布局优化》内容主要包括：第1章分析常规优化、布局优化、风险损失和土壤腐蚀的研究现状以及存在的问题，进而阐述本书的研究背景和意义，并概述本书的研究内容和研究方法，同时对本书结构思路进行概述； 第2章运用天然气管网的风险因素与故障树分析技术对管网失效概率进行分析，构建天然气管网失效概率超前预测模型；第3章基于选定的5个土壤腐蚀成分，应用统计学理论，分析其与失效后果经济损失之间的相关性，确定自变量的组合优化，建立天然气管网失效后果模糊模型及针对性超前预测方法；第4章基于失效概率和失效后果模糊预测模型确定的风险损失模糊预测模型，建立布局优化应用方法；第5章分析现有的对比验证方法，提出基于天然气管网参数优化理论和风险评价技术的验证方法。第6章应用中压枝状管网实例，演示本书提出的新布局优化方法的完整计算步骤；第7章对本书内容进行了总结。
本书的第1章、第3～7章由安金钰编写，第2章由张祖敬编写，全书由安金钰统稿。本书的编写得到了许多同行的大力支持，在此深表感谢。同时，对参考资料原著作者及对本书编写提供帮助的同事表示真心感谢。
本书的研究工作得到了贵州省科技计划项目（黔科合基础-ZK【2022】一般032）“预埋天然气钢管在贵州土壤环境中的点蚀穿孔特性研究”的资助，在此表示衷心感谢。
由于笔者水平有限，书中难免会有疏漏不妥之处，敬请各位专家批评指正。

安金钰
2023年3月

已敷设油气管道运行期失效后果评价“滞后”，其实质是无法在规划阶段超前预测预埋管运行期泄漏扩散范围，深入研究规划期预埋管风险的新方法有现实意义。
《天然气管道失效风险超前预测及布局优化》详细阐述了失效风险（风损）超前预测模型及其对应的布局优化应用方法，主要内容包括天然气管网失效概率超前预测模型、天然气管网失效后果模糊模型及针对性超前预测方法、布局优化应用方法、风险损失最小优化布局的验证方法和布局优化方法完整步骤的实例演示。
本书提出的在规划阶段研究风险损失的超前预测方法可以实现在规划阶段最小化风险损失成本的目的，并且与后期基于常规布局优化的管网建设和运行进行对比分析，便于决策者更好地权衡风险成本和建设运行成本之间的利弊，提出更具针对性且经济效益最优的布局方案。本书可供油气行业建设者、管网维护人员，高等院校相关专业师生，城市安全防灾减灾、城乡规划及城市燃气工程等安全技术相关领域技术人员参考使用。

第1章绪论001
1.1引言001
1.2国内外研究现状及总结002
1.2.1天然气管网优化方法研究现状002
1.2.2天然气管道风险评价方法研究现状004
1.2.3天然气管道布局优化方法研究现状009
1.2.4国内外研究现状总结013
1.3本书的主要内容014

第2章天然气管网失效概率超前预测016
2.1失效概率计算016
2.1.1失效因素的专家评价016
2.1.2失效故障树计算步骤021
2.2失效概率预测模型022
2.2.1RBF神经网络输入变量的确定022
2.2.2RBF神经网络的建立025
2.2.3网络参数的选择026
2.3预测模型验证028
2.4本章小结029

第3章天然气管网风险损失超前预测031
3.1失效后果经济损失分析032
3.1.1失效后果经济损失计算032
3.1.2基于熵权法的土壤腐蚀等级036
3.1.3失效后果经济损失模糊计算模型038
3.2管道失效的腐蚀因素分析040
3.2.1土壤腐蚀成分与失效后果相关性分析040
3.2.2自变量组合分析042
3.3失效后果模糊预测模型043
3.3.1拟合与回归分析045
3.3.2神经网络分区预测模型的设计与训练046
3.3.3预测模型的对比验证051
3.3.4风险损失成本模糊计算预测模型054
3.4针对性失效后果精确预测方法055
3.4.1定义背景055
3.4.2核心步骤056
3.4.3关键技术057
3.4.4可行性分析058
3.5本章小结060

第4章最小化风险损失的布局优化方法062
4.1基于风险最小化的管网布局优化模型062
4.1.1管网布局优化的物理模型063
4.1.2枝状管网布局优化数学模型064
4.1.3环状管网布局优化数学模型065
4.2枝状管网布局优化算法069
4.2.1最小生成树069
4.2.2算法选取071
4.2.3算法实现072
4.3环状管网布局优化算法073
4.3.1ACO算法073
4.3.2GA的组合优选075
4.3.3路径数的确定075
4.4基于风险损失最小化的布局优化方法076
4.4.1布局优化方法076
4.4.2关键环节077
4.5本章小结078

第5章风损最小优化布局的验证方法080
5.1验证方法080
5.1.1对比验证080
5.1.2验证流程081
5.2天然气管网参数优化082
5.2.1参数优化基本概念082
5.2.2参数优化数模085
5.2.3遗传算法设计088
5.3天然气管网参数优化实例092
5.3.1实例简介092
5.3.2环状管网布局优化数模095
5.3.3环状管网布局优化结果095
5.4优化布局的验证097
5.4.1环状管网参数优化数模097
5.4.2参数优化结果098
5.4.3传统风险损失成本100
5.4.4对比分析104
5.5本章小结105

第6章工程实例应用106
6.1实例概况106
6.1.1失效因素的模糊评分106
6.1.2土壤条件108
6.2风险损失成本的预测109
6.3布局优化110
6.3.1风险损失成本最小布局110
6.3.2路径最短布局110
6.4优化布局的验证111
6.4.1枝状管网参数优化数模111
6.4.2参数优化结果112
6.4.3传统风险损失成本114
6.4.4结果对比分析117
6.5本章小结118

第7章结论119

附录A城市天然气管网失效故障树模型122
附录B非线性拟合散点图及拟合效果图130
附录C逐步回归分析步骤说明135
附录D基于熵权法的土壤腐蚀等级计算程序138
附录E组合优选与路径数确定程序141

参考文献144