姜好

（成都新都港華燃?xì)庥邢薰?，四川　成都?10500）

城市天然氣管網(wǎng)供應(yīng)可靠性模型分析

姜好

（成都新都港華燃?xì)庥邢薰?，四川成?10500）

當(dāng)城市天然氣日需求量大于天然氣管網(wǎng)供給城市門站的日供氣量時(shí)，用戶用氣得不到滿足。針對(duì)這一問(wèn)題，基于概率統(tǒng)計(jì)方法，得出城市天然氣日需求量概率分布函數(shù)，假定管網(wǎng)供給門站的日供氣量服從某種分布，建立管網(wǎng)供給門站的日供應(yīng)—城市天然氣日需求的干涉模型，推導(dǎo)出供應(yīng)可靠度的表達(dá)式，并考慮到在計(jì)算可靠度時(shí)出現(xiàn)的管網(wǎng)供給天然氣量和城市天然氣日需求量的概率密度函數(shù)不可積的情況，引入蒙特卡洛模擬法得出供應(yīng)可靠度。結(jié)果表明由蒙特卡洛模擬法得出的結(jié)果與可靠度計(jì)算公式所得結(jié)果近似相等，且模擬的次數(shù)越多模擬結(jié)果越精確。

長(zhǎng)輸天然氣管網(wǎng)城市門站供應(yīng)可靠度概率分布干涉模型

0　引言

干線管網(wǎng)供給門站的日供氣量和城市的日需求量，是天然氣供應(yīng)程度具有不確定性的兩個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)，可以通過(guò)供氣量和需求量的概率分布來(lái)建立供應(yīng)可靠度模型，采用結(jié)構(gòu)可靠性方法計(jì)算供應(yīng)可靠度［1］。管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣的日需求量的概率密度函數(shù)為特殊分布（正態(tài)分布、均勻分布、指數(shù)分布等）的情況下，可以通過(guò)查表來(lái)求得供應(yīng)可靠度。然而實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的概率分布并非特殊分布，其干涉模型的供應(yīng)可靠度需要用蒙特卡洛模擬法進(jìn)行求解。為此，筆者擬就模型中的可靠度計(jì)算作一探討分析。

1　天然氣供給量—需求量干涉模型

長(zhǎng)輸天然氣管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量概率分布和城市天然氣日需求量概率分布，可在同一坐標(biāo)系中表示（圖1），橫坐標(biāo)為氣量（可同時(shí)表示管網(wǎng)供給天然氣量和城市天然氣需求量），縱坐標(biāo)為概率密度函數(shù)（可同時(shí)表示管網(wǎng)供給天然氣量概率密度函數(shù)f（S）和城市天然氣日需求量概率密度函數(shù)f（D））。

圖1　管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量—城市天然氣需求量干涉模型圖

圖1陰影部分為管網(wǎng)供給門站的日供氣量概率密度分布與城市天然氣日需求量概率密度分布的尾部“干涉區(qū)”，它表明門站日供氣量有可能小于城市日需求量，即可能處于“供小于求”的狀態(tài)［2］。根據(jù)“干涉區(qū)”的分布特征，即可以建立門站“供小于求”的概率模型，稱為管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量—城市天然氣日需求量（S-D）干涉模型（類似于結(jié)構(gòu)失效概率干涉模型）。需注意的是“干涉區(qū)”的面積不等于“供小于求”的概率［3］。

在管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量—城市天然氣日需求量（S-D）干涉模型中，天然氣管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量大于城市天然氣日需求量的概率可表示為該門站的供應(yīng)可靠度R（t）為：

2　供應(yīng)可靠度的表達(dá)式及計(jì)算

2.1一般表達(dá)式

根據(jù)圖1的干涉模型，可以計(jì)算出供應(yīng)可靠度。設(shè)城市天然氣日需求量為D0，其干涉放大區(qū)見(jiàn)圖2所示，管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量大于D0的概率為：

城市天然氣日需求量D0處于dS區(qū)間內(nèi)的概率為：

因?yàn)镈0為城市天然氣日需求量區(qū)間內(nèi)的任意值，其可在（0，+∞）區(qū)間內(nèi)取值，則管網(wǎng)供給門站的日供氣量大于城市天然氣日需求量的供應(yīng)可靠度為：

當(dāng)已知天然氣日需求量和管網(wǎng)供給天然氣量的概率密度函數(shù)時(shí)，根據(jù)上述模型即可求得門站的供應(yīng)可靠度。

2.2供應(yīng)可靠度的計(jì)算

當(dāng)管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣日需求量的概率密度函數(shù)均為正態(tài)分布時(shí)［4］，有：

R（t）=P（S-D＞0）=P（Z＞0）（6）式中，Z為供求余量，Z=S-D。

由于兩者的概率密度函數(shù)均為正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布的和（差）仍為正態(tài)分布的性質(zhì)，供求余量Z也為正態(tài)分布：

供應(yīng)可靠度為：

上式可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布形式：

從式（9）可知，當(dāng)已知管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城鎮(zhèn)日需求量的分布參數(shù)后，就可計(jì)算出連接系數(shù)（可靠性系數(shù)）u0，供應(yīng)可靠度可從正態(tài)分布表中查得。因此，式（9）把日需求量分布參數(shù)、管網(wǎng)供給天然氣量分布參數(shù)和供應(yīng)可靠度直接聯(lián)系起來(lái)。

3　蒙特卡洛模擬法

蒙特卡洛模擬法的優(yōu)點(diǎn)是：① 得到的數(shù)值比較精確；② 其方法受問(wèn)題類型的影響較?。?］。因此只要知道管網(wǎng)供給門站的天然氣量和城市天然氣日需求量的分布情況，不管其分布為正態(tài)分布或是一般分布，都可以通過(guò)蒙特卡洛模擬方法來(lái)求解。

蒙特卡洛模擬法可以用來(lái)求解管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣的日需求量分布干涉情況下的供氣可靠度。這種方法的實(shí)質(zhì)是，從管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量的分布中隨機(jī)選取一個(gè)日供應(yīng)量值，并將其與取自城市天然氣的日需求量分布的日需求量值進(jìn)行比較，然后統(tǒng)計(jì)比較的結(jié)果，從而可以計(jì)算出供氣可靠度［6］。圖3為牟志忠等學(xué)者用蒙特卡洛模擬法進(jìn)行可靠度計(jì)算的流程圖［7］。

已知天然氣管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣的日需求量分布都呈正態(tài)分布，其均值和方差分別為μS=700 120 m3，σS=4 844 m3，μD=604 230 m3，σD=51 388 m3，用蒙特卡洛模擬法計(jì)算供氣可靠度［9］。根據(jù)蒙特卡洛模擬法計(jì)算可靠度的流程說(shuō)明的步驟，編制matlab程序，所得出的模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3　用蒙特卡洛模擬法計(jì)算可靠度的流程圖

表1　蒙特卡洛模擬計(jì)算結(jié)果表

由可靠度計(jì)算公式所得的結(jié)果為0.968 4，與蒙特卡洛模擬結(jié)果對(duì)比可知，增加模擬次數(shù)可以提高模擬計(jì)算結(jié)果的精確度。

4　結(jié)論

1）根據(jù)管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣的日需求量的概率密度函數(shù)可建立管網(wǎng)供給天然氣量—天然氣日需求量的干涉模型。

2）根據(jù)可靠度的定義，得出干涉模型中供應(yīng)可靠度的一般表達(dá)式，可以用于計(jì)算供應(yīng)可靠度。

3）根據(jù)干涉區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)處于不可靠狀態(tài)，推導(dǎo)出供應(yīng)可靠度的表達(dá)式?？紤]到在計(jì)算可靠度時(shí)，管網(wǎng)供給城市門站的天然氣量和城市天然氣的日需求量的概率密度函數(shù)不可積的情況，引入了蒙特卡洛模擬法，結(jié)果證明增加模擬次數(shù)可以提高模擬計(jì)算結(jié)果的精確度，使其越來(lái)越接近于可靠度計(jì)算結(jié)果。

［1］張洪才.應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型的可靠度計(jì)算方法的研究［J］.應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例分析，2001（6）：45-47.

［2］羅金恒，趙新偉，韓曉毅，等.西氣東輸管道可靠度預(yù)評(píng)估［J］.焊管，2005，28（3）：62-65.

［3］閏春寧.論可靠性工程中應(yīng)力與強(qiáng)度分布干涉區(qū)的提法［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1989，22（4）：42-45.

［4］曾聲奎，趙廷弟，張建國(guó)，等.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

［5］王勇.普光輸氣站場(chǎng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2012.

［6］牟志忠，朱文予.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［7］牟志忠.機(jī)械可靠性：理論·方法·應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［8］張思，周思柱，李美求，等.基于VB與Matlab混合編程的機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2014，41（6）：44-48.

［9］張仙風(fēng)，呂志鵬.基于MATLAB的蒙特卡羅方法在可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2006（4）：76-77.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2016）04-0068-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.04.019

修訂回稿日期：2016-07-03

姜好（1989-），碩士，從事燃?xì)怙L(fēng)險(xiǎn)管理工作。E-mail：jhswpu@126.com。