上海天然氣管網(wǎng)有限公司 胡嶸

0 前言

目前，上海天然氣主干網(wǎng)已建成投運(yùn)600余km管道，建有6.0 MPa、4.0 MPa、2.5 MPa和1.6 MPa四個壓力級制的超高壓、高壓管道。其中超過 1/3的6.0 MPa管道是當(dāng)前主干網(wǎng)日常調(diào)峰、儲氣所依賴的最主要、最重要的輸氣設(shè)施。

按 2010年上海天然氣供應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主干網(wǎng)6.0 MPa管道接收氣源的供應(yīng)占全市氣源供應(yīng)量的92%；直供用戶的用量占全市用戶用量的41%，其中有燃?xì)怆姀S、漕涇化工區(qū)、石化等市重點(diǎn)項(xiàng)目的用戶。

隨著上海天然氣市場的發(fā)展，預(yù)計上述比例及直供的用戶數(shù)量將在“十二五”期間進(jìn)一步增加，同時主干網(wǎng)調(diào)峰能力的需求隨之增加。

根據(jù)2010年實(shí)際情況，上海天然氣主干網(wǎng)的調(diào)峰主要通過氣源調(diào)峰和6.0 MPa管道實(shí)現(xiàn)。但按規(guī)劃的發(fā)展速度，主干網(wǎng)可用調(diào)峰量占全市日用氣量的比例將在 2010年不足 19 %的基礎(chǔ)上再降低1/3，所以可以預(yù)計的是，6.0 MPa管道壓力波動將進(jìn)一步增大。

保障6.0 MPa管道的安全運(yùn)行是確保全市天然氣安全供應(yīng)工作的重要一環(huán)。具體來講，就是要保障6.0 MPa管道運(yùn)行壓力在正常范圍內(nèi)波動——壓力過高則影響氣源的供應(yīng)工作、減少供應(yīng)量；壓力過低則影響直供用戶的安全用氣和生產(chǎn)計劃。

在制定日供需平衡計劃工作中，將每天6:00(燃?xì)馊掌鹗紩r間)6.0 MPa管道監(jiān)測點(diǎn)的壓力作為是否能夠?qū)崿F(xiàn)每日該管道安全運(yùn)行以及供需計劃是否可行的主要判定指標(biāo)。然而僅依靠早6:00監(jiān)測壓力無法直接判斷日用氣高峰、低谷期間6.0 MPa管道的運(yùn)行壓力情況。

目前，依靠計劃人員的經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測其運(yùn)行壓力的最值和估算管道調(diào)峰量，這存在一定的不確定性，不利于對氣源供應(yīng)和化工、燃?xì)怆姀S等用戶用氣方式的協(xié)調(diào)工作，也不利于應(yīng)對氣源和用戶突發(fā)計劃調(diào)整的情況。

鑒于當(dāng)前尚未建立對主干網(wǎng)6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值預(yù)測的系統(tǒng)，以及由此對上海天然氣主干網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生的風(fēng)險，因此有必要盡快開展對主干網(wǎng)6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)的最值預(yù)測工作，完善主干網(wǎng)安全運(yùn)行判定指標(biāo)。

1 6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值的常規(guī)預(yù)測方法

目前對6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值預(yù)測方法主要為直接計算法——依據(jù)管道小時負(fù)荷和氣源小時供應(yīng)量，通過計算調(diào)峰量推導(dǎo)管道壓力或通過管道水力計算得出管道壓力。

直接計算法可以計算出全天24 h的6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)壓力值，若使用水力計算模型則可以得到主干網(wǎng)任意點(diǎn)的壓力值。這是直接計算法具有的優(yōu)勢，但其也有明顯的劣勢：

(1)需要所有用戶的小時負(fù)荷，包括區(qū)域燃?xì)怃N售公司、大工業(yè)、燃?xì)怆姀S等用戶。大工業(yè)、燃?xì)怆姀S等用戶用量尚有上報計劃可依，但銷售公司用量受氣溫、節(jié)假日等外部因素影響明顯，且上海各銷售公司因其所處地域不同，其用氣規(guī)律/特征各異，因此對銷售公司小時負(fù)荷的預(yù)測一直是負(fù)荷預(yù)測工作中的難點(diǎn)，這也將影響直接計算法的準(zhǔn)確性及推廣使用。

此外，若進(jìn)行水力計算，則更是需要主干網(wǎng)現(xiàn)有四、五十個用戶場站的小時負(fù)荷，這必然需要預(yù)測軟件的輔助才能實(shí)現(xiàn)，增加了整個系統(tǒng)失效的概率，降低了可靠性。

(2)存在其他影響因素。通過計算調(diào)峰量推導(dǎo)管道壓力，必需涉及到主干網(wǎng)小時產(chǎn)銷差的經(jīng)驗(yàn)判斷。而在通過管道水力計算得出管道壓力前，必需構(gòu)建主干網(wǎng)全網(wǎng)模型并進(jìn)行長時間的調(diào)試，運(yùn)行后尚有大量維護(hù)和更新工作需要實(shí)施，因此所需投入的人力物力規(guī)模巨大。

此外，在進(jìn)行管道水力計算過程中，還存在管道摩阻系數(shù)和氣源氣質(zhì)等變化對計算結(jié)果的影響、軟件計算時間長等負(fù)面因素。

另外，考慮到天然氣管網(wǎng)自身所具備一定的儲氣調(diào)峰能力，不似電網(wǎng)般有剛性要求，因此，除管道監(jiān)測壓力的最值及早6:00壓力值外，其余21個壓力預(yù)測值對監(jiān)測工作僅有參考意義。

在綜合考慮常規(guī)預(yù)測方法利弊和日常管網(wǎng)控制的需要后，為避免常規(guī)預(yù)測方法的劣勢，并向計劃編制及調(diào)度人員提供一定精度的6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值及最值出現(xiàn)時刻的預(yù)測參考，在此嘗試使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neutral Networks，簡稱 ANN)，是當(dāng)前用于信息處理、組合優(yōu)化計算方面較為先進(jìn)的方法。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式，因此具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、可以實(shí)現(xiàn)非線性映射過程及大規(guī)模計算。

通俗來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，即模擬人的經(jīng)驗(yàn)判斷來進(jìn)行預(yù)測。

2.1 流程介紹

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值及最值出現(xiàn)時刻的流程如下：

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及預(yù)測流程

*根據(jù)調(diào)峰量定義，將全市大工業(yè)、電廠用戶和氣源當(dāng)日產(chǎn)生的調(diào)峰量公式定為：

式中：Qi—第i個小時的調(diào)峰量；

qi—第i個小時的小時負(fù)荷，q0=0；

∑ q —24小時負(fù)荷的合計值；

Q—當(dāng)天的調(diào)峰量；

i—時間，i=1，2，3，……，24。

其中，6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)次日6:00壓力值通過供需氣量可預(yù)測得到。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，只要有足夠的數(shù)據(jù)輸入，就可以得到相應(yīng)的輸出。因此，對于管道上的任意壓力點(diǎn)，只要提供充分的因素(數(shù)據(jù)輸入)，就可以對可重復(fù)發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測。但對于突發(fā)異常情況，則無法進(jìn)行預(yù)測。壓力預(yù)測的對象本質(zhì)上是虛擬點(diǎn)，但可以用實(shí)際點(diǎn)的正常數(shù)據(jù)來替代。

在這里，取上海白鶴首站6.0 MPa出站壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。該壓力監(jiān)測點(diǎn)自 2004年主干網(wǎng)正式投運(yùn)以來就一直是日常管網(wǎng)控制工作的主要監(jiān)測對象和供需平衡計劃是否可行的重要判定指標(biāo)。因此，取該點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測對日常工作有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.1 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

取2009~2010年兩年的歷史數(shù)據(jù)分別作為輸入層和輸出層，經(jīng)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 2011年1~3月歷史數(shù)據(jù)模擬試驗(yàn)

取2011年1~3月歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，一次性輸入2011年1~3月內(nèi)每天的月份、日期、星期、節(jié)假日、最高溫度、最低溫度、天氣狀況、管容、6:00壓力、次日6:00壓力、工業(yè)用戶調(diào)峰量、電廠用戶調(diào)峰量和氣源產(chǎn)生的調(diào)峰量數(shù)據(jù)。其中對于國定節(jié)假日，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整節(jié)假日數(shù)值。經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測后，得到1~3月每天6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)的最高壓力、最低壓力、最高壓力出現(xiàn)時刻和最低壓力出現(xiàn)時刻的預(yù)測值。

預(yù)測結(jié)果如下：

上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)最高實(shí)際壓力同預(yù)測值對比見圖2。

圖2 實(shí)際最高壓力同預(yù)測值對比

上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最低壓力同預(yù)測值對比見圖3。

圖3 實(shí)際最低壓力同預(yù)測值對比

上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力出現(xiàn)時刻同預(yù)測值對比見圖4。

圖4 實(shí)際最高壓力出現(xiàn)時刻同預(yù)測值對比

上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最低壓力出現(xiàn)時刻同預(yù)測值對比見圖5。

圖5 實(shí)際最低壓力出現(xiàn)時刻同預(yù)測值對比

對預(yù)測結(jié)果采用絕對偏差進(jìn)行統(tǒng)計，偏差結(jié)果見表1。

表1 2011年1~3月壓力監(jiān)測點(diǎn)最值預(yù)測絕對偏差統(tǒng)計

表1中最高壓力和最低壓力絕對偏差的最大值分別為0.20 MPa和0.38 MPa，但從絕對偏差平均值來看，總體預(yù)測情況還是能夠被接受的。

最高壓力出現(xiàn)時刻和最低壓力出現(xiàn)時刻的預(yù)測結(jié)果可見圖4、5。其中最高壓力出現(xiàn)時刻絕對偏差最大值為20 h、最低為0 h、平均為4 h；最低壓力出現(xiàn)時刻絕對偏差最大值為8 h、最低為0 h、平均為 1 h。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，最低壓力出現(xiàn)時刻的預(yù)測結(jié)果尚可，而最高壓力出現(xiàn)時刻的預(yù)測結(jié)果精度稍差。但考慮到最高壓力出現(xiàn)的時間通常處于每天的起始或結(jié)束時間，且其對于重要性稍低，因此對其預(yù)測結(jié)果的精度要求可以稍低。

2.2.3 2008年3月歷史數(shù)據(jù)模擬試驗(yàn)

采用2008年3月的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測試驗(yàn)，來觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對間隔時間較長的主干網(wǎng)6.0 MPa管道運(yùn)行情況的預(yù)測精度。同樣選取上海白鶴首站6.0 MPa壓力監(jiān)測點(diǎn)為預(yù)測對象。

對預(yù)測結(jié)果采用絕對偏差進(jìn)行統(tǒng)計，見表2。

表2 2008年3月壓力監(jiān)測點(diǎn)最值預(yù)測絕對偏差統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)觀察，2008年3月的偏差情況接近2011年1~3月的預(yù)測結(jié)果。這說明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法對運(yùn)行工況的連續(xù)性沒有要求，甚至對早于學(xué)習(xí)/訓(xùn)練數(shù)據(jù)之前的情況，同樣可以進(jìn)行預(yù)測。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)和計劃數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果對比

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法運(yùn)用于實(shí)際供需平衡計劃工作中，加入人為預(yù)測偏差因素，來觀察該預(yù)測法的實(shí)際預(yù)測效果。同樣選取上海白鶴首站6.0 MPa壓力監(jiān)測點(diǎn)為預(yù)測對象。

歷史數(shù)據(jù)預(yù)測，采用的歷史數(shù)據(jù)(同上)，計劃數(shù)據(jù)預(yù)測，采用供需計劃量、人工預(yù)測數(shù)據(jù)以及負(fù)荷預(yù)測軟件做提供的工業(yè)、電廠用戶用氣趨勢數(shù)據(jù)，并對其中明顯存在的錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行人工校正。2.2.4.1 歷史數(shù)據(jù)預(yù)測

2011年4月上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力、實(shí)際最低壓力以及它們出現(xiàn)的時刻同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果對比分別見圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力同預(yù)測對比

圖7 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最低壓力同預(yù)測對比

圖8 壓力監(jiān)測點(diǎn)最高壓力出現(xiàn)的實(shí)際時間同預(yù)測對比

圖9 壓力監(jiān)測點(diǎn)最低壓力出現(xiàn)的實(shí)際時間同預(yù)測對比

對預(yù)測結(jié)果采用絕對偏差進(jìn)行統(tǒng)計，見表3。

表3 歷史數(shù)據(jù)預(yù)測的最值絕對偏差統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，最高壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月23日為0.25 MPa，最低壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月13日為0.23 MPa。最高壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月17日為13 h，最低壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在 4月 30日為3 h，平均值為1 h。

2.2.4.2 計劃數(shù)據(jù)預(yù)測

2011年4月上海主干網(wǎng)6.0 MPa白鶴首站壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力、實(shí)際最低壓力以及它們出現(xiàn)的時刻同計劃數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果對比分別見圖 10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力同計劃預(yù)測對比

圖11 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最低壓力同計劃預(yù)測對比

圖12 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最高壓力出現(xiàn)時刻同計劃預(yù)測對比

圖13 壓力監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際最低壓力出現(xiàn)時刻同計劃預(yù)測對比

計劃預(yù)測結(jié)果采用絕對偏差進(jìn)行統(tǒng)計，見表4。

表4 計劃預(yù)測的最值絕對偏差統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，最高壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月26日為0.26 MPa，最低壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月20日為0.45 MPa；最高壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月30日為21 h，最低壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在 4月 17日為9 h，平均值為2 h。為找出人為預(yù)測偏差因素對預(yù)測結(jié)果的影響關(guān)系，特將計劃數(shù)據(jù)同歷史數(shù)據(jù)中各因素數(shù)值情況作如下對比：

圖14 氣源計劃預(yù)測同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)值對比

圖15 工業(yè)用戶計劃預(yù)測同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)值對比

圖16 電廠用戶計劃預(yù)測同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)值對比

圖17 次日6時壓力計劃預(yù)測同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)值對比

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計劃預(yù)測同歷史數(shù)據(jù)預(yù)測偏差最大值：氣源調(diào)峰量，4月23日34萬m3；工業(yè)用戶調(diào)峰量，4月1日20萬m3；電廠用戶調(diào)峰量，4月30日55萬m3；6.0 MPa白鶴首站監(jiān)測點(diǎn)次日6時壓力，4月17日0.42 MPa，其中4月26日偏差為0.37 MPa。

可以看出，人為預(yù)測偏差在一定程度上增加了預(yù)測結(jié)果的偏差。將影響較大的氣源調(diào)峰量和次日6時壓力用歷史數(shù)據(jù)替代后，預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計見表5。

表5 數(shù)據(jù)替代后最值預(yù)測絕對偏差統(tǒng)計

替代后預(yù)測偏差有明顯的降低，其中最高壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月23日為0.22 MPa，最低壓力絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月10日為0.37 MPa。最高壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月17日為13 h，平均值為4 h。最低壓力出現(xiàn)時刻的絕對偏差最大值出現(xiàn)在4月6日為5 h，平均值為1 h。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的適用范圍

依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人經(jīng)驗(yàn)預(yù)測的工作原理，相對于常規(guī)預(yù)測方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法具有以下優(yōu)勢：

(1)無需各區(qū)域銷售公司的小時預(yù)測；

(2)預(yù)測模型相對簡單，執(zhí)行一次預(yù)測所需時間短。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測也有其局限性：

(1)對于重復(fù)次數(shù)極少的偶發(fā)事件，無法提供可靠預(yù)測，例如管網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生突變等情況；

(2)需要大量歷史數(shù)據(jù)積累，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，若有5年的歷史數(shù)據(jù)作為支撐，預(yù)測精度能有進(jìn)一步的提高。

從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史數(shù)據(jù)以及計劃預(yù)測的結(jié)果來看，總體上預(yù)測精度可以接受，但尚需要進(jìn)一步的優(yōu)化，包括繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，來降低出現(xiàn)的最大偏差值。

4 結(jié)論與建議

就當(dāng)前上海天然氣主干網(wǎng)現(xiàn)狀及“十二五”規(guī)劃發(fā)展形勢而言，主干網(wǎng)調(diào)峰手段相對不足，形勢嚴(yán)峻。因此有必要盡快增加對主干網(wǎng)6.0 MPa管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值的預(yù)測，為日常調(diào)峰工作提供決策輔助。并根據(jù)當(dāng)前工作實(shí)際，對該項(xiàng)工作提供如下建議：

(1)對管道壓力監(jiān)測點(diǎn)最值的預(yù)測，建議采用不同的預(yù)測方法以相互彌補(bǔ)不足，提高預(yù)測的可靠性。

(2)加強(qiáng)信息化、數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)，為各種預(yù)測方法提供數(shù)據(jù)庫和自動化方面的支持，盡可能降低人為誤差發(fā)生的可能。

(3)從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測工作中發(fā)現(xiàn)，主要影響主干網(wǎng) 6.0 MPa管道壓力的因素為氣源調(diào)峰量(由氣源供應(yīng)方式?jīng)Q定)、工業(yè)用戶調(diào)峰量、電廠用戶調(diào)峰量、管道每日6時監(jiān)測點(diǎn)壓力值。這些因素可以通過加強(qiáng)用戶預(yù)測管理及氣源協(xié)調(diào)工作來提高準(zhǔn)確度。