摘    要：為研究鹽穴壓氣儲能項目總體風險受單因素變量影響的變化趨勢，文章對鹽穴壓氣儲能項目存在的主要風險進行分析，從組織影響層、事故層及安全監管層三方面著手建立風險分析模型，基于系統動力學原理和實際運行過程的管理模式、管理風險、管理要素間的邏輯關系，結合VENSIM軟件進行仿真模擬。模擬得到：安全監管層中風險預防對總體風險的控制效果最好，優先于應急監管、安全教育和蓄能過程監管等措施。

關鍵詞：鹽穴壓氣儲能;系統動力學;VENSIM軟件;仿真模擬;

1 前言

在我國能源轉型和雙碳戰略的大背景下，抽水蓄能、壓氣蓄能和電池儲能是三大主要儲能技術。相比抽水蓄能的地勢要求，電池蓄能的環境挑戰，壓縮空氣儲能在有鹽穴的地方可以利用鹽穴，沒有鹽穴的地方依靠人工造穴，地質限制小，具備大規模建設的基礎，另外還有規模大、啟動快的優點[1]。由于儲氣庫系統可能受腐蝕、誤操作、鹽巖蠕變等危害因素的不良影響，造成儲氣庫穩定性和安全可靠性降低，甚至引發災難性的事故，如氣體泄漏、溶腔失穩和庫區地表沉陷等，地下儲氣庫的安全問題不容忽視。

2 鹽穴壓氣儲能研究綜述

針對鹽穴儲能項目安全風險研究，主要集中于儲氣庫風險研究。駱正山等[2]采用未確知測度理論、變權理論和改進的集對分析方法建立鹽巖儲氣庫建腔期穩定性評價體系，定量評估穩定性等級，分析評價體系狀態變化趨勢。羅金恒等[3]以鹽穴地下儲氣庫作為研究對象，采用系統分析、故障樹分析、定量分析方法等進行研究，為鹽穴地下儲氣庫安全管理提供了依據，同時可為枯竭油氣藏型和含水層型儲氣庫的安全管理提供參考。唐彬[4]將鹽穴地下儲氣庫劃分為四個單元，分別對其運行期間主要危險有害因素進行分析，并針對相應風險控制措施進行探討，為鹽穴地下儲氣庫的運行安全管理提供思路。

3 基于系統動力學的風險模型建立

3.1 主要風險因素分析

鹽穴壓氣儲能項目存在的風險因素主要分布在儲氣腔體、注采井、注采站、配套集輸管道四個單元。儲氣腔體是風險最高的單元，主要包括注采周期頻繁產生交應變力作用于腔體，鹽巖層失穩，腔體長期低壓或高壓運行，腔體周圍進行打井、采鹽活動等影響腔體的穩定性發生坍塌事故；注采井是腔體儲氣安全的重要保障，存在的風險主要有人為操作不當、套管腐蝕、封隔器失效、井下安全閥失效、井口設備閥門缺陷等；注采站是對氣體進行增壓、脫水等處理的場所，存在的主要風險包括員工操作不當、自控系統失效，設備、閥門銹蝕故障，法蘭、焊口和密封存在缺陷等導致氣體泄漏，機泵轉動部位防護缺失或缺陷，安全閥失效等；集輸管道的風險主要包括管道腐蝕、疲勞失效及第三方施工破壞而引起的泄漏、爆炸。

3.2 系統結構分析及模型構建

安全風險的控制措施包括工程技術措施、管理措施、教育培訓措施、應急處置措施等。對上述風險分析結果進行研判，文章從組織影響層、事故層及安全監管層三方面著手建立風險分析模型，模型的邊界只涉及到與其相關的因素，不考慮其他主體。為分析各風險因素之間的相互關系以及作用路徑，建立鹽穴壓氣儲能項目的因果關系圖，因果關系模型見圖1,模型中包括一條正反饋回路和一條負反饋回路。

正反饋回路：組織影響層風險↑→事故層風險↑→總體風險↑→組織影響層風險↑。

負反饋回路：組織影響層風險↓→安全監管層風險↓→事故層風險↓→總體風險↓→組織影響層風險↓。

組織影響層風險通過正、負反饋對總體風險進行調節，正反饋環的自我強化效果使得總體風險增強，負反饋環的自我弱化作用則會使總體風險降低，在正負反饋環的共同調節作用下，風險系統逐漸趨于動態平衡。

圖1 鹽穴壓氣儲能系統因果回路圖 

根據因果關系圖及系統結構流圖定性分析，借助VENSIM軟件構建出如圖2所示的鹽穴壓氣儲能系統存量流量圖。狀態變量包括：組織影響層、安全監管層、事故風險、總體風險；輔助變量包括：設備技術管理、組織決策效率、人員配置管理水平、應急監管、蓄能監管、風險預防、人為因素可靠度、設備因素可靠度等；速率變量包括：影響速率a、影響速率b、影響速率c。

4 動態仿真模擬研究

建立風險評價模型，模擬參數設定：時間，1～365 d; 間隔，1 d。

4.1 組織影響層A

(1)組織決策效率A1=(設備技術管理水平A11+人員配置管理水平A12)/2。

設備技術管理水平A11=(〈Time〉-1/〈Time〉)/365。

人員配置管理水平A12=〈Time〉/365。

(2)參照“反向艾賓浩斯記憶遺忘曲線”,規章制度執行度A2=0.56〈Time〉^0.06。

(3)影響速率a=(組織決策效率A1+規章制度執行度A2)/2。

圖2 鹽穴壓氣儲能系統流圖

4.3 事故風險層C

根據任工昌等人[6]、劉亮輝等人[7]關于人機系統及其可靠性方面的研究成果，在串聯系統中，任何子系統發生失誤就會導致系統整體失誤，因此必須保證所有的子系統都正常。

其可靠度的計算公式為：

式中：RC為系統可靠度，Rci分別為人為因素、設備因素、環境因素可靠度。

參照《基于HFACS的鹽穴壓氣儲能安全分析及風險管控對策研究》[8]的研究結果，人為因素可靠度C1的權向量為(0.139 6,0.332 6,0.527 8),設備因素可靠度C2的權向量(0.085,0.085,0.171 4,0.284 5,0.374 2),環境因素可靠度C3的權向量為(0.5,0.5),開展如下模擬計算。

(1)人為因素可靠度C1。

專業技能水平C11:專業技術崗位分為13個等級，包括高級崗位(7個)、中級崗位(3個)、初級崗位(3個),此處專業技能水平C11設置input output object數值滑動條，區間在[0,1],間隔為1/13,即0.076 9。文章模擬設定初始值為0.538 5。

判斷力C12,即經驗水平，經驗公式擬合函數=(1/12)*〈Time〉^0.5=0.083 3*〈Time〉^0.5。1/12表示一周年內12個月，每個月逐級遞增。

自控系統操作水平C13,現代鹽穴壓氣儲能腔體自控系統操作水平可到95%以上，因此設定input output object數值滑動條，區間在[0.95,1],間隔為0.01,文章模擬設定初始值為0.98。

根據各風險因素的權重，人為因素可靠度Rc1=(0.139 6*專業技能水平C11)*(0.332 6*判斷力C12)*(0.527 8*自控系統操作水平C13)。

(2)設備因素可靠度C2。

壓縮機組運行率C21:設定input output object數值滑動條，區間在[0.95,1],間隔為0.01,文章模擬設定初始值為0.98。C22、C23、C24、C25的設定參考C11。

根據各風險因素的權重，設備因素可靠性RC2=(0.085*壓縮機組運行率C21)*(0.085*膨脹發電機組運行率C22)*(0.171 4*集輸管線系統運行率C23)*(0.284 5*計量調壓設備運行率C24)*(0.374 2*儲氣庫腔體運行率C25)。

(3)環境因素可靠度C3。

總投入，根據蘇鹽井神某儲氣庫一期項目，投資設定為223 100萬元，形成庫容氣量103 500萬m3。根據各風險因素的權重，環境因素可靠度RC3=0.5*223 100/(0.5*103 500)=2.156。

5 模擬結果及措施建議

5.1 模擬結果

(1)狀態變量風險對比。

隨著時間的變化，組織影響層、安全監管層、事故風險層的作用使風險量均呈下降趨勢，且安全監管層的下降比例最大，其次是事故風險層，組織影響層風險下降比例最小；總體風險呈先下降后上升趨勢，在6個月～7個月的時間點，總體風險量最低，1 a后總體風險量超過1 a前風險量，這是由于在前期組織影響層、安全監管層等措施的影響下使得總體風險下降，但是隨著時間的延長，控制作用減弱，新的風險因素暴露出來，總體風險反彈上升。

(2)影響速率對比。

影響速率隨著時間的變化均呈上升趨勢，各因素在作用時間內起到降低風險量的作用；影響速率b>影響速率c>影響速率a, 在單位時間內，安全監管效應層應急監管、蓄能過程監管、風險預防、安全教育對風險水平的影響作用最大；組織影響層組織決策效率、規章制度執行度對風險水平的影響作用最小。

(3)組織影響層各因素對比。

組織影響層中規章制度執行度在開始執行階段對風險水平的降低有良好的促進作用，在執行中可能存在制度不健全、執行力度差等問題使得對風險水平的降低作用減緩；組織決策效率在整個周期中對風險水平有調節作用呈線性關系，受單一因素的影響。初始階段，規章制度執行度和組織決策效率對風險水平的影響作用相同，隨著作用時間的延長規章制度執行度對風險水平的影響作用占比更大。

(4)安全監管層各因素對比。

應急監管、風險預防、安全教育、蓄能過程監管在運行過程中均對風險水平的調節有良好促進作用。

(5)事故風險層各因素對比。

由于鹽穴壓氣儲能項目腔體容量、項目投入是固定的，所以環境因素可靠度對風險水平的作用不會隨時間進行變化；壓縮機組運、膨脹發電機組、計量調壓等設備在運行過程中運行率在0.95～1的范圍內滑動，變化量極小，所以設備因素可靠度對風險水平的影響作用幾乎不變；由于人員技能、判斷能力以及自控操作能力的提升，使得風險水平降低，到項目后期人員技能、判斷能力，以及自控操作能力相對穩定，使得項目風險水平也逐漸穩定。

(6)相對性分析。

①組織影響層敏感性分析。

由模擬結果可知，組織決策效率敏感性分析帶寬為50%左右，規章制度執行度敏感性分析帶寬為60%左右，因此在敏感性排序上，規章制度執行度優先于組織決策效率。

②安全監管層敏感性分析

由模擬結果可知，蓄能過程監管、應急監管、安全教育、風險預防敏感性分析帶寬分別為35%、50%、50%、60%左右，因此在敏感性排序上，風險預防優先于應急監管和安全教育、應急監管和安全教育優先于蓄能過程監管。

③事故風險層敏感性分析。

事故風險層的主要影響因素按類別可分為人、機、環等三要素，要素之間重要性缺一不可，同等重要，因此無需再做敏感性分析。

5.2 措施建議

為預測鹽穴壓氣儲能項目的安全風險水平，文章對鹽穴壓氣儲能項目進行了基于系統動力學的動態仿真模擬研究，根據研究結果，提出措施建議：

(1)在項目運行前期，必須牢固樹立安全體系化管理理念，扎實推進本質化安全措施落地，著重降低人員風險，提高作業人員的作業能力、分析能力和應急處理能力，使人成為鹽穴地下儲氣庫安全保障體系穩定的核心因素。

(2)在項目運行過程中，設備和工藝過程管理尤其重要。鹽穴儲氣庫注采氣過程是一個復雜的熱動力平衡過程，注采管柱、井壁、腔體圍巖在注采氣過程中會不斷受到交變應力、熱量交換腔體蠕變的影響，可能引發氣體泄漏、井筒損壞、坍塌等事故。在運行中需嚴格控制注采過程的密封性，確保較高的井筒質量，避免氣體泄漏、井筒損壞等；井套管應采用高強度厚壁氣密封套管，防止鹽巖層蠕變被擠毀，發生坍塌，做好風險預防。

6 總結

文章對鹽穴壓氣儲能項目的主要風險因素進行了分析，從組織影響層、事故層及安全監管層三方面著手建立風險分析模型，根據VENSIM仿真模擬結果，提出相關措施建議，總結如下：

1)組織影響層、安全監管層、事故風險層的作用均會降低總體風險，且安全監管層對總體風險的影響效果最為明顯；在單位時間內，安全監管效應層中的應急監管、蓄能過程監管、風險預防、安全教育對風險水平的影響作用最大。

2)組織影響層中組織決策效率、規章制度執行敏感性帶寬分別約為50%、60%,規章制度執行度優先于組織決策效率，充分證明安全管理體系化運行的重要性、獨立性。安全監管層中蓄能過程監管、應急監管、安全教育、風險預防敏感性帶寬分別約為35%、50%、50%、60%,風險預防對總體風險的控制效果最好，在項目運行過程中，設備和工藝過程管理尤其重要，需降低注采過程交變應力的影響，嚴格控制注采過程的密封性，確保較高的井簡質量，井套管應采用高強度厚壁氣密封套管，防止鹽巖層蠕變被擠毀，發生氣體泄漏、坍塌等事故。事故風險層敏感性分析說明各要素之間缺一不可，敏感性一致。

參考文獻

[1] 王有法.鹽巖能源儲氣庫群運營風險評價與調控分析研究[D].濟南：山東大學，2014.

[2] 駱正山，李定芳.鹽巖儲氣庫建腔期穩定性評價模型及應用研究[J].工業安全與環保，2019,45(2):1-5.

[3] 唐彬.鹽穴地下儲氣庫運行安全風險管控探討[J].石化技術，2021,28(10):16-17.

[4] 羅金恒，李麗鋒，趙新偉，等.鹽穴地下儲氣庫風險評估方法及應用研究[J].天然氣工業，2011,31(8):106-111.

[5] 趙欣，曹平，張向陽.基于事故致因分析的安全監管資源分配優化分析[J].安全與環境工程，2013,20(2):121-124.

[6] 任工昌，翟志鵬.淺析人機系統及其可靠性的計算[J].機電產品開發與創新，2011,24(1):35-37.

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[8] 陳偉，劉洋.基于HFACS的鹽穴壓氣儲能安全分析及風險管控對策研究[J].中國井礦鹽，2023,54(1):21-24.

文章來源：鹽科學與化工