面向可持续发展的城市燃气输配系统规划：理论、方法与综合实践（硕士研究生专业核心课教案）

面向可持续发展的城市燃气输配系统规划：理论、方法与综合实践（硕士研究生专业核心课教案）

  课程基本信息

  课程名称：城市燃气输配系统规划理论与综合实践

  适用对象：城乡规划学、市政工程、能源系统工程等专业硕士研究生（二年级）

  课程性质：专业核心课/学位选修课

  学时安排：总计48学时（理论教学32学时，案例研讨与模拟实践16学时）

  先修课程：城市规划原理、流体力学、工程经济学、地理信息系统（GIS）应用基础

  一、课程设计理念与思路

  本课程立足于新时代能源转型与城市高质量发展的宏观背景，打破传统市政工程规划教学的单一技术导向局限，构建“价值引领-系统思维-多学科交叉-全周期管理”四位一体的高阶教学框架。课程旨在培养学生具备以下核心素养：第一，深刻理解燃气系统在城市能源安全、低碳转型与韧性构建中的战略价值；第二，掌握从气源、输配、储气到用户末端的全系统规划设计方法，并能灵活应对不同城市规模、形态与发展阶段的需求；第三，能够综合运用工程计算、空间分析、经济评估与政策工具，解决规划中的复杂性与不确定性问题；第四，树立高度的工程伦理与社会责任感，将安全、公平、效率与可持续性作为规划决策的根本遵循。课程以“真实问题”为牵引，以“综合项目”为载体，通过“理论精讲-案例深析-软件实操-情境模拟-协同评审”的螺旋式递进教学环节，实现知识建构、能力培养与价值塑造的深度融合。

  二、教学目标

  （一）知识与技能目标

  1.系统掌握城市燃气负荷预测的多尺度、多方法模型（如时间序列分析、人均用气指标法、用地强度关联法、机器学习预测等），理解其适用条件与不确定性。

  2.精通高中压燃气管网水力计算理论与方法（如环状管网平差计算、动态工况模拟），能够运用专业软件（如SMS、TGNET或同类）进行稳态与瞬态模拟分析。

  3.掌握燃气输配系统关键设施（门站、调压站、储配站、LNG应急调峰站）的选址定容模型与空间布局原则，并能与城市土地利用、交通、生态等规划相协调。

  4.理解燃气管网系统可靠性、韧性及风险评估理论，能够识别主要风险源（地质、第三方破坏、腐蚀老化），并提出规划层面的防控与增强策略。

  5.熟悉燃气管网规划方案的技术经济综合评价体系，包括全生命周期成本（LCC）分析、多准则决策分析（MCDA）等工具的应用。

  （二）过程与方法目标

  1.通过完整的“数据收集-模型构建-方案比选-报告撰写-答辩评审”项目流程，提升独立开展复杂工程规划研究的综合能力。

  2.在小组协作中，培养跨专业沟通、角色分工与协同决策的能力，模拟真实规划团队的工作模式。

  3.学会批判性地评析经典规划案例与前沿学术文献，形成基于证据的规划论证逻辑。

  （三）情感、态度与价值观目标

  1.树立“人民至上、生命至上”的燃气安全红线意识，深刻理解规划失误可能引发的社会公共风险。

  2.培养“双碳”目标下的能源系统转型责任感，在规划中主动考虑多能互补、智慧化升级等可持续发展路径。

  3.形成严谨求实的科学态度、精益求精的工匠精神以及遵守职业伦理规范的自觉性。

  三、学情分析

  授课对象为已具备一定工程与规划基础的硕士研究生。其优势在于：具备良好的数理逻辑与专业理论基础；对新技术、新理念敏感且学习动力强；初步掌握GIS、CAD等工具。其面临的挑战与教学难点在于：第一，知识体系相对碎片化，缺乏将工程技术与空间规划、社会经济、环境政策进行系统性整合的经验；第二，对规划工作的复杂性和矛盾性认识不足，易陷入理想化的技术最优解思维；第三，缺乏大型工程系统分析的实战经验，对软件模拟结果的理解和批判性应用能力有待提高；第四，对行业规范、政策法规的实际约束力及其背后的价值考量理解不深。因此，教学需着力于“整合”、“复杂化”、“实战化”与“价值显性化”。

  四、教学重点与难点

  教学重点：1.基于多源数据的城市燃气负荷时空分布预测方法与模型构建。2.高压环状主干管网布局优化与水力工况模拟分析。3.燃气设施选址与城市空间规划的协同技术路径。4.规划方案的多目标综合评价与决策支持方法。

  教学难点：1.如何将不确定性的未来情景（如能源政策突变、城市空间重构）融入确定性规划模型。2.管网水力瞬态分析与事故工况模拟的物理意义及工程解读。3.在土地资源紧约束与邻避效应背景下，重大燃气基础设施的公共协商与社会可接受性分析框架。4.引导学生从“技术执行者”思维转向“系统管理者与价值权衡者”思维。

  五、教学策略与资源

  （一）教学策略

  1.基于项目的学习（PBL）：贯穿全课程，以一座典型城市（或特定新城、片区）为假想规划对象，学生分组完成从基础资料分析到最终规划方案的全过程。

  2.混合式教学：理论部分采用线上微课预习、线下精讲与深化；软件操作通过录屏教程与线下工作坊结合；案例研讨采用“世界咖啡”等参与式方法。

  3.情境模拟与角色扮演：设置规划方案评审会、公众听证会模拟等环节，学生分别扮演规划师、政府官员、企业代表、社区公众、环保人士等，进行多立场辩论与协商。

  4.专家嵌入教学：邀请燃气企业资深规划师、政府管理部门官员、设计院总工程师进行专题讲座或参与课程答辩，引入行业最新实践与真实困境。

  （二）教学资源

  1.核心教材与专著：自编讲义《城市燃气系统规划：可持续视角》。指定参考《燃气管网系统分析与优化》、《城市基础设施规划》等。

  2.案例库：包含国内外经典规划案例（如东京、新加坡高压环网；欧洲氢能管网规划探索；中国某特大城市燃气发展规划修编）及失败教训案例（如某市气源短缺事件、某新区管网重复建设问题）。

  3.软件平台：GIS软件（ArcGIS/QGIS）、管网水力分析软件（SMS）、数据处理与可视化工具（Python/Pandas/Matplotlib）。

  4.数据包：提供模拟教学城市的历年社会经济统计数据、土地利用现状与规划图、人口热力图、现有燃气管网及设施数据（脱敏处理）、气象数据等。

  六、教学过程设计（详细阐述核心环节）

  本课程共16个教学周，每周3学时。教学过程分为四个循序渐进的模块。

  模块一：价值重构与系统认知（第1-3周，共9学时）

  本模块目标：破除“管网即管道”的狭隘认知，建立燃气输配系统作为关键城市生命线工程和能源枢纽的宏观战略图景。

  第1周：课程导论：能源转型中的城市燃气系统。

  课前：学生线上观看纪录片片段《城市的血脉——能源基础设施》并阅读《“十四五”现代能源体系规划》节选，思考“双碳目标下，燃气是过渡能源还是支柱能源？”。

  课中：

  1.（30分钟）情境导入与焦点讨论：展示同一城市在冬季极寒天气下“气荒”舆情的新闻与夏季调峰电厂天然气需求激增的数据图表。引发学生讨论：燃气供应紧张是“资源问题”、“管网问题”还是“调度管理问题”？规划如何应对此类极端波动？

  2.（60分钟）理论精讲与价值引领：

    （1）从“照明气”到“智慧能源节点”：世界及中国城市燃气发展简史与动力演变。

    （2）现代燃气系统的四大核心价值：能源安全保障基座、低碳转型关键支撑（替代散煤、配合可再生能源）、城市韧性物质基础、经济高效能源载体。

    （3）规划范式的变迁：从“需求追随”的扩张型规划，到“需求引导”的精细化规划，再到“多能协同、源网荷储一体”的智慧生态型规划。

  3.（30分钟）发布本课程终期项目任务书：以“生态宜居创新新城”为背景，要求各小组完成一份涵盖近期（2030年）与远期展望（2050年）的燃气输配系统专项规划方案，并特别关注氢能等绿色气体掺混输送的适应性。明确项目成果要求（规划报告、全套图纸、关键计算模型、15分钟汇报与答辩）。

  课后：学生自由组队（每组4-5人，鼓励跨专业），并初步查阅项目背景城市的公开资料，形成第一份小组会议记录。

  第2周：燃气系统构成与全生命周期管理。

  课前：各小组梳理项目城市可能的天然气气源类型（管道气、LNG、可能的地下储气库），并绘制简单的来源与流向示意图。

  课中：

  1.（45分钟）系统解构：结合三维动画与实物模型（调压器、阀门等），详细讲解输配系统“源-网-荷-储”各环节：

    源：长输管线分输站、LNG接收站/卫星站。

    网：压力级制划分（高压A/B、次高压、中压、低压）、管网拓扑结构（环状、枝状及其混合）与功能差异。

    荷：各类用户（居民、商业、工业、分布式能源、交通）的用气特性与负荷曲线。

    储：储配站（球罐）、管道储气、地下储气库、LNG储罐的调峰与应急功能。

  2.（45分钟）全周期管理视角下的规划挑战：聚焦规划阶段如何为后续的建设、运营、维护、退役预留弹性。重点讨论：管材选择（钢管、PE管）的长期性能与成本；管网数字化（GIS、SCADA）的规划前置要求；为未来巡检机器人、智能阀门等预留的接口与空间。

  3.（30分钟）案例研讨：分析某老城区燃气管网老化更新改造规划案例。讨论如何平衡改造期间的用户保供、施工安全、交通影响与成本控制。引导学生认识规划不仅是“画新图”，更是“理旧账”。

  课后：小组基于项目背景，初步分析不同功能片区（居住、工业、科技园、商业中心）的潜在负荷类型与需求特征。

  第3周：规划法规体系、技术标准与伦理规范。

  课前：自学《城镇燃气规划规范》（GB51098）、《城市综合交通体系规划标准》中涉及能源通道的条款，找出可能产生交叉或矛盾的规划控制要求。

  课中：

  1.（50分钟）法规标准精讲：系统梳理国家、地方层面与燃气规划相关的法律法规、技术标准、政策文件体系。强调强制性条文（如安全间距、抗震要求）的“红线”性质。重点解读“多规合一”背景下，燃气专项规划如何与国土空间总体规划、详细规划、综合交通规划、地下管线综合规划等进行有效衔接与协调。讲解规划报批的法定流程与关键环节。

  2.（40分钟）工程伦理工作坊：呈现两个伦理困境情境。情境A：规划高压燃气管道穿越一片生态敏感区但造价最低，或绕行经过人口稀疏区但成本增加30%，如何决策？情境B：为保障高端新区高可靠性供气而采用双环网，但老旧城区仍为单环枝状管网，这是否违背基础设施的公平性原则？学生分组辩论，教师引导思考安全、经济、环境、公平等多元价值的权重与取舍。

  课后：小组学习项目所在地的地方相关规划法规，并制定本组在项目中将遵循的伦理准则备忘录。

  模块二：核心方法与技术工具（第4-9周，共18学时）

  本模块目标：掌握燃气规划的核心定量与空间分析工具，并能批判性应用。

  第4周：燃气负荷预测（Ⅰ）：经典方法与数据基础。

  课前：小组收集项目城市（或类似城市）近5-10年的年度用气总量、分用户类型用气量、人口、GDP、产业结构等数据。

  课中：

  1.（60分钟）方法精讲：深入讲解各类预测方法的原理、步骤与局限。

    （1）指标法：人均用气指标、用地面积指标的单位、取值依据及动态修正。

    （2）弹性系数法：能源消费弹性系数、天然气消费弹性的概念与应用前提。

    （3）时间序列分析：移动平均、指数平滑、趋势外推（线性、指数、生长曲线）。

    强调任何预测都是基于历史数据和特定假设的推断，必须进行不确定性分析（如设置高、中、低三种情景）。

  2.（30分钟）数据质量与处理实务：讲解如何甄别和处理数据异常值、缺失值。介绍如何利用夜间灯光数据、POI（兴趣点）数据等新型地理空间数据辅助校核和细化传统统计数据的空间分布。

  课后：小组应用至少两种方法，完成项目城市2030年总用气负荷的初步预测，并陈述选择该方法的理由及可能误差来源。

  第5周：燃气负荷预测（Ⅱ）：空间分配与时序曲线。

  课前：小组获取项目城市的详细土地利用规划图（矢量数据）。

  课中：

  1.（50分钟）负荷的空间落位技术：在GIS环境中，讲解如何将城市总负荷根据各类用地的负荷密度指标（如单位面积商业用地用气指标）分配至各个规划地块，生成“燃气负荷密度分布图”。演示如何考虑大型点负荷（如发电厂、大型工厂）的单独核算与落点。

  2.（40分钟）负荷的时序特性：讲解典型日、月、年负荷曲线的概念及影响因素（气候、节假日、生产周期）。介绍叠加法构建城市总负荷曲线。引入“峰谷差”、“调峰需求”等关键概念，并关联至后续储气调峰设施规划。

  课后：小组在GIS中完成项目城市各规划地块的燃气负荷空间分配，并绘制负荷密度分布专题图。选取典型日（如冬季最冷日、夏季最热日），初步估算小时负荷曲线。

  第6周：燃气管网水力计算基础与软件入门。

  课前：自学流体力学中关于管道摩阻计算（柯列勃洛克公式等）的内容。安装管网水力计算教学软件。

  课中：

  1.（50分钟）理论回顾与深化：稳态水力计算的基本方程（连续性方程、能量方程）。管段阻力计算，局部阻力的当量长度法。环状管网平差计算的基本原理（哈代-克罗斯法）及其收敛条件。

  2.（40分钟）软件实操演示：以一个小型环状管网为例，演示如何在软件中构建网络拓扑、定义管材管径、设置气源压力与节点流量、运行稳态计算。重点讲解如何解读计算结果：节点压力分布、管段流量与流速、管网压力降。强调流速是否在经济合理范围、末端压力是否满足最低要求等工程判断标准。

  课后：完成软件自带的入门教程练习。小组开始构建项目城市简化版的高中压主干管网初步拓扑结构（基于道路网和负荷中心）。

  第7周：管网布局优化与水力工况分析。

  课前：小组完成简化版主干管网的软件建模。

  课中：

  1.（60分钟）布局优化策略与水力分析深化：讲解管网布局的主要原则（安全性、可靠性、经济性）。分析枝状与环状结构的优缺点及适用场景。介绍确定经济管径的常用方法（年费用最小法）。演示在软件中如何进行多工况校核：正常工况（高、中、低负荷）、事故工况（某段管道或某个气源点失效）、未来扩展工况。分析事故工况下的压力薄弱环节和供气可靠性。

  2.（30分钟）课堂实战：各小组在教师提供的统一基础网络上，调整一个关键管段的走向或管径，观察并解释对整个管网压力分布的影响。讨论“网络流”的鲁棒性概念。

  课后：小组对项目城市的初步管网进行正常工况与单一事故工况（指定某关键管段断开）的模拟，分析其可靠性，并提出至少一处优化改进设想。

  第8周：关键设施规划（门站、调压站与储气设施）。

  课前：调研国内已建成的某大型城市燃气门站或LNG储配站的公开资料，了解其占地面积、工艺流程、主要设备与投资规模。

  课中：

  1.（50分钟）设施规划原理：系统讲解各类设施的功能、工艺要求、选址原则、安全与环保间距。

    门站/接收站：与上游长输管道的接口，计量、加臭、调压、清管等功能，占地面积大，对交通衔接要求高。

    调压站（箱）：选址与城市景观、用地的协调，噪声控制。

    储气设施：确定储气规模的常用方法（如体积法、不均匀系数法），各类储气方式（地下储气库、管道末端储气、LNG储罐、CNG储配站）的适用条件与经济性比较。

  2.（40分钟）空间协调与邻避问题应对：结合国土空间规划中的“三区三线”（城镇开发边界、永久基本农田、生态保护红线），讲解设施选址的约束条件。通过角色扮演，模拟一个调压站选址的社区沟通会，让学生体验技术方案与社会接受度之间的张力。

  课后：小组为项目城市初步选定一个高压门站和两个高中压调压站的位置，在地图上标绘，并书面陈述选址理由及需协调的周边用地情况。

  第9周：规划中的风险评估与韧性增强。

  课前：阅读关于城市生命线工程韧性（Resilience）的学术文献一篇，总结其核心定义与评估维度。

  课中：

  1.（50分钟）风险识别与评估方法：系统介绍燃气管网的主要风险源：自然灾害（地震、地质灾害）、第三方破坏（施工开挖）、腐蚀、材料缺陷、误操作等。讲解定量风险评估（QRA）的基本框架：事故场景识别、频率分析、后果分析（泄漏、火灾、爆炸）、风险计算与可视化。介绍基于GIS的多灾种风险评估叠加分析方法。

  2.（40分钟）韧性增强的规划策略：超越传统的“防灾”，引入“韧性”理念。讨论规划层面如何提升系统韧性：例如，通过构建多气源、多通道的供应网络提高冗余度；在高风险区采用更高安全等级的管材或增加阀室隔离；规划应急指挥中心与疏散通道；将燃气系统恢复能力纳入城市综合应急规划。

  课后：小组利用提供的风险底图（如地震带、地质滑坡隐患点、大型施工活跃区），在项目城市的管网图上进行初步的风险分区标识，并提出针对高风险区段的1-2项规划韧性提升措施。

  模块三：综合实践与方案生成（第10-13周，共12学时）

  本模块目标：整合前序知识与技能，完成完整的规划方案编制，并经历多维度评审。

  第10周：多方案比选与综合评价。

  课前：各小组形成2个差异化的管网规划初步方案（例如，在总体布局、压力级制选择、主力储气方式上有所不同）。

  课中：

  1.（60分钟）综合评价体系构建：讲解如何建立针对燃气规划方案的多准则评价指标体系。典型指标包括：技术性指标（供气可靠性、平均管网压力、事故影响范围）、经济性指标（总投资、年运行费用、全生命周期成本）、环境性指标（土地占用、碳排放、生态影响）、社会性指标（施工影响范围、公平性）。介绍层次分析法（AHP）确定指标权重的步骤。

  2.（30分钟）工作坊：各小组在教师引导下，讨论并确定本组用于方案比选的评价指标体系及初步权重（可通过小组内匿名投票确定）。

  课后：小组应用建立的评价体系，对两个初步方案进行定量与定性相结合的综合比较，形成比选结论，并确定推荐方案。

  第11周：规划制图规范与报告撰写。

  课前：查阅优秀的城市规划或基础设施规划文本，分析其篇章结构和表达逻辑。

  课中：

  1.（45分钟）专业制图规范：详细讲解燃气专项规划图纸的组成、图例规范、比例尺要求、图层管理。必备图纸包括：燃气负荷密度分布图、燃气管网规划总平面图（含压力级制标识）、设施布局规划图、近期建设规划图等。演示在GIS中制作出版质量图纸的流程。

  2.（45分钟）规划报告撰写要领：讲解规划报告的标准框架：总则、现状分析、负荷预测、规划目标与原则、气源规划、输配系统规划（管网、设施）、安全与应急规划、近远期建设计划、投资估算与效益分析、实施保障措施。强调论述的逻辑链：问题-目标-策略-方案-行动。强调数据、图纸与文字论述的相互印证。

  课后：小组开始撰写规划报告正文初稿，并完善全套规划图纸。

  第12周：中期成果答辩与迭代。

  课中：（180分钟）模拟规划中期评审会。每个小组进行15分钟汇报，重点展示：负荷预测方法与结果、推荐方案的核心内容（管网布局、关键设施）、方案比选过程、初步的投资估算与特色亮点。评审团由教师、助教及随机抽选的2个其他小组代表组成。评审聚焦于技术路线的合理性、关键假设的可靠性、方案的创新性与可行性。每组接受10分钟质询。教师进行总结点评，指出共性问题与改进方向。

  课后：各小组根据评审意见，对方案和报告进行深入修改与完善。

  第13周：融入未来情景——氢能与智慧化展望。

  课前：阅读关于天然气管道输送掺氢、纯氢管道技术的前沿文献与示范项目报道。

  课中：

  1.（60分钟）氢能融入燃气管网的挑战与规划应对：讲解氢气的特性（密度小、易渗透、对材料有氢脆可能）对现有管网的适应性要求。探讨“渐进式”的规划策略：例如，在新建管网时选用氢兼容性更好的管材和设备；在规划走廊时预留未来纯氢管道的空间；研究掺氢比例对不同类型终端用户的影响。

  2.（30分钟）智慧燃气系统框架下的规划升级：介绍物联网（IoT）、数字孪生、大数据与人工智能在燃气系统运营中的应用前景。讨论规划阶段如何为智慧化奠定基础：如规划统一的管网数据标准与编码体系；考虑智能传感器、智能阀门的位置与通信需求；规划数据中心与智慧运营平台的空间与功能需求。

  课后：小组在规划报告的“远景展望”章节中，补充论述本项目规划方案对未来能源转型（如掺氢）和技术升级（智慧化）的适应性设计或预留考虑。

  模块四：成果集成、评价与反思（第14-16周，共9学时）

  第14周：终期成果完善与模拟公共听证。

  课前：各小组完成规划报告、图纸、计算模型的终稿。

  课中：（180分钟）模拟重大基础设施规划公众听证会。针对规划中涉及的某一处选址敏感的高压调压站或管道走廊，举行听证。学生角色扮演：规划编制组（陈述方案、解释技术合理性、回应关切）、政府主管部门（主持会议、权衡利益）、受影响社区居民（表达安全、环境、房产价值等方面的担忧）、环保组织代表（关注生态影响）、独立专家（提供第三方技术评估）。通过激烈而有序的辩论，让学生深刻体验规划决策中技术理性与社会多元诉求的碰撞，练习沟通、妥协与寻求共识的技巧。教师作为听证主持人，控制流程并最后进行点评。

  课后：各小组根据听证会模拟的反馈，对规划报告的“公众参与”部分或相关方案的沟通策略进行补充或反思。

  第15周：终期答辩与成果展示。

  课中：（180分钟）正式终期答辩。邀请行业专家（企业、设计院）与校内相关专业教师组成联合答辩委员会。各小组进行20分钟完整汇报，全面展示规划成果。答辩委员会进行15分钟提问，问题覆盖技术细节、经济可行性、政策合规性、创新点等。所有小组答辩结束后，进行开放性成果展示与交流。

  第16周：课程总结、反思与个体知识建构。

  课前：每位学生提交一份个人课程学习总结报告，反思自己在知识、能力、思维与价值观上的收获、不足及未来学习计划。

  课中：

  1.（60分钟）课程回顾与升华：教师系统梳理课程的知识脉络与能力进阶路径。展示各小组规划方案中的亮点与创造性解决方案。共同总结当前城市燃气规划面临的核心挑战与未来趋势。

  2.（60分钟）个体反思与交流：随机抽取部分学生分享其学习总结中的核心