熱網(wǎng)可靠性的概率性指標(biāo)及影響因素研究

吳 剛

（寧夏建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧夏銀川750001）

0 引言

隨著集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展，管網(wǎng)規(guī)模逐年增大，型式也變得復(fù)雜化，對大型復(fù)雜熱網(wǎng)的可靠性評估一直是個(gè)難題。 集中供熱實(shí)行分戶計(jì)量以來，熱成為商品，熱網(wǎng)的供熱可靠性得到越來越廣泛的關(guān)注。

1 熱網(wǎng)可靠性的概率性指標(biāo)

為了評價(jià)供熱系統(tǒng)可靠性，前蘇聯(lián)莫斯科建筑工程學(xué)院的方法中應(yīng)用了兩個(gè)主要的可靠性指標(biāo)。 第一個(gè)指標(biāo)是基本的指標(biāo)，是有概率本質(zhì)的R（t），第二個(gè)指標(biāo)是限額供熱系數(shù)β（限定指標(biāo)）。 這兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。 第一個(gè)指標(biāo)決定集中供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)備用和概率可靠性。 第二個(gè)指標(biāo)決定輸送儲備，即在事故工況下為了保證必須的輸送能力，環(huán)形干線管徑的備用。 設(shè)計(jì)具有非備用部分熱網(wǎng)系統(tǒng)可能性以及允許部件故障時(shí)限額供熱，取決于建筑物的蓄熱能力。建筑物的蓄熱能力歸根結(jié)底也決定了系統(tǒng)分為兩個(gè)等級水平的界限。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的戰(zhàn)泰文等人對前蘇聯(lián)的研究成果進(jìn)行了進(jìn)一步分析，探討了作為月不可修復(fù)系統(tǒng)的熱網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，提出“月事故流參數(shù)”的概念。 認(rèn)為在采暖期不同月份運(yùn)行時(shí)間Zk內(nèi)事故流參數(shù)分別保持為常數(shù)，對采暖期不同月份分別運(yùn)用泊松分布公式，給出的供熱系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算如下式所示：

式中，Qyo為熱網(wǎng)系統(tǒng)整個(gè)供暖期的理想供熱量，GJ；ωki為第i 個(gè)元件在第k 月份的故障流參數(shù)，a-1；zk為第k 月份采暖運(yùn)行總時(shí)間，h；Qko為第k 月份系統(tǒng)理想供熱量，GJ；ηki為第k 月份系統(tǒng)第i 個(gè)元件故障導(dǎo)致的供熱不足量與第k 月份理想供熱量之比，ηki＝ΔQki／Qko。

由于該公式是已有的研究成果， 其具體推導(dǎo)過程在此不再贅述。下面根據(jù)該公式的各個(gè)參數(shù)，結(jié)合環(huán)狀管網(wǎng)的情況，討論一下該指標(biāo)的影響因素。 其主要影響因素包括：故障流參數(shù)ωki、采暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間Z、計(jì)算中所要考慮的故障元件數(shù)n 和相對供熱不足量ηki。 下面對這些因素針對R（t）的影響逐個(gè)進(jìn)行分析。

2 故障流參數(shù)ωki 對可靠性指標(biāo)的影響

故障流參數(shù)是實(shí)驗(yàn)研究或者根據(jù)運(yùn)行部門記錄的事故統(tǒng)計(jì)資料確定的，它近似等于單位時(shí)間內(nèi)部件故障的無條件概率。 考慮到事故大都是統(tǒng)計(jì)資料，可以認(rèn)為多年間采暖期同一個(gè)月的故障流參數(shù)ωk=const。因此，可以近似地認(rèn)為第K 月的故障數(shù)與所研究的時(shí)間間隔成正比，而與運(yùn)行時(shí)間的時(shí)間范圍的移動(dòng)無關(guān)，也就是說，第K 月的故障流參數(shù)是穩(wěn)定的。而在進(jìn)行新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用最完善、最先進(jìn)的管道結(jié)構(gòu)和設(shè)備元件， 這樣可以根據(jù)回顧分析所得到的ωk向減小的方向修正。 同時(shí)所選擇的ωk值還需通過專業(yè)的方法來補(bǔ)充檢驗(yàn)。 此時(shí)，計(jì)算可靠性指標(biāo)所選的ωk就是給定的， 而管網(wǎng)設(shè)計(jì)者所要做的就是選擇合適的數(shù)值來進(jìn)行計(jì)算。但是由于我國現(xiàn)階段供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理體制還不是十分完善， 對于故障的記錄和統(tǒng)計(jì)資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，使得對于該參數(shù)的研究有一定困難。這是一項(xiàng)在今后工作中需要解決完善的問題。

3 采暖期運(yùn)行時(shí)間Z 對可靠性指標(biāo)的影響

對于采暖期運(yùn)行時(shí)間，其主要決定于采暖系統(tǒng)所在的地區(qū)。 這一地區(qū)性因素同時(shí)還決定了采暖的室外計(jì)算溫度twj等方面。對于不同地區(qū)來說，如果各月份的室外溫度差別很大的話，那么可靠性指標(biāo)R（t）也會有很大差異。但對于同一地區(qū)，每年第K 月的供熱分額Qk和供熱時(shí)間zk應(yīng)是相同的。

4 故障元件數(shù)n 對可靠性指標(biāo)的影響

故障元件數(shù)取決于供熱系統(tǒng)總的元件數(shù)。 計(jì)算原則上，每個(gè)元部件都可能出現(xiàn)故障狀態(tài)，但實(shí)際情況是發(fā)生故障的元件數(shù)要少于計(jì)算時(shí)所考慮的數(shù)量。 同時(shí)，如果發(fā)生故障的元件未導(dǎo)致用戶的供熱發(fā)生影響，也可以將其不考慮在內(nèi)。由此可見。故障元件數(shù)n 主要與所計(jì)算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布和分段閥門的設(shè)置有關(guān)。

5 相對供熱不足量ηki 對可靠性指標(biāo)的影響

由ηki的定義可知，它是第i 個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)所造成用戶供熱不足量與理想情況下用戶供熱量之比。 其實(shí)質(zhì)和管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括分段閥門的設(shè)置和管網(wǎng)類型（枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)）問題。 合理、正確的設(shè)置分段閥門可以減少故障發(fā)生時(shí)切斷用戶的數(shù)量，降低故障的影響，對提高整個(gè)供熱系統(tǒng)的可靠性具有十分積極的意義。但與此同時(shí)，閥門本身也是一個(gè)故障源，也有一定的故障流參數(shù)，在可靠性計(jì)算時(shí)是不可能忽略的，而任何分段方法都是通過增設(shè)閥門的方式達(dá)到。 增加故障源——閥門無疑會使供熱系統(tǒng)的可靠性降低，這就需要考慮所增加的故障源同可以不切斷負(fù)荷之間相比較后的結(jié)果，對兩項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出最優(yōu)的可靠性設(shè)計(jì)方案。

對于枝狀管網(wǎng)，由于其結(jié)構(gòu)上不具有備用性，使得當(dāng)管段故障時(shí)，就要切斷被故障元件影響的負(fù)荷。如果故障元件是在枝狀管網(wǎng)主干線上，同時(shí)可能使沿?zé)崦搅鲃?dòng)方向的故障管段以下的熱用戶全被停止供熱，Ση 將變大。 而對于環(huán)狀管網(wǎng)，在關(guān)閉故障元件之后，所切斷的只是被故障元件影響的熱用戶的負(fù)荷。因?yàn)榄h(huán)狀管網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上具有備用能力，可在事故工況下實(shí)行反向的限額供熱，此時(shí)

其中，分子中前一項(xiàng)為由于元件故障而被切斷的用戶負(fù)荷，后一項(xiàng)為位于熱網(wǎng)切斷的用戶在限額供熱情況下的供熱不足量。由上式可以看出，當(dāng)事故管段被切斷后，由于環(huán)狀管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)備用性，使得除元件沿?zé)崦搅鲃?dòng)方向上的用戶被關(guān)閉外，其他未關(guān)閉用戶還可以得到限額供熱量。該特點(diǎn)使得環(huán)狀管網(wǎng)的可靠性指標(biāo)提高，可靠性得到增強(qiáng)。

6 結(jié)束語

總之，集中供熱系統(tǒng)以其節(jié)能、環(huán)保和供熱質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代化都市重要的基礎(chǔ)設(shè)施， 在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行的可靠與否直接關(guān)系著人們的正常生活和生產(chǎn)活動(dòng)。 隨著熱網(wǎng)規(guī)模的增大和使用年數(shù)的增長，故障發(fā)生率也在不斷提高，對熱網(wǎng)故障工況和可靠性的研究成為亟待解決的問題。

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