熱網可靠性的概率性指標及影響因素研究

吳 剛

（寧夏建筑設計研究院有限公司，寧夏銀川750001）

0 引言

隨著集中供熱系統的發展，管網規模逐年增大，型式也變得復雜化，對大型復雜熱網的可靠性評估一直是個難題。 集中供熱實行分戶計量以來，熱成為商品，熱網的供熱可靠性得到越來越廣泛的關注。

1 熱網可靠性的概率性指標

為了評價供熱系統可靠性，前蘇聯莫斯科建筑工程學院的方法中應用了兩個主要的可靠性指標。 第一個指標是基本的指標，是有概率本質的R（t），第二個指標是限額供熱系數β（限定指標）。 這兩個指標評價整個熱網系統的可靠性。 第一個指標決定集中供熱系統的結構、結構備用和概率可靠性。 第二個指標決定輸送儲備，即在事故工況下為了保證必須的輸送能力，環形干線管徑的備用。 設計具有非備用部分熱網系統可能性以及允許部件故障時限額供熱，取決于建筑物的蓄熱能力。建筑物的蓄熱能力歸根結底也決定了系統分為兩個等級水平的界限。

哈爾濱工業大學的戰泰文等人對前蘇聯的研究成果進行了進一步分析，探討了作為月不可修復系統的熱網系統可靠性指標，提出“月事故流參數”的概念。 認為在采暖期不同月份運行時間Zk內事故流參數分別保持為常數，對采暖期不同月份分別運用泊松分布公式，給出的供熱系統可靠性指標計算如下式所示：

式中，Qyo為熱網系統整個供暖期的理想供熱量，GJ；ωki為第i 個元件在第k 月份的故障流參數，a-1；zk為第k 月份采暖運行總時間，h；Qko為第k 月份系統理想供熱量，GJ；ηki為第k 月份系統第i 個元件故障導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， 其具體推導過程在此不再贅述。下面根據該公式的各個參數，結合環狀管網的情況，討論一下該指標的影響因素。 其主要影響因素包括：故障流參數ωki、采暖系統運行時間Z、計算中所要考慮的故障元件數n 和相對供熱不足量ηki。 下面對這些因素針對R（t）的影響逐個進行分析。

2 故障流參數ωki 對可靠性指標的影響

故障流參數是實驗研究或者根據運行部門記錄的事故統計資料確定的，它近似等于單位時間內部件故障的無條件概率。 考慮到事故大都是統計資料，可以認為多年間采暖期同一個月的故障流參數ωk=const。因此，可以近似地認為第K 月的故障數與所研究的時間間隔成正比，而與運行時間的時間范圍的移動無關，也就是說，第K 月的故障流參數是穩定的。而在進行新系統設計時，應盡量采用最完善、最先進的管道結構和設備元件， 這樣可以根據回顧分析所得到的ωk向減小的方向修正。 同時所選擇的ωk值還需通過專業的方法來補充檢驗。 此時，計算可靠性指標所選的ωk就是給定的， 而管網設計者所要做的就是選擇合適的數值來進行計算。但是由于我國現階段供熱系統的運行管理體制還不是十分完善， 對于故障的記錄和統計資料還遠遠不夠，使得對于該參數的研究有一定困難。這是一項在今后工作中需要解決完善的問題。

3 采暖期運行時間Z 對可靠性指標的影響

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

4 故障元件數n 對可靠性指標的影響

故障元件數取決于供熱系統總的元件數。 計算原則上，每個元部件都可能出現故障狀態，但實際情況是發生故障的元件數要少于計算時所考慮的數量。 同時，如果發生故障的元件未導致用戶的供熱發生影響，也可以將其不考慮在內。由此可見。故障元件數n 主要與所計算系統的結構、負荷分布和分段閥門的設置有關。

5 相對供熱不足量ηki 對可靠性指標的影響

由ηki的定義可知，它是第i 個元件發生故障時所造成用戶供熱不足量與理想情況下用戶供熱量之比。 其實質和管網的結構有關，包括分段閥門的設置和管網類型（枝狀管網和環狀管網）問題。 合理、正確的設置分段閥門可以減少故障發生時切斷用戶的數量，降低故障的影響，對提高整個供熱系統的可靠性具有十分積極的意義。但與此同時，閥門本身也是一個故障源，也有一定的故障流參數，在可靠性計算時是不可能忽略的，而任何分段方法都是通過增設閥門的方式達到。 增加故障源——閥門無疑會使供熱系統的可靠性降低，這就需要考慮所增加的故障源同可以不切斷負荷之間相比較后的結果，對兩項進行優化分析，得出最優的可靠性設計方案。

對于枝狀管網，由于其結構上不具有備用性，使得當管段故障時，就要切斷被故障元件影響的負荷。如果故障元件是在枝狀管網主干線上，同時可能使沿熱媒流動方向的故障管段以下的熱用戶全被停止供熱，Ση 將變大。 而對于環狀管網，在關閉故障元件之后，所切斷的只是被故障元件影響的熱用戶的負荷。因為環狀管網在結構上具有備用能力，可在事故工況下實行反向的限額供熱，此時

其中，分子中前一項為由于元件故障而被切斷的用戶負荷，后一項為位于熱網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，當事故管段被切斷后，由于環狀管網的結構備用性，使得除元件沿熱媒流動方向上的用戶被關閉外，其他未關閉用戶還可以得到限額供熱量。該特點使得環狀管網的可靠性指標提高，可靠性得到增強。

6 結束語

總之，集中供熱系統以其節能、環保和供熱質量好等優點，成為現代化都市重要的基礎設施， 在世界范圍內得到迅速發展和廣泛應用。集中供熱系統運行的可靠與否直接關系著人們的正常生活和生產活動。 隨著熱網規模的增大和使用年數的增長，故障發生率也在不斷提高，對熱網故障工況和可靠性的研究成為亟待解決的問題。

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