基于層次分析法(AHP)的供熱系統故障可能性分析

傅強，周添，柳耀文，劉海波，趙加寧，周志剛

(1.黑龍江龍電電氣有限公司，哈爾濱 150000； 2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150090)

0 引言

隨著經濟的發展、人口的增多，我國供熱系統的規模不斷擴大。由于管網老化、水質不合格、管理粗放等原因導致的供熱系統事故不斷增多，這與人們對更好生活質量的要求不符。

我國GB/T 50627—2010《城鎮供熱系統評價標準》，評價的是系統的能效比、設備的效率與系統的匹配性等項目，忽略了對系統發生故障可能性這一指標的評價。論文的研究重點在于對故障的誘因進行分析，找出主要矛盾以解決問題。

本文應用層次分析法(AHP)，結合調研結果分析選擇了與供熱系統故障相關的定性或定量指標，對供熱系統故障的可能性進行評價，得出評價結果并給出了相應建議。

1 供熱系統故障的影響因素

影響供熱系統故障概率的因素可分為地理、運行及管理、施工、突發事件等4種。

1.1 地理因素

地理因素包括土壤腐蝕性、地下水位情況。埋地管道外腐蝕是造成管網失效的一個重要原因，而土壤的腐蝕性是影響管道腐蝕速率的直接因素；地下水位對于管網的影響一是在水位高時存在浸沒管道的情況，造成管道及附件腐蝕，二是地下水水毀造成的結構塌陷等破壞。

1.2 運行及管理

運行及管理因素包括管網使用年限、供熱管網內水質管理、系統運行維護情況等。對供熱系統良好的維護、管理等可以有效預防故障、事故的發生。根據數據統計，隨著管網運行年限的增加，管網故障的頻率也隨之增加，供熱系統的可靠性不斷下降，因此，要關注各處管網的使用狀況，做好管道的更新換代。另一方面，造成管道內腐蝕的原因主要為管網水質。根據工程人員經驗，如果能保證水的除氧和軟化就可以減小90%內腐蝕的可能性，這樣系統就能基本杜絕內腐蝕。由此可見，應嚴格按照標準控制水質，加強水質的監測。同時，在日常維護過程中，做好巡檢等工作可以及時發現故障隱患或避免故障擴大，能保證防患于未然。

1.3 施工影響

施工影響包括供熱管道施工質量和非供熱管道施工的影響。在保證供熱管道施工質量合格，尤其是各接口處施工質量的情況下，自然狀況不會發生外腐蝕，供熱管道基本可以保證設計壽命，因此合格的施工是抑制管網失效的一個保障。現今的城市復雜程度高，各類管網的維修改造會對臨近的供熱管網造成影響，在無法明確管道位置的情況下，輕則可能破壞管網保溫，重則可能挖斷管道，造成事故。因此，必須做好不同類型管道施工時相關部門、單位的交接，必要時可以采用旁站式的方法，在非供熱管道施工時，供熱公司安排專門的工作人員跟隨施工、負責監察。

1.4 突發事件影響

突發事件影響包括突發自然災害、交通事故等對供熱管網造成破壞，這類事件雖然造成的影響大，但具有不可預見性。

2 應用AHP的供熱系統故障可能性分析

對于一個完整的評價體系，最基本的部分為指標以及指標間的結構關系。在完成這一基本內容后，完成指標權重的確定、各項指標得分標準的建立、評價等級的劃分這3項內容即可建立一個完整的評分體系。

2.1 用于可能性分析的評價指標

地下水位的影響，除浸沒管道造成腐蝕外，還可能產生水毀。管道地下水毀主要表現為管溝塌陷、沉降，管道懸空，地面沉降等，這些都可能引起管網事故[1]。但對地下水對管網的影響程度、持續時間等缺少研究資料，且由地下水引起的故障較少，因此忽略這一指標。

對于管網施工質量，做好施工過程中每個環節的質量把關是保證施工質量的關鍵[2-3]，由于部分舊建管網施工數據缺失，且對于一個管網實際的施工質量，通常難以做出正確的評價分級，因此，在這里默認評價體系中管網的施工質量都是合格的。

同時忽略突發事件這類難以預見的影響，將供熱系統故障可能性影響因素分級，建立了供熱系統故障可能性評價模型，具體見表1。

表1 供熱系統故障可能性評價模型

2.2 評價指標的權重分析

評價體系基于層次分析法，層次分析法計算權重分以下幾步。

(1)構建判斷矩陣。經實地調研、專家打分確定各層次的判斷矩陣，判斷矩陣中的元素aij是要素i與要素j的重要性比較結果，且aij=1/aji有9種取值，分別為1/9，1/7，1/5，1/3，1，3，5，7，9，分別表示要素對于要素的重要程度由輕到重。

(2)層次單排序。計算判斷矩陣的最大特征值λmax，及其對應的歸一化后的特征向量，該向量即為判斷矩陣內各指標的權重。

(3)一致性檢驗。矩陣階數n大于2時需計算一致性指標CI，其數值越小表明判斷矩陣的一致性越好，CI=(λmax-n)/(n-1)，同時有隨機一致性指標RI，當CI/RI<0.1即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整使之滿足。

RI的數值見表2，判斷矩陣及相關計算結果見表3。

表3中特征向量即為各判斷矩陣中對應指標的權重，表4為評價體系的權重計算結果。

表2 平均隨機一致性指標RI

表3 各層次判斷矩陣及相關計算結果

注：特征向量歸一化并四舍五入。

表4 供熱系統故障可能性評價體系權重

2.3 評分標準

2.3.1 定量評價指標

土壤腐蝕性以及管網使用年限，可獲得具體的數值，采用定量評價分級的方法。

影響土壤腐蝕性的因素很多，各種因素之間的關系尚未完全明確，因此選擇土壤電阻率這一有明確量化指標的參數來代表。表5為土壤電阻率與鋼鐵腐蝕程度的關系[4]。

表5 土壤電阻率評價標準

對于管網使用年限的影響，有學者統計了北京和沈陽兩地的管網故障數據。研究表明，供熱管的累計故障率與年限正相關，且接近直線型增長[5]。圖1統計了牡丹江近年來管網故障信息，圖1表明：

(1)管網的故障幾率與時間在0～15年年限內近似直線型正相關；

(2)15年年限之后，故障概率呈下降趨勢，且隨時間推移呈無規律的波動。

圖1 牡丹江地區近年管網故障統計結果

前15年的故障統計結果與上述北京和沈陽的故障統計結果一致，15年年限處發生規律突變的主要原因是牡丹江對于故障率高的既有舊管網進行了更新，使得故障率變化不規律。

綜上分析建立了管網年限指標的評分標準，具體見表6。

表6 管網使用年限評價標準

2.3.2 定性評價指標

對于其他無法定量化評價的指標，提出了推薦的分值，某系統的評價分值可根據供熱系統實際的運行狀況、管理情況等，參考推薦評分進行調整。表7給出了供熱系統水質推薦的評價標準。

表7 供熱系統水質評價標準

日常的運行維護重點在于及時發現并處理事故隱患，做好供熱管網的定期檢查等。良好的運行維護應滿足以下幾點要求：(1)能夠保證日常的巡檢檢修并做問題記錄；(2)故障維修或緊急搶修后能夠做到故障位置的質量恢復；(3)在故障恢復后在一定觀察周期內做好故障位置及相似工況位置的狀態監察；(4)停運期能保證定期的管網水壓試驗，檢修漏點。對于運行維護狀況的評價見表8。

表8 運行維護評價標準

為避免非供熱管道施工時對供熱管道造成破壞，應做到兩點：(1)施工前能夠完成各相關專業的交底及存檔；(2)供熱企業能夠在施工過程派專人進行監察，避免供熱管網被破壞。表9提出了非供熱管網施工影響的推薦評分。

表9 非供熱管網施工評價影響

2.3.3 評價等級及建議

每級指標的評分加權求和即可得到上一級指標的評分，逐級計算得到供熱系統故障可能性的評分。評分滿分為100分，采用百分制的計算規則，故障可能性評分評價標準見表10。

表10 故障可能性評級

供熱系統的評級應保證在Ⅰ，Ⅱ兩個等級；評級在Ⅲ，Ⅳ兩個等級說明供熱系統在除卻地理因素指標之外有比較明顯的故障隱患，供熱企業應根據評價結果了解存在的問題，采取有針對性的措施進行改進；評級為Ⅴ級表明供熱系統在管理、運行等諸多方面都存在問題，供熱企業應投入大精力對之進行整改。

對于影響供熱系統故障可能性的因素，最重要的管網使用年限以及管網水質兩項，兩者總權重占比超過70%，因此這也是供熱企業應予以關注的要點。

3 總結與展望

采用層次分析法建立的評價模型可以對供熱系統的故障可能性進行初步預測，增強預警能力，促進供熱企業提高管理水平，對維護供熱系統健康安全運行有積極的意義。

權重的計算以及評分標準摻雜著過多的人為因素，采用大數據理論對故障頻率以及影響管網故障的因素進行分析，建立更準確的故障-影響因素模型是該問題的一個研究方向。