热网可靠性的概率性指标及影响因素研究

吴 刚

（宁夏建筑设计研究院有限公司，宁夏银川750001）

0 引言

随着集中供热系统的发展，管网规模逐年增大，型式也变得复杂化，对大型复杂热网的可靠性评估一直是个难题。 集中供热实行分户计量以来，热成为商品，热网的供热可靠性得到越来越广泛的关注。

1 热网可靠性的概率性指标

为了评价供热系统可靠性，前苏联莫斯科建筑工程学院的方法中应用了两个主要的可靠性指标。 第一个指标是基本的指标，是有概率本质的R（t），第二个指标是限额供热系数β（限定指标）。 这两个指标评价整个热网系统的可靠性。 第一个指标决定集中供热系统的结构、结构备用和概率可靠性。 第二个指标决定输送储备，即在事故工况下为了保证必须的输送能力，环形干线管径的备用。 设计具有非备用部分热网系统可能性以及允许部件故障时限额供热，取决于建筑物的蓄热能力。建筑物的蓄热能力归根结底也决定了系统分为两个等级水平的界限。

哈尔滨工业大学的战泰文等人对前苏联的研究成果进行了进一步分析，探讨了作为月不可修复系统的热网系统可靠性指标，提出“月事故流参数”的概念。 认为在采暖期不同月份运行时间Zk内事故流参数分别保持为常数，对采暖期不同月份分别运用泊松分布公式，给出的供热系统可靠性指标计算如下式所示：

式中，Qyo为热网系统整个供暖期的理想供热量，GJ；ωki为第i 个元件在第k 月份的故障流参数，a-1；zk为第k 月份采暖运行总时间，h；Qko为第k 月份系统理想供热量，GJ；ηki为第k 月份系统第i 个元件故障导致的供热不足量与第k 月份理想供热量之比，ηki＝ΔQki／Qko。

由于该公式是已有的研究成果， 其具体推导过程在此不再赘述。下面根据该公式的各个参数，结合环状管网的情况，讨论一下该指标的影响因素。 其主要影响因素包括：故障流参数ωki、采暖系统运行时间Z、计算中所要考虑的故障元件数n 和相对供热不足量ηki。 下面对这些因素针对R（t）的影响逐个进行分析。

2 故障流参数ωki 对可靠性指标的影响

故障流参数是实验研究或者根据运行部门记录的事故统计资料确定的，它近似等于单位时间内部件故障的无条件概率。 考虑到事故大都是统计资料，可以认为多年间采暖期同一个月的故障流参数ωk=const。因此，可以近似地认为第K 月的故障数与所研究的时间间隔成正比，而与运行时间的时间范围的移动无关，也就是说，第K 月的故障流参数是稳定的。而在进行新系统设计时，应尽量采用最完善、最先进的管道结构和设备元件， 这样可以根据回顾分析所得到的ωk向减小的方向修正。 同时所选择的ωk值还需通过专业的方法来补充检验。 此时，计算可靠性指标所选的ωk就是给定的， 而管网设计者所要做的就是选择合适的数值来进行计算。但是由于我国现阶段供热系统的运行管理体制还不是十分完善， 对于故障的记录和统计资料还远远不够，使得对于该参数的研究有一定困难。这是一项在今后工作中需要解决完善的问题。

3 采暖期运行时间Z 对可靠性指标的影响

对于采暖期运行时间，其主要决定于采暖系统所在的地区。 这一地区性因素同时还决定了采暖的室外计算温度twj等方面。对于不同地区来说，如果各月份的室外温度差别很大的话，那么可靠性指标R（t）也会有很大差异。但对于同一地区，每年第K 月的供热分额Qk和供热时间zk应是相同的。

4 故障元件数n 对可靠性指标的影响

故障元件数取决于供热系统总的元件数。 计算原则上，每个元部件都可能出现故障状态，但实际情况是发生故障的元件数要少于计算时所考虑的数量。 同时，如果发生故障的元件未导致用户的供热发生影响，也可以将其不考虑在内。由此可见。故障元件数n 主要与所计算系统的结构、负荷分布和分段阀门的设置有关。

5 相对供热不足量ηki 对可靠性指标的影响

由ηki的定义可知，它是第i 个元件发生故障时所造成用户供热不足量与理想情况下用户供热量之比。 其实质和管网的结构有关，包括分段阀门的设置和管网类型（枝状管网和环状管网）问题。 合理、正确的设置分段阀门可以减少故障发生时切断用户的数量，降低故障的影响，对提高整个供热系统的可靠性具有十分积极的意义。但与此同时，阀门本身也是一个故障源，也有一定的故障流参数，在可靠性计算时是不可能忽略的，而任何分段方法都是通过增设阀门的方式达到。 增加故障源——阀门无疑会使供热系统的可靠性降低，这就需要考虑所增加的故障源同可以不切断负荷之间相比较后的结果，对两项进行优化分析，得出最优的可靠性设计方案。

对于枝状管网，由于其结构上不具有备用性，使得当管段故障时，就要切断被故障元件影响的负荷。如果故障元件是在枝状管网主干线上，同时可能使沿热媒流动方向的故障管段以下的热用户全被停止供热，Ση 将变大。 而对于环状管网，在关闭故障元件之后，所切断的只是被故障元件影响的热用户的负荷。因为环状管网在结构上具有备用能力，可在事故工况下实行反向的限额供热，此时

其中，分子中前一项为由于元件故障而被切断的用户负荷，后一项为位于热网切断的用户在限额供热情况下的供热不足量。由上式可以看出，当事故管段被切断后，由于环状管网的结构备用性，使得除元件沿热媒流动方向上的用户被关闭外，其他未关闭用户还可以得到限额供热量。该特点使得环状管网的可靠性指标提高，可靠性得到增强。

6 结束语

总之，集中供热系统以其节能、环保和供热质量好等优点，成为现代化都市重要的基础设施， 在世界范围内得到迅速发展和广泛应用。集中供热系统运行的可靠与否直接关系着人们的正常生活和生产活动。 随着热网规模的增大和使用年数的增长，故障发生率也在不断提高，对热网故障工况和可靠性的研究成为亟待解决的问题。

［1］郭波,武小悦.系统可靠性分析[M].国防科技大学出版社,2002.

［2］屠峥嵘，译.供热管网可靠性的研究分析[J].煤气与热力,1993(3)：52-55.

［3］肖勇全.枝状供热网的可靠度及其计算[J].煤气与热力,1993(1)：46-48.

［4］蔡启林,刘施玲.供热系统的可靠性综合评价指标探讨[J].煤气与热力,1993,5:46-51.

［5］蔡启林，刘施玲.供热系统元部件故障率的确定方法[J].区域供热,1993，4：19-24.

［6］战泰文,邹平华.供热系统可靠性评价指标的探讨[J].煤气与热力,199818(6):49-51.

［7］战泰文，邹平华.供热系统可靠性探讨及事故流参数的确定[J].煤气与热力,1998(7)：50-53.

［8］张华杉.热网故障流分析与建筑物蓄热能力对可靠性影响的研究[D].哈尔滨工业大学，2003.

［9］张华杉，王晓霞，邹平华,等.基于热网调研的供热管网元件故障率统计与频谱分析[J].暖通空调,2004，34(1)：15-18.