供热直埋输送干线循环次数统计方法的研究

董媛媛,王 飞,王国伟

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

供热直埋输送干线循环次数统计方法的研究

董媛媛,王 飞,王国伟

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

针对《城镇供热直埋热水管道技术规程》中疲劳分析缺乏供热管道循环次数的问题,对某市大型热电厂和大型区域锅炉房的供水温度连续测试了5个采暖期,按照t分布函数计算出每天、每周和每月的最大循环温差，以及样本方差的估计值。利用泊尔姆格林-米纳(Palmgren-Miner)公式计算出等效温差循环次数，小温差的等效温差循环次数叠加上计算年限内启停和事故大温差次数可以得到输送干线寿命期内的循环次数。这种方法用于各供热城市的输送干线、输配干线、用户支线等,就可得出不同城市、各种应用级别管道的实际循环次数,为每个城市的不同级别管道采用不同的疲劳极限值进行疲劳分析奠定了基础,具有重要的理论意义和工程应用价值。

城镇供热;一级管网;峰值应力;循环次数;疲劳寿命

疲劳分析的首要问题是确定构件的疲劳循环次数,疲劳极限的大小取决于疲劳次数。文献[1]规定集中供热直埋管道局部应力集中部位,如三通、弯头、小角度折角、变径管,应进行疲劳分析,疲劳极限等于3倍的许用应力。该规定没有考虑不同热源和不同使用性质管道(如输送干线、输配干线、用户支线和各种二级网)的循环次数和疲劳极限是不同的[2]。因此,针对不同热源和不同使用性质的管道,采用不同的疲劳极限值进行疲劳分析,对于集中供热工程的初投资和运行安全具有重要意义[3]。集中供热系统在设计年限内完整的温差循环次数是由若干大小不等的小温差循环次数和热源启停或管道事故的大温差循环次数构成的[4],笔者就输送干线每天温度变化所产生的小温差循环为研究对象,对热电厂和区域锅炉房运行调节引起的小温差等效温差循环次数统计方法进行研究,为我国各大城市、各种热源以及各种使用场合管件疲劳分析[5-6]采用不同的疲劳极限提供方法依据。

1 数据采集

为了分析热电厂和区域锅炉房运行期间供水温度的变化,2009年在热源出口供水管上安装温度传感器和自动记录仪。供水温度每隔一定时间自动记

录一次,历时5个供暖季,即热电厂和区域锅炉房从2009-2010年度至2013-2014年度。

2 数据处理

2.1 每天、每周和每月的最大温差

本文利用MICROSOFT EXCEL对采集的数据进行统计、整理,计算出热电厂和区域锅炉房连续5个采暖季每天、每周和每月的最大温差Δti,以样本方差

代替总体方差。由抽样分布[7-8]可知,

式中：

每天、每周和每月的最大温差的期望值、样本方差、置信区间和区间半径见表1、表2。

由表1表2可以看出,热电厂、区域锅炉房每天的最大温差期望值依次为6.3 、7.1 ℃;每周的最大温差期望值依次为18.7,20 ℃;每月的最大温差期望值依次为31.1,32.5 ℃。两种热源每天、每周和每月的最大温差期望值相近。

表1 热电厂数据统计表

表2 区域锅炉房数据统计表

2.2 等效温差循环次数的确定

在进行管道局部构件疲劳分析时,根据温度循环的变化过程,使用泊尔姆格林-米纳(Palmgren-Miner)公式来计算等效温差循环次数[3,4]Nj:

(1)

式中:Δti为温度变化i=1,2，…;Δtref为管网运行过程中出现的最高温度与环境温度(工程中取10 ℃)的差;m为常数(1/m是SN曲线[9]的斜率)。

1) 当j=1时,i取1到150(采暖季天数)可计算出采暖季每天的等效温差的循环次数N1,此时Δti是指每天的最高温度与最低温度之差。

2) 当j=2时,i取1到22(采暖季周数)可计算出采暖季每周的等效温差的循环次数N2,此时Δti是指每周的最高温度与最低温度之差。

3) 当j=3时,i取1到5(采暖季月数)可计算出采暖季每月的等效温差的循环次数N3,此时Δti是指每月的最高温度与最低温度之差。

4)m=1～10的等效温差循环次数Nj计算结果详见图1,图2。

图1 热电厂输送干线m-N曲线Fig.1 m-N curve of thermal power plant

图2 区域锅炉房输送干线m-N曲线Fig.2 m-N curve of regional heating plant

由图1图2可以看出随着m值的增大,每天、每周和每月的等效温差循环次数减小,说明等效循环温差对管道的作用减弱[10];当m≥6时,每天、每周和每月小温差的等效温差循环次数趋近于0。

每天、每周和每月小温差的等效温差循环次数叠加上每年1.2次大温差(每年启停一次的大温差加上每5年输送干线发生一次断裂事故(假定)),来折算每年的等效温差循环次数以及管网设计寿命30年内的等效温差循环次数。计算结果详见图3图4。

每天、每周和每月小温差的等效温差循环次数叠加上每年1.5次大温差(每年启停一次的大温差加上每2年输送干线发生一次断裂事故(假定)),来折算每年的等效温差循环次数以及管网设计寿命30年内的等效温差循环次数。计算结果详见图5,图6。

图3 热电厂30年输送干线m-N曲线图(每年1.2次大温差)Fig.3 m-N curve of thermal power plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

图4 区域锅炉房30年输送干线m-N曲线图(每年1.2次大温差)Fig.4 m-N curve of regional heating plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

图5 热电厂30年输送干线m-N曲线图(每年1.5次大温差)Fig.5 m-N curve of thermal power plant (thirty years,1.5 times temperature difference per year)

图6 区域锅炉房30年输送干线m-N曲线图(每年1.5次大温差)Fig.6 m-N curve of regional heating plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

由图3-图6可以看出:

1) 无论是热电厂还是区域锅炉房,当m≥5时, 30年内等效温差循环次数的变化规律基本一致。

2) 由图3，图4可知,当m≥5时,等效温差循环次数变化平缓,趋于36次,即30年大温差的循环次数。说明每天、每周和每月的小温差在管件疲劳寿命里几乎不起作用。同理,当m≤3时,等效温差循环次数变化陡峭,其值远大于36次,表明小温差起主要作用,而大温差对等效温差的影响极小。当m=4时,既考虑了小温差的作用又考虑了大温差的作用。

3) 由图5，图6可知,当m≥5时,等效温差循环次数变化平缓,趋于45次,即30年大温差的循环次数。说明每天、每周和每月的小温差在管件疲劳寿命里几乎不起作用。同理,当m≤3时,等效温差循环次数变化陡峭,其值远大于45次,表明小温差起主要作用,而大温差对等效温差的影响极小。当m=4时,既考虑了小温差的作用又考虑了大温差的作用。

3 结论

1) 由图3-图6可得,当m=4时,输送干线的等效温差循环次数依次为44.83(热电厂为热源)、49.66(区域锅炉房为热源)、53.83(热电厂为热源)和58.66次(区域锅炉房为热源)。说明区域锅炉房30年内等效温差循环次数均大于热电厂,即区域锅炉房热媒温度波动较大。

2) 与欧洲规范BS EN13941相比,本文输送干线的等效温差循环次数相差近2倍。这里既有输送干线假定事故频次的原因,又有运行水温变化的差异。为此,还需要着力研究管道事故

3) 五个供暖季管网的运行调节采用分阶段改变流量的质调节运行方式。从分析结果看,运行调节方式不同,等效循环次数也不同。

4) 本文两种热源等效温差循环次数比较接近,这是因为区域锅炉房作为热电厂的调峰热源运行,与热电厂运行具有一致性。如果是独立运行的锅炉房,运行调节更具有灵活性,比如夜间压火运行,其等效循环次数会更大。因此,管网的等效循环次数与热源、一级网、二级网、输送管线、输配管线、用户支线等不同形式有关,应区别对待。

5) 本文两种等效温差循环次数的分析结果具有一定的典型性,本文的研究结果只针对所研究城市的输送干线,以及输送干线事故假定频次,只是一种疲劳次数统计方法的研究。应用于规范,还需要得到各大城市,各种热源,各级供热管网的运行水温数据,以及事故频次的统计和国家允许的事故频次等,才能得出不同条件下管件的疲劳循环次数,以及不同的疲劳极限,该项研究提高了集中供热的安全性与经济性。

[1] CJJ/T 81-2013.城镇供热直埋热水管道技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 王 飞,张建伟,王国伟.直埋供热管道工程设计:第二版[M].北京：中国建筑工业出版社,2014.

[3] BS EN13941-2009.Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating[S].London:Standards Policy and Strategy Committee,2009.

[4] 兰德劳皮夫.区域供热手册[M].贺 平,王 钢,译.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1998.

[5] 伍义生,曾春华.局部应变疲劳分析方法[J].力学进展,1980,10(2-3):112-118.

[6] 张继旺,鲁连涛,张艳斌,等.疲劳极限小样本评估方法[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(3):337-340.

[7] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,1981.

[8] 刘汉生,张宝玉.应用数理统计基础[M].太原:山西科学教育出版社,1987.

[9] 唐永进.压力管道应力分析：第二版[M].北京：中国石化出版社,2009.

[10] 王 飞,杜保存,王国伟.椭圆度对直埋供热弯头应力的影响[J].太原理工大学学报，2012,43(1):83-85.

(编辑：贾丽红)

Research on Statistical Methods of Cycle Index of Heating Directly-buried Transportation Trunk

DONG Yuanyuan,WANG Fei,WANG Guowei

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Currently there is a lack of theoretical and empirical research about transportation trunk’s equivalent temperature difference cycle index, specific to technical specification for directly buried hot-water heating pipeline in city. The thermal power plants and heat source factories’ operation temperature, of five heating cycles were collected,and the daily,monthly and yearly temperature difference,was calculated with t-distribution function.Furthermore,the equivalent temperature difference cycle index was calculated with Palmgren-Minerformula equation. The main transmission life cycles can be obtained by adding the index of equivalent temperature difference cycles with start-stop and accident temperature difference cycle index in calculation period.The real cycle index of different cities and all kinds of application level pipes can be acquired by means of our theory. Therefore, the research project has great theoretical significance and engineering application value and provides the basis for the directly buried heating pipe fittings fatigue analysis and member's local fatigue analysis in technical specification for directly buried hot-water heating pipeline in city.

heating pipeline in city;primary circuit;peak stress;cycle index;fatigue life

1007-9432(2015)04-0461-04

2015-03-02

国家科技支撑项目资助:城镇供热系统能效提升关键技术与示范(2012BAJ04B00)

董媛媛(1989-),女,山西忻州人,硕士生,主要从事供热节能研究,(E-mail)519076419@qq.com,(Tel)15935611452

王飞,男,教授,中国城镇供热标准化技术委员会委员,主要从事供热技术与节能研究,(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.020