热水供热系统长输管线多管制可靠性研究

杨　鑫

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原　030012)

0　引言

随着我国城市体量的逐年扩大，城市的供热需求也不断扩大，加之环保形势越来越严峻，随着而来的是集中供热事业迅速发展。目前，多个城市积极开展实施的建设热水供热长输管线的计划，便是在供热需求和环保要求等客观现实的多重压力下而来的。然而，供热系统长输管线工程这一重要的民生举措，一旦出现运行故障，会造成不良社会影响和巨大经济损失。因此，长输管线工程的大范围建设，对我国长输管线设计方法与可靠性研究提出了挑战。为此，本文结合长输管线特点，从可靠性角度出发，探讨了目前我国热水供热系统长输管线的设计方法。

1　长输管线可靠性评价指标体系

1.1　长输管线可靠性评价相关术语

热水供热系统长输管线可靠性指长输管线在供暖期内，保持不间断供热的能力。长输管线故障指其无法提供符合设计要求的热水的事件。故障率是指在一定运行时间内元部件故障次数与其总数之比。

1.2　多管制长输管线结构可靠性指标

一般而言，长输管线包括两管制管网系统和多管制管网系统，其中，多管制管网系统包括三管制管网系统和四管制管网系统。长输管线结构可靠性是长输管线可靠性研究的一个方面，而保持连通性是长输管线供热功能完成的一个先决条件。

多管制管网系统中，三管制相当于表决模型(又称作r/n模型)中的2/3模型，即3根管中只要有不小于2根管完好，系统就能保持连通性[1]。类似的，四管制相当于表决模型中的3/4模型，此以四管制作为例子，简图如图1所示。

1.3　长输管线可靠性评价指标体系分析

从可靠性的角度出发，指导实际的工程设计，是长输管线可靠性评价体系建立的主要目的。长输管线可靠性评价指标包括概率性指标和确定性指标，其中，概率性指标又细分为两个，确定性指标细分为三个，每个评价指标都有其相应的特点，具体如图2所示。

对于长输管线可靠性评价而言，指标的特点决定指标的适用场合。在实际工程使用过程中，评价长输管线的供热可靠性，既要涵盖结构和功能可靠性，又要结合上述指标特点，将概率性指标和确定性指标共同使用，以体现热用户的供热情况。

2　多管制故障工况流量比影响因素

一般而言，长输管线的建设地点位于城市边缘或郊区，主要功能为输送而非输配，管线结构主要为无分支线型。考虑到长输管线的上述特点，在供热管网系统中，提升管网的备用性能便是实现供热管网可靠性增加的重要方法之一。与两管制相比，多管制管网系统有更高的可靠性，更适用于长输管线备用能力的提升，因为其管道故障不会导致管网输送能力的完全中断。下面对多管制故障工况流量比影响因素进行具体探讨。

2.1　热用户处阻力损失对流量比的影响

大量研究表明[2]，长输管线末端阻力损失与多管制供(回)水管的故障工况流量成正比，且回水管与供水管管径比值为1.3时，供回水管比摩阻相同；为1.4时，管材附加消耗量最小，经济性较好。无论是考虑到比摩阻，还是考虑到经济性，回水管与供水管管径比值在1.3～1.4之间时，相对会是更优的设计方案，因此，二者之比主要取值在1.3～1.4之间。具体而言，二者之比为1.3时，供回水管阻力损失之和与热源处损失越接近，故障工况流量比起点高且增幅大；反之，故障工况流量比越来越小且增幅减缓。二者之比为1.4时，与比为1.3时的变化走势大体相近，但在各处阻力损失情况相同时，回水管与供水管管径比值为1.4时的管径组合能提供的故障工况流量比更小，因此，此种情况下选择1.4的管径组合。

2.2　管线长度对流量比的影响

在其他条件不变，多管制长输管线管道长度的变化会影响到长输管线故障工况流量比。具体的，在0 km～10 km内，随着多管制长输管网管道长度的增加，供回水管故障工况流量下降迅速；之后随着多管制长输管网管道长度的增加，供回水管故障工况流量下降不明显。但是，在0 km～10 km范围内的管网通常不能称之为长输管线，故总体看来，长输管线故障工况流量比受管长的影响不明显[3]。

2.3　管材可靠性强度指标对流量比的影响

投资的增加是多管制管网提升管网供热率的缺陷之一。在此，我们选用管网管材特性M评价管网的经济性指标，以实现提升管网供热率的经济性能分析；同时建立管材可靠性强度指标RM，即单位管材特性贡献的供热率，以实现提升管网供热率的可靠性分析。研究表明[4]，管材可靠性强度指标RM与对应管制单位管材对应的供热率成正比，即RM越大，说明该管制单位管材对应的供热率越大，相同可靠性水平条件下，需要投入的管材较少；反之，表明供热率越小，相同可靠性水平条件下，需要投入的管材更多。可靠性强度RM的最优范围在不同的工程项目中差别较大，针对同一工程，需要结合具体的工程实际和当地经济情况，通过比较综合判定。总之，从建设初投资来看，RM值越大说明投入管材的可靠性收益越高，因此工程初步设计时，可以考虑适当优化提高RM值。

3　基于可靠性指标的长输管线设计建议

上述分析表明，多管制是提升长输管线可靠性的有效方法。一般而言，长输管线的建设地点位于城市边缘或郊区，主要功能为输送而非输配，管线结构主要为无分支线型。考虑到长输管线的上述特点，在供热管网系统中，提升管网的备用性能便是实现供热管网可靠性增加的重要方法之一。而多管制故障不会导致管网输送能力完全中断。因此，多管制管网系统适用于长输管线备用能力的提升。

3.1　长输管线可靠性判定

对于处于设计阶段的长输管线方案，可靠性判定包括备用能力的判定和供热率的判定，通过可靠性判定，进而选择最优方案。本文长输管线备用能力包含故障时自身仍具有的供热能力和其他热源的供热能力。长输管线作为重要的供热管线，若故障频发，则失去了建设长输管线的初衷与意义。因此，提出长输管线的可靠性判定流程，以完成长输管线可靠性的判定，具体见图3。

3.2　多管制管网不同管径对应的分段阀门间距限值

对于多管制长输管线，供水管故障时，所需维修时间要小于热用户允许温降时间。研究发现[5]，多管制管网发生故障后，要保证管网故障修复完成时的室内温度不低于12 ℃；分段阀门间距与维修时间成正比，即当分段阀门间距逐渐减小时，维修时间也在缩短；管道公称直径与维修时间也成正比，随着管道公称直径的增大，维修时间也会相应变长。

3.3　长输管线长度限值的计算

以长输管线可靠性限值为基础，可以计算不同管制长输管线的长度限值。长输管线不同管制的长度限值计算式有区别，因此应根据具体要求区别对待。如，可以计算多管制供热率限值[R]为0.7时三管制、四管制的管道长度限值，分别约为61和64；供热率限值[R]为0.8时，三管制、四管制的管道长度限值分别约为32和30；供热率限值[R]为0.9时，三管制、四管制的管道长度限值分别约为14和13[5]。而实际长输管线供热率限值[R]的选取，应在综合分析当地全网可靠性限值的基础上，结合各个热源负荷分配情况，进行供热率指标的分配，进而得到长输管线供热率限值[R]。

4　结语

随着供热需求的不断增长，以及环保要求的愈发严格，具有双重优势的热水供热系统长输管线工程建设越来越普遍。然而，长输管线工程建设和运行特点，决定了长输管线一旦发生故障即会造成极其不良的社会影响和严重的经济损失。长输管线进行基于可靠性的工程设计，可以预防和减免故障情况的发生，尤其是多管制长输管线的可靠性设计，可以以确定性指标为切入点，求得长输管线管网管径限值和分段阀门间距限值，最终寻找出满足工程实际、技术经济性、实施的难度等多方面因素的最终方案。然而，本文没有体现管网的维修特性，需要进一步研究和完善。