熱水供熱系統(tǒng)長輸管線多管制可靠性研究

楊　鑫

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原　030012)

0　引言

隨著我國城市體量的逐年擴(kuò)大，城市的供熱需求也不斷擴(kuò)大，加之環(huán)保形勢越來越嚴(yán)峻，隨著而來的是集中供熱事業(yè)迅速發(fā)展。目前，多個城市積極開展實施的建設(shè)熱水供熱長輸管線的計劃，便是在供熱需求和環(huán)保要求等客觀現(xiàn)實的多重壓力下而來的。然而，供熱系統(tǒng)長輸管線工程這一重要的民生舉措，一旦出現(xiàn)運行故障，會造成不良社會影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，長輸管線工程的大范圍建設(shè)，對我國長輸管線設(shè)計方法與可靠性研究提出了挑戰(zhàn)。為此，本文結(jié)合長輸管線特點，從可靠性角度出發(fā)，探討了目前我國熱水供熱系統(tǒng)長輸管線的設(shè)計方法。

1　長輸管線可靠性評價指標(biāo)體系

1.1　長輸管線可靠性評價相關(guān)術(shù)語

熱水供熱系統(tǒng)長輸管線可靠性指長輸管線在供暖期內(nèi)，保持不間斷供熱的能力。長輸管線故障指其無法提供符合設(shè)計要求的熱水的事件。故障率是指在一定運行時間內(nèi)元部件故障次數(shù)與其總數(shù)之比。

1.2　多管制長輸管線結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)

一般而言，長輸管線包括兩管制管網(wǎng)系統(tǒng)和多管制管網(wǎng)系統(tǒng)，其中，多管制管網(wǎng)系統(tǒng)包括三管制管網(wǎng)系統(tǒng)和四管制管網(wǎng)系統(tǒng)。長輸管線結(jié)構(gòu)可靠性是長輸管線可靠性研究的一個方面，而保持連通性是長輸管線供熱功能完成的一個先決條件。

多管制管網(wǎng)系統(tǒng)中，三管制相當(dāng)于表決模型(又稱作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，系統(tǒng)就能保持連通性[1]。類似的，四管制相當(dāng)于表決模型中的3/4模型，此以四管制作為例子，簡圖如圖1所示。

1.3　長輸管線可靠性評價指標(biāo)體系分析

從可靠性的角度出發(fā)，指導(dǎo)實際的工程設(shè)計，是長輸管線可靠性評價體系建立的主要目的。長輸管線可靠性評價指標(biāo)包括概率性指標(biāo)和確定性指標(biāo)，其中，概率性指標(biāo)又細(xì)分為兩個，確定性指標(biāo)細(xì)分為三個，每個評價指標(biāo)都有其相應(yīng)的特點，具體如圖2所示。

對于長輸管線可靠性評價而言，指標(biāo)的特點決定指標(biāo)的適用場合。在實際工程使用過程中，評價長輸管線的供熱可靠性，既要涵蓋結(jié)構(gòu)和功能可靠性，又要結(jié)合上述指標(biāo)特點，將概率性指標(biāo)和確定性指標(biāo)共同使用，以體現(xiàn)熱用戶的供熱情況。

2　多管制故障工況流量比影響因素

一般而言，長輸管線的建設(shè)地點位于城市邊緣或郊區(qū)，主要功能為輸送而非輸配，管線結(jié)構(gòu)主要為無分支線型。考慮到長輸管線的上述特點，在供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，提升管網(wǎng)的備用性能便是實現(xiàn)供熱管網(wǎng)可靠性增加的重要方法之一。與兩管制相比，多管制管網(wǎng)系統(tǒng)有更高的可靠性，更適用于長輸管線備用能力的提升，因為其管道故障不會導(dǎo)致管網(wǎng)輸送能力的完全中斷。下面對多管制故障工況流量比影響因素進(jìn)行具體探討。

2.1　熱用戶處阻力損失對流量比的影響

大量研究表明[2]，長輸管線末端阻力損失與多管制供(回)水管的故障工況流量成正比，且回水管與供水管管徑比值為1.3時，供回水管比摩阻相同；為1.4時，管材附加消耗量最小，經(jīng)濟(jì)性較好。無論是考慮到比摩阻，還是考慮到經(jīng)濟(jì)性，回水管與供水管管徑比值在1.3～1.4之間時，相對會是更優(yōu)的設(shè)計方案，因此，二者之比主要取值在1.3～1.4之間。具體而言，二者之比為1.3時，供回水管阻力損失之和與熱源處損失越接近，故障工況流量比起點高且增幅大；反之，故障工況流量比越來越小且增幅減緩。二者之比為1.4時，與比為1.3時的變化走勢大體相近，但在各處阻力損失情況相同時，回水管與供水管管徑比值為1.4時的管徑組合能提供的故障工況流量比更小，因此，此種情況下選擇1.4的管徑組合。

2.2　管線長度對流量比的影響

在其他條件不變，多管制長輸管線管道長度的變化會影響到長輸管線故障工況流量比。具體的，在0 km～10 km內(nèi)，隨著多管制長輸管網(wǎng)管道長度的增加，供回水管故障工況流量下降迅速；之后隨著多管制長輸管網(wǎng)管道長度的增加，供回水管故障工況流量下降不明顯。但是，在0 km～10 km范圍內(nèi)的管網(wǎng)通常不能稱之為長輸管線，故總體看來，長輸管線故障工況流量比受管長的影響不明顯[3]。

2.3　管材可靠性強度指標(biāo)對流量比的影響

投資的增加是多管制管網(wǎng)提升管網(wǎng)供熱率的缺陷之一。在此，我們選用管網(wǎng)管材特性M評價管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，以實現(xiàn)提升管網(wǎng)供熱率的經(jīng)濟(jì)性能分析；同時建立管材可靠性強度指標(biāo)RM，即單位管材特性貢獻(xiàn)的供熱率，以實現(xiàn)提升管網(wǎng)供熱率的可靠性分析。研究表明[4]，管材可靠性強度指標(biāo)RM與對應(yīng)管制單位管材對應(yīng)的供熱率成正比，即RM越大，說明該管制單位管材對應(yīng)的供熱率越大，相同可靠性水平條件下，需要投入的管材較少；反之，表明供熱率越小，相同可靠性水平條件下，需要投入的管材更多?？煽啃詮姸萊M的最優(yōu)范圍在不同的工程項目中差別較大，針對同一工程，需要結(jié)合具體的工程實際和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況，通過比較綜合判定?？傊瑥慕ㄔO(shè)初投資來看，RM值越大說明投入管材的可靠性收益越高，因此工程初步設(shè)計時，可以考慮適當(dāng)優(yōu)化提高RM值。

3　基于可靠性指標(biāo)的長輸管線設(shè)計建議

上述分析表明，多管制是提升長輸管線可靠性的有效方法。一般而言，長輸管線的建設(shè)地點位于城市邊緣或郊區(qū)，主要功能為輸送而非輸配，管線結(jié)構(gòu)主要為無分支線型?？紤]到長輸管線的上述特點，在供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，提升管網(wǎng)的備用性能便是實現(xiàn)供熱管網(wǎng)可靠性增加的重要方法之一。而多管制故障不會導(dǎo)致管網(wǎng)輸送能力完全中斷。因此，多管制管網(wǎng)系統(tǒng)適用于長輸管線備用能力的提升。

3.1　長輸管線可靠性判定

對于處于設(shè)計階段的長輸管線方案，可靠性判定包括備用能力的判定和供熱率的判定，通過可靠性判定，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案。本文長輸管線備用能力包含故障時自身仍具有的供熱能力和其他熱源的供熱能力。長輸管線作為重要的供熱管線，若故障頻發(fā)，則失去了建設(shè)長輸管線的初衷與意義。因此，提出長輸管線的可靠性判定流程，以完成長輸管線可靠性的判定，具體見圖3。

3.2　多管制管網(wǎng)不同管徑對應(yīng)的分段閥門間距限值

對于多管制長輸管線，供水管故障時，所需維修時間要小于熱用戶允許溫降時間。研究發(fā)現(xiàn)[5]，多管制管網(wǎng)發(fā)生故障后，要保證管網(wǎng)故障修復(fù)完成時的室內(nèi)溫度不低于12 ℃；分段閥門間距與維修時間成正比，即當(dāng)分段閥門間距逐漸減小時，維修時間也在縮短；管道公稱直徑與維修時間也成正比，隨著管道公稱直徑的增大，維修時間也會相應(yīng)變長。

3.3　長輸管線長度限值的計算

以長輸管線可靠性限值為基礎(chǔ)，可以計算不同管制長輸管線的長度限值。長輸管線不同管制的長度限值計算式有區(qū)別，因此應(yīng)根據(jù)具體要求區(qū)別對待。如，可以計算多管制供熱率限值[R]為0.7時三管制、四管制的管道長度限值，分別約為61和64；供熱率限值[R]為0.8時，三管制、四管制的管道長度限值分別約為32和30；供熱率限值[R]為0.9時，三管制、四管制的管道長度限值分別約為14和13[5]。而實際長輸管線供熱率限值[R]的選取，應(yīng)在綜合分析當(dāng)?shù)厝W(wǎng)可靠性限值的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個熱源負(fù)荷分配情況，進(jìn)行供熱率指標(biāo)的分配，進(jìn)而得到長輸管線供熱率限值[R]。

4　結(jié)語

隨著供熱需求的不斷增長，以及環(huán)保要求的愈發(fā)嚴(yán)格，具有雙重優(yōu)勢的熱水供熱系統(tǒng)長輸管線工程建設(shè)越來越普遍。然而，長輸管線工程建設(shè)和運行特點，決定了長輸管線一旦發(fā)生故障即會造成極其不良的社會影響和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。長輸管線進(jìn)行基于可靠性的工程設(shè)計，可以預(yù)防和減免故障情況的發(fā)生，尤其是多管制長輸管線的可靠性設(shè)計，可以以確定性指標(biāo)為切入點，求得長輸管線管網(wǎng)管徑限值和分段閥門間距限值，最終尋找出滿足工程實際、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、實施的難度等多方面因素的最終方案。然而，本文沒有體現(xiàn)管網(wǎng)的維修特性，需要進(jìn)一步研究和完善。