摘要：通過對(duì)吉林、長春兩市熱網(wǎng)的調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了熱網(wǎng)管子、閥門和補(bǔ)償器的故障率，進(jìn)行了故障頻譜分析。兩座城市管子的故障率隨著管徑的減小而增大，當(dāng)管子規(guī)格為DN 350～450mm時(shí)達(dá)到高峰。閥門的故障率具有一大一小兩個(gè)高峰，大高峰發(fā)生在DN 300mm左右，小高峰發(fā)生在DN 750～800mm。補(bǔ)償器的故障率只在DN 300mm出現(xiàn)一個(gè)高峰。對(duì)吉林市熱網(wǎng)管子年故障頻譜進(jìn)行了分析，管子年累計(jì)故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。
關(guān)鍵詞：熱網(wǎng)；管子；閥門；補(bǔ)償器；故障率；頻譜分析
Failure Rate Statistics and Spectrum Analysis of Components of Heat-supply Network
ZHU Chuanzhi，DAI Xin，SONG Xianbo，YU Hualun
Abstract：Through the investigation of heat-supply networks in both Jilin City and Changchun City，the failure rates of pipes，valves and compensators are counted，and the failure spectrum is analyzed.The failure rates of pipes increase with the decreasing of pipe diameter and reach the peak when the pipe diameter is DN 350mm to DN 450mm in the two cities.The failure rate of valves has two peaks，the larger one occurs at DN 300mm，and the smaller one occurs at DN 750mm to DN 800mm.The failure rate of compensators has only one peak，which occurs at DN 300mm.The annual failure rate spectra of pipes for heat-supply networks in Jilin City are analyzed，and the growth rate of annually accumulated failure rates of pipes is 0.0079km-1·a-1.
Key words：heat-supply network；pipe；valve；compensator；failure rate；spectrum analysis
隨著城市日益增加的供熱需求，集中供熱的規(guī)模不斷擴(kuò)大，2000年我國供熱面積為11.07×108m2，2006年已經(jīng)達(dá)到了26.58×108m2，相應(yīng)的供熱管道長度(包含蒸汽和熱水管道)從43782km增加到93955km[1]。與此同時(shí)，集中供熱仍然是城市供熱的首選方式，熱源提供的供熱介質(zhì)通過熱網(wǎng)送到熱力站或熱用戶，其中熱網(wǎng)是供熱系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)[2]。隨著供熱規(guī)模的不斷擴(kuò)大[3]、復(fù)雜程度的增加和使用時(shí)間的延長，熱網(wǎng)發(fā)生事故的概率增加，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響比較嚴(yán)重[4]。因此，提高熱網(wǎng)可靠性具有極大的經(jīng)濟(jì)意義和重要的社會(huì)價(jià)值[5]。這就迫切要求對(duì)熱網(wǎng)故障的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行分析，以便提高熱網(wǎng)可靠性。本文以吉林市和長春市熱網(wǎng)為例，對(duì)熱網(wǎng)元部件(管子、閥門、補(bǔ)償器)的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)故障發(fā)生規(guī)律進(jìn)行頻譜分析，總結(jié)典型熱網(wǎng)故障發(fā)生的一般規(guī)律。
1 故障率
① 故障率理論基礎(chǔ)
首先，熱網(wǎng)元部件故障的出現(xiàn)可以視為一個(gè)隨機(jī)小概率事件；其次，熱網(wǎng)元部件之間是相互獨(dú)立的；此外，熱網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間越長，元部件出現(xiàn)故障的概率也越大。以上這些特點(diǎn)使熱網(wǎng)元部件故障出現(xiàn)的概率服從泊松分布[6]：
式中Pm(t)——故障發(fā)生的概率
t——熱網(wǎng)可靠性研究時(shí)間間隔，a
λ(t)——熱網(wǎng)元部件瞬時(shí)故障率，1/a
m——故障次數(shù)
a(t)——熱網(wǎng)元部件運(yùn)行時(shí)間，認(rèn)為是供暖時(shí)間，a
當(dāng)熱網(wǎng)元部件一次故障也未發(fā)生(m=0)時(shí)的概率P0(t)的計(jì)算式為：
P0(t)=exp[-λ(t)t]=R(t) (2)
式中P0(t)——熱網(wǎng)元部件一次故障也未發(fā)生的概率
R(t)——可靠度函數(shù)[7]
對(duì)于可靠度函數(shù)R(t)，當(dāng)t遠(yuǎn)小于元部件壽命時(shí)，R(t)趨近于1；當(dāng)t趨近于元部件壽命時(shí)，R(t)趨近于0。并且R(t)是t的單調(diào)非增函數(shù)[8]，它實(shí)質(zhì)上反映的是元部件在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的功能質(zhì)量水平與理想狀態(tài)下(無故障)的功能質(zhì)量水平之比。在一定程度上反映了元部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和備用水平，是元部件功能質(zhì)量的平均水平指標(biāo)，并可反映系統(tǒng)故障狀態(tài)下的實(shí)際供熱水平。
② 故障率的確定
故障率在廣義上可以分為瞬時(shí)故障率λ(t)和平均故障率λ，前者也稱為故障強(qiáng)度，它是指熱網(wǎng)工作到某時(shí)刻尚未出現(xiàn)故障的可修復(fù)元部件，在該時(shí)刻后，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。而平均故障率λ則是在規(guī)定的條件下和時(shí)間里，元部件的故障總數(shù)與所考慮的最初元部件總數(shù)之比。λ反映了能否滿足設(shè)計(jì)和用戶可靠性的要求，也是分析熱網(wǎng)可靠度所必需的一項(xiàng)指標(biāo)，采用如下統(tǒng)計(jì)方法確定[9]：
式中λ——平均故障率，a-1
k——統(tǒng)計(jì)年份，a
ri——第i個(gè)統(tǒng)計(jì)年份的故障數(shù)
Ni——第i個(gè)統(tǒng)計(jì)年份的元部件總數(shù)
△ti——第i個(gè)統(tǒng)計(jì)年份的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，a，本文取1a
2 熱網(wǎng)調(diào)研情況
課題組于2009年11月底對(duì)吉林市熱力有限公司熱網(wǎng)和長春市部分熱網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，期間詳查了各年度供熱運(yùn)行方案以及每個(gè)供暖期的調(diào)度方案和檢修記錄，對(duì)運(yùn)行熱網(wǎng)元部件的故障記錄進(jìn)行細(xì)致整理。調(diào)研時(shí)統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)具體指標(biāo)包括：熱網(wǎng)逐年管道總長度、閥門、補(bǔ)償器總數(shù)、供熱面積、管子、閥門、補(bǔ)償器的故障次數(shù)、故障原因、位置、影響程度、維修方法和處理結(jié)果。通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行元部件故障率的計(jì)算和故障規(guī)律、故障原因的分析[9]。被調(diào)查熱網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)見表1。
表1 被調(diào)查熱網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)
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城市
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管道總長度/km
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閥門數(shù)量/個(gè)
|
補(bǔ)償器數(shù)量/個(gè)
|
|
吉林
|
219.94
|
325
|
380
|
|
長春
|
101.24
|
156
|
386
|
3 熱網(wǎng)元部件故障率及頻譜分析
3.1 熱網(wǎng)元部件故障率統(tǒng)計(jì)
① 管子的分管徑故障率
管子的元部件總數(shù)用管子的長度計(jì)量，將單位長度的管子視作一個(gè)元部件，其故障率的計(jì)算式為：
式中λp——管子的故障率，km-1·a-1
rp,i——第i個(gè)統(tǒng)計(jì)年份的管子故障數(shù)
Lp,i——第i個(gè)統(tǒng)計(jì)年份的管子總長度，km
由式(4)可計(jì)算得管子的分管徑故障率(見表2)。
表2 管子的分管徑故障率計(jì)算結(jié)果 km-1·a-1
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公稱管徑/mm
|
吉林
|
長春
|
|
200
|
9.1×10-3
|
—
|
|
250
|
4.6×10-3
|
6.7×10-3
|
|
300
|
9.1×10-3
|
11.7×10-3
|
|
350
|
—
|
6.7×10-3
|
|
400
|
41.0×10-3
|
26.6×10-3
|
|
500
|
22.7×10-3
|
21.7×10-3
|
|
600
|
13.6×10-3
|
—
|
|
700
|
4.6×10-3
|
3.4×10-3
|
|
800
|
4.6×10-3
|
6.7×10-3
|
|
900
|
4.6×10-3
|
3.4×10-3
|
|
1000
|
0.0×10-3
|
3.4×10-3
|
② 閥門和補(bǔ)償器的分管徑故障率
閥門和補(bǔ)償器的分管徑故障率按式(3)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見表3、4。
表3 閥門的分管徑故障率計(jì)算結(jié)果 a
|
公稱管徑/mm
|
吉林
|
長春
|
|
200
|
6.2×10-3
|
9.8×10-3
|
|
250
|
9.2×10-3
|
11.8×10-3
|
|
300
|
15.4×10-3
|
17.7×10-3
|
|
350
|
18.5×10-3
|
19.6×10-3
|
|
400
|
12.3×10-3
|
9.8×10-3
|
|
500
|
6.2×10-3
|
3.9×10-3
|
|
600
|
—
|
5.0×10-3
|
|
700
|
9.2×10-3
|
1.9×10-3
|
|
800
|
9.2×10-3
|
1.9×10-3
|
|
900
|
—
|
—
|
|
1000
|
—
|
—
|
表4 補(bǔ)償器的分管徑故障率計(jì)算結(jié)果 a
|
公稱管徑/mm
|
吉林
|
長春
|
|
200
|
1.3×10-3
|
3.9×10-3
|
|
250
|
—
|
4.5×10-3
|
|
300
|
10.5×10-3
|
3.9×10-3
|
|
350
|
—
|
3.2×10-3
|
|
400
|
2.6×10-3
|
2.7×10-3
|
|
500
|
—
|
2.7×10-3
|
|
600
|
2.6×10-3
|
2.7×10-3
|
|
700
|
—
|
—
|
|
800
|
2.6×10-3
|
—
|
|
900
|
2.6×10-3
|
—
|
|
1000
|
—
|
—
|
3.2 故障頻譜分析
① 分管徑故障頻譜分析
故障頻譜是以不同參考變量為橫坐標(biāo)、元部件的故障率為縱坐標(biāo)繪制的曲線[10]，通過頻譜曲線的擬合可以反映元部件故障相對(duì)于不同參考變量的發(fā)生規(guī)律。因此，可以分別從管子、閥門和補(bǔ)償器的故障率頻譜來研究元部件故障對(duì)管徑的分布。管子、閥門和補(bǔ)償器的分管徑故障頻譜見圖1～3。
由圖1可知，兩座城市熱網(wǎng)管子的分管徑故障率變化趨勢(shì)基本一致，即故障率隨著管徑的減小而增大，當(dāng)管子規(guī)格為DN 350～450mm時(shí)故障率達(dá)到高峰。此外，兩座城市的管子故障頻譜與文獻(xiàn)[10]的結(jié)果是一致的。管子分管徑故障率具有這樣的分布是由于：一方面，當(dāng)管子公稱直徑達(dá)到DN500mm以上時(shí)，所承擔(dān)的負(fù)荷較大，一般處于熱網(wǎng)的主干線上，因此具有較好的保護(hù)措施并采取了提高可靠性的方法，且管理維護(hù)較好；另一方面，公稱直徑小于DN300mm時(shí)，所承擔(dān)的負(fù)荷較小，雖然在調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)小管徑管子的故障種類較多，比如漏水等，但這些情況基本不影響供熱介質(zhì)的輸送，即故障達(dá)不到導(dǎo)致系統(tǒng)失效的程度，因而不統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。
由圖2可知，閥門分管徑故障率變化情況與管子有所不同，這表現(xiàn)在它具有一大一小兩個(gè)高峰，大高峰出現(xiàn)在DN 300mm左右，小高峰出現(xiàn)在DN 750～800mm，這是由于較大規(guī)格的管道閥門在供暖期承受較大工況波動(dòng)，但DN 750～800mm規(guī)格的管道閥門自身并不容易出現(xiàn)故障。此外，規(guī)格為DN 500～700mm的管道閥門故障率較低。由圖3可知，補(bǔ)償器的故障率只在DN 300mm左右出現(xiàn)一個(gè)高峰。
② 管子年故障頻譜分析
年故障頻譜是指以元部件運(yùn)行年份為橫坐標(biāo)，以年累計(jì)故障率為縱坐標(biāo)的故障頻譜。年累計(jì)故障率是指以第n年以前各年累計(jì)數(shù)為統(tǒng)計(jì)樣本，第n年以前發(fā)生故障的元部件占元部件總數(shù)的比率[10]。管子的年累計(jì)故障率按式(4)計(jì)算。年故障頻譜反映了隨著運(yùn)行年份的延續(xù)，元部件故障的發(fā)生規(guī)律。由筆者對(duì)吉林市熱力有限公司2001—2009年供熱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)研，得到了吉林市熱力有限公司熱網(wǎng)在這9年間熱網(wǎng)總長度的變化情況。在此基礎(chǔ)上結(jié)合故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)吉林市熱力有限公司熱網(wǎng)管子進(jìn)行了年故障頻譜分析(見圖4)。
由圖4可知，隨著運(yùn)行年份的延續(xù)，吉林市熱力有限公司熱網(wǎng)管子年累計(jì)故障率整體呈上升趨勢(shì)。最小二乘回歸曲線的斜率為0.0079，表示管子年累計(jì)故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。將該數(shù)據(jù)與北京和沈陽數(shù)據(jù)[9]對(duì)比，得到以下結(jié)論：吉林的熱網(wǎng)管子年累計(jì)故障率增速要快于北京，但比沈陽慢。
4 結(jié)論
① 吉林和長春兩座城市的熱網(wǎng)管子分管徑故障率變化趨勢(shì)基本一致，即隨著管徑的減小而增大，當(dāng)管子規(guī)格為DN 350～450mm時(shí)故障率達(dá)到高峰。
② 閥門的分管徑故障率變化與管子不同，表現(xiàn)在具有一大一小兩個(gè)高峰，大高峰發(fā)生在DN 300mm左右，小高峰發(fā)生在DN 750～800mm。補(bǔ)償器的故障率只在DN 300mm左右出現(xiàn)一個(gè)高峰。
③ 對(duì)吉林市熱力有限公司熱網(wǎng)管子進(jìn)行年故障頻譜分析發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行年份的延續(xù)，吉林市熱網(wǎng)管子年累計(jì)故障率整體呈上升趨勢(shì)，且熱網(wǎng)管子年累計(jì)故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。
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(本文作者：朱傳芝 戴昕 宋顯波 于化倫 吉林建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院 吉林長春 130118)
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