熱網元部件故障率統(tǒng)計及頻譜分析

摘 要

摘要：通過對吉林、長春兩市熱網的調研，統(tǒng)計了熱網管子、閥門和補償器的故障率，進行了故障頻譜分析。兩座城市管子的故障率隨著管徑的減小而增大，當管子規(guī)格為DN 350～450mm時達到
摘要：通過對吉林、長春兩市熱網的調研，統(tǒng)計了熱網管子、閥門和補償器的故障率，進行了故障頻譜分析。兩座城市管子的故障率隨著管徑的減小而增大，當管子規(guī)格為DN 350～450mm時達到高峰。閥門的故障率具有一大一小兩個高峰，大高峰發(fā)生在DN 300mm左右，小高峰發(fā)生在DN 750～800mm。補償器的故障率只在DN 300mm出現(xiàn)一個高峰。對吉林市熱網管子年故障頻譜進行了分析，管子年累計故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。
關鍵詞：熱網；管子；閥門；補償器；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)模不斷擴大，2000年我國供熱面積為11.07×108m2，2006年已經達到了26.58×108m2，相應的供熱管道長度(包含蒸汽和熱水管道)從43782km增加到93955km[1]。與此同時，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通過熱網送到熱力站或熱用戶，其中熱網是供熱系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)[2]。隨著供熱規(guī)模的不斷擴大[3]、復雜程度的增加和使用時間的延長，熱網發(fā)生事故的概率增加，由此造成的經濟損失和社會影響比較嚴重[4]。因此，提高熱網可靠性具有極大的經濟意義和重要的社會價值[5]。這就迫切要求對熱網故障的發(fā)生規(guī)律進行分析，以便提高熱網可靠性。本文以吉林市和長春市熱網為例，對熱網元部件(管子、閥門、補償器)的故障率進行統(tǒng)計分析，并在統(tǒng)計數據的基礎上對故障發(fā)生規(guī)律進行頻譜分析，總結典型熱網故障發(fā)生的一般規(guī)律。
1 故障率
   ① 故障率理論基礎
首先，熱網元部件故障的出現(xiàn)可以視為一個隨機小概率事件；其次，熱網元部件之間是相互獨立的；此外，熱網的運行時間越長，元部件出現(xiàn)故障的概率也越大。以上這些特點使熱網元部件故障出現(xiàn)的概率服從泊松分布[6]：
 
式中Pm(t)——故障發(fā)生的概率
    t——熱網可靠性研究時間間隔，a
    λ(t)——熱網元部件瞬時故障率，1/a
    m——故障次數
    a(t)——熱網元部件運行時間，認為是供暖時間，a
    當熱網元部件一次故障也未發(fā)生(m=0)時的概率P0(t)的計算式為：
    P0(t)=exp[-λ(t)t]=R(t)    (2)
式中P0(t)——熱網元部件一次故障也未發(fā)生的概率
    R(t)——可靠度函數[7]
    對于可靠度函數R(t)，當t遠小于元部件壽命時，R(t)趨近于1；當t趨近于元部件壽命時，R(t)趨近于0。并且R(t)是t的單調非增函數[8]，它實質上反映的是元部件在實際運行狀態(tài)下的功能質量水平與理想狀態(tài)下(無故障)的功能質量水平之比。在一定程度上反映了元部件的結構特點和備用水平，是元部件功能質量的平均水平指標，并可反映系統(tǒng)故障狀態(tài)下的實際供熱水平。
   ② 故障率的確定
   故障率在廣義上可以分為瞬時故障率λ(t)和平均故障率λ，前者也稱為故障強度，它是指熱網工作到某時刻尚未出現(xiàn)故障的可修復元部件，在該時刻后，單位時間內發(fā)生故障的概率。而平均故障率λ則是在規(guī)定的條件下和時間里，元部件的故障總數與所考慮的最初元部件總數之比。λ反映了能否滿足設計和用戶可靠性的要求，也是分析熱網可靠度所必需的一項指標，采用如下統(tǒng)計方法確定[9]：
 
式中λ——平均故障率，a-1
    k——統(tǒng)計年份，a
    ri——第i個統(tǒng)計年份的故障數
    Ni——第i個統(tǒng)計年份的元部件總數
    △ti——第i個統(tǒng)計年份的統(tǒng)計時間，a，本文取1a
2 熱網調研情況
    課題組于2009年11月底對吉林市熱力有限公司熱網和長春市部分熱網進行了實地調研，期間詳查了各年度供熱運行方案以及每個供暖期的調度方案和檢修記錄，對運行熱網元部件的故障記錄進行細致整理。調研時統(tǒng)計的各項具體指標包括：熱網逐年管道總長度、閥門、補償器總數、供熱面積、管子、閥門、補償器的故障次數、故障原因、位置、影響程度、維修方法和處理結果。通過這些基礎數據，就可以進行元部件故障率的計算和故障規(guī)律、故障原因的分析[9]。被調查熱網的具體數據見表1。
表1 被調查熱網的具體數據
城市
管道總長度/km
閥門數量/個
補償器數量/個
吉林
219.94
325
380
長春
101.24
156
386
3 熱網元部件故障率及頻譜分析
3.1 熱網元部件故障率統(tǒng)計
    ① 管子的分管徑故障率
    管子的元部件總數用管子的長度計量，將單位長度的管子視作一個元部件，其故障率的計算式為：
 
式中λp——管子的故障率，km-1·a-1
    rp,i——第i個統(tǒng)計年份的管子故障數
    Lp,i——第i個統(tǒng)計年份的管子總長度，km
    由式(4)可計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算結果   km-1·a-1
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 閥門和補償器的分管徑故障率
    閥門和補償器的分管徑故障率按式(3)計算，計算結果分別見表3、4。
表3 閥門的分管徑故障率計算結果    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 補償器的分管徑故障率計算結果 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、元部件的故障率為縱坐標繪制的曲線[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、閥門和補償器的故障率頻譜來研究元部件故障對管徑的分布。管子、閥門和補償器的分管徑故障頻譜見圖1～3。

    由圖1可知，兩座城市熱網管子的分管徑故障率變化趨勢基本一致，即故障率隨著管徑的減小而增大，當管子規(guī)格為DN 350～450mm時故障率達到高峰。此外，兩座城市的管子故障頻譜與文獻[10]的結果是一致的。管子分管徑故障率具有這樣的分布是由于：一方面，當管子公稱直徑達到DN500mm以上時，所承擔的負荷較大，一般處于熱網的主干線上，因此具有較好的保護措施并采取了提高可靠性的方法，且管理維護較好；另一方面，公稱直徑小于DN300mm時，所承擔的負荷較小，雖然在調研中也發(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的輸送，即故障達不到導致系統(tǒng)失效的程度，因而不統(tǒng)計在內。
    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，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，補償器的故障率只在DN 300mm左右出現(xiàn)一個高峰。
   ② 管子年故障頻譜分析
   年故障頻譜是指以元部件運行年份為橫坐標，以年累計故障率為縱坐標的故障頻譜。年累計故障率是指以第n年以前各年累計數為統(tǒng)計樣本，第n年以前發(fā)生故障的元部件占元部件總數的比率[10]。管子的年累計故障率按式(4)計算。年故障頻譜反映了隨著運行年份的延續(xù)，元部件故障的發(fā)生規(guī)律。由筆者對吉林市熱力有限公司2001—2009年供熱基礎數據的調研，得到了吉林市熱力有限公司熱網在這9年間熱網總長度的變化情況。在此基礎上結合故障率統(tǒng)計數據，對吉林市熱力有限公司熱網管子進行了年故障頻譜分析(見圖4)。
 

    由圖4可知，隨著運行年份的延續(xù)，吉林市熱力有限公司熱網管子年累計故障率整體呈上升趨勢。最小二乘回歸曲線的斜率為0.0079，表示管子年累計故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。將該數據與北京和沈陽數據[9]對比，得到以下結論：吉林的熱網管子年累計故障率增速要快于北京，但比沈陽慢。
4 結論
    ① 吉林和長春兩座城市的熱網管子分管徑故障率變化趨勢基本一致，即隨著管徑的減小而增大，當管子規(guī)格為DN 350～450mm時故障率達到高峰。
    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高峰，大高峰發(fā)生在DN 300mm左右，小高峰發(fā)生在DN 750～800mm。補償器的故障率只在DN 300mm左右出現(xiàn)一個高峰。
    ③ 對吉林市熱力有限公司熱網管子進行年故障頻譜分析發(fā)現(xiàn)，隨著運行年份的延續(xù)，吉林市熱網管子年累計故障率整體呈上升趨勢，且熱網管子年累計故障率的增長速率為0.0079km-1·a-1。
參考文獻：
[1] 黃嬌.燃氣調峰鍋爐房配置的綜合優(yōu)化(碩士學位論文)[D].北京：北京建筑工程學院，2008：2-3.
[2] 鄒平華，雷翠紅，王威，等.黑龍江省熱網故障調研與分析[J].區(qū)域供熱，2008(5)：15-20.
[3] 鄒平華.借鑒俄羅斯經驗積極發(fā)展我國集中供熱事業(yè)[J].暖通空調，2000，30(4)：33-37.
[4] BABIARZ B.An introduction to the assessment of reliability of the heat supply systems[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2006(83)：230-235.
[5] 王曉霞，鄒平華.多熱源環(huán)狀熱網?？啃栽u估方法研究[J].暖通空調，2006，36(10)：14-18.
[6] 蕭震宇，王德林.供熱管網故障強度及可靠度函數的計算[J].煤氣與熱力，2005，25(3)：52-54.
[7] 曹晉華，程侃.可靠性數學引淪[M].修訂版.北京：高等教育出版社，2006：3-5.
[8] 金碧輝.系統(tǒng)可靠性工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：6-10.
[9] 張華杉，王曉霞，鄒平華，等.基于熱網調研的供熱管網元件故障率統(tǒng)計與頻譜分析[J].暖通空調，2004，34(1)：15-18.
[10] 劉施玲.城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)可靠性研究(碩士學位論文)[D].北京：清華大學，1992：12-23.
 
(本文作者：朱傳芝 戴昕 宋顯波 于化倫 吉林建筑工程學院 市政與環(huán)境工程學院 吉林長春 130118)