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供热管道及管网系统动态可靠性研究

曹姗姗  
【摘要】:集中供热系统是我国北方城镇的生命线系统,是保障人们生产和生活的重要基础设施。供热管道及其构成的管网系统是连接热源与热用户的重要组成部分,同时也是供热系统可靠性的薄弱环节。随着供热管网服役年限的增长和供热规模的扩大,供热管道的故障频发,管道可靠性在长期服役过程中逐渐衰退。此外,随着精益化管理的发展,供热管网系统在运行中所呈现的动态特性是可靠性研究不可忽略的特点。本文分别从供热管道和管网系统两方面研究供热管网的动态可靠性,提出供热管道和管网系统动态可靠性的评价方法。根据直埋敷设供热管道的受力特点,基于广义的应力-强度干涉理论建立供热管道强度失效、垂直失稳、径向失稳和局部屈曲四种失效模式的极限状态方程,并基于幂函数腐蚀模型研究腐蚀引起的供热管道失效概率。根据影响因素的随机特性,应用Monte Carlo方法仿真供热管道的受力状态,通过极限状态方程判断管道的安全/失效状态,统计失效概率,分析随机变量的敏感性指标。对供热管网中常用的DN100~DN1000供热管道失效概率的Monte Carlo仿真研究表明,强度失效是供热管道失效的主要模式,管道内的热水温度是影响失效概率的主要参数。随着服役年限和腐蚀速率的增加,供热管道失效概率逐年升高。根据供热管道故障率的调研统计数据,建立了基于Bayesian理论的供热管道故障率更新模型和方法。以黑龙江某市供热管网为研究对象,根据供热管道运行条件、受力情况,应用Monte Carlo仿真方法统计供暖期内不同供水温度时的管道失效概率和平均故障率。根据Bayesian理论的供热管道故障率更新模型,利用该管网10年服役期间的故障统计数据对供热管道故障率的仿真结果进行更新,得到供热管道故障率的更新函数,将更新后的故障率作为供热管网系统可靠性评价的基础数据。为了研究供热管网系统在故障工况时呈现的热特性,掌握供热参数的变化规律,首先根据准动态热力工况的假设建立管网部分的水力模型和动态热力工况模型。研究描述径向和轴向传热过程的二维模型和一维简化模型,以及相应的状态空间模型,利用Laplace方法求解状态空间模型并给出数值计算的离散方法。分析了不同供热参数条件下二维模型、一维简化模型及模型离散程度对仿真误差的影响。通过某区域供热管网热源与换热站测试数据与该管网仿真结果的对比,验证了采用计算管段单节点的一维简化模型仿真的各换热站供水温度与测试数据的相对误差不超过±10%。在构建并验证了供热管网的一维简化模型后,根据故障工况管网的拓扑重构,联立换热站和建筑物的热力模型构建供热管网系统故障工况热特性的仿真模型。研究了在假设的稳定室外计算温度和室外温度水平高低不等的3个典型供暖期间,某大型供热管网系统环形干线主管段故障工况下各换热站供水温度、得热量和室内温度的变化规律。通过分析故障工况供热管网系统的动态热特性,得出供热管网系统状态的变化滞后于管网元件故障的结论,提出基于故障响应滞后的Markov可修系统模型,并基于故障工况热用户室内温度水平对供热管网系统进行状态聚合。为了分析供热管网系统故障响应滞后时间,提出了允许间断供热时间、允许限额供热时间的概念。完善基于热用户室内温度动态响应的故障判定标准,提出供热管网动态可靠性评价方法和系列指标,包括供热管网的可用度及可靠度指标、供热管网平均故障及事故时间、供热管网的功能可用度指标。根据本文建立的供热管网的动态可靠性评价指标,某环状供热管网系统的可靠性在供暖期内随着室外温度升高而增长、随着服役年限增加而逐渐降低的动态规律。动态可靠性研究方法探究了供热管道可靠性在服役期内的衰退特性和供热管网系统供暖期内热动态特性对可靠性的影响,不仅适用于我国结构和运行多样化的既有供热系统可靠性评价,也为供热系统的精益管理和故障工况的智能调度提供理论支持。


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