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基于图论的供热系统可靠性研究

王芃  
【摘要】: 供热系统作为社会的“生命线工程”,关系着人们的生产和生活,同时也是国民经济的重要组成部分。具备高温、大容量的集中供热系统一旦发生故障,将可能破坏生活区和公共建筑的供热,恶化人们的生活和工作环境,并导致无法估量的社会性后果。为保证供热系统的可靠运行,俄罗斯学者在结构备用、输送能力备用、维修时间、限额供热量等多方面对供热系统的设计提出了严格的要求,并规定了系统的功能质量可靠度指标,具备了一整套可靠性设计和最终评定的方法。然而,在供热系统的设计过程中,尚缺乏各阶段的可靠性评价方法,如针对管网拓扑结构的设计,管段容量的设计等。另外,由于区域经济、技术发展的差异,我国各地区供热系统的设计和运行管理水平参差不齐。针对我国目前供热系统设计与运行中存在的问题,本文主要研究热网设计时管网拓扑结构和管段容量设计阶段,系统的可靠性评价方法,以及适合评价现存的各种设计与运行水平不同的供热系统的可靠度指标。 针对供热系统设计各阶段中系统的可靠性评价问题,首先基于网络系统的连通性理论,分别从热用户、热源和系统的角度建立供热系统的连通问题。基于最小路集矩阵建立连通可靠度的表达式,同时改进了网络最小路集的搜索算法,提出求解逻辑和的矩阵分割算法;另外,建立管段连通重要度以反映管网中各管段对系统可靠性的影响,形成较完整的基于连通可靠度的系统结构备用评价方法。通过算例分析了管网结构、热源位置与数量等因素对连通可靠度的影响。 其次,基于最大流——最小割原理将供热平面管网转化为边权传输网,提出了考虑故障工况限额供热的管段容量设计方法,并建立最大流可靠度、限额供热流可靠度与非满负荷流可靠度评价系统的输送能力备用。 结合系统综合可靠性的评价,通过某单热源供热系统的改扩建分析,指出结构备用和输送能力备用的提高均能有效改善供热系统的综合可靠性;同时也说明在供热系统的设计阶段,根据连通可靠度和流可靠度分别指导管网拓扑结构和管段容量的可靠性设计是有效的手段。 供热系统的综合可靠性评价,应遵循故障隔离、故障管网重构、故障工况仿真及可靠度计算的步骤。首先通过构造包含阀门信息的混合关联矩阵,提出矩阵扫描法完成供热平面管网到阀门网络模型的转化。基于阀门网络模型的关联矩阵,给出故障元件对应的关阀方案和关断区域的计算原理,通过搜索故障隔离时平面管网的所有连通子图,重构故障平面管网和空间管网。此外,基于阀门网络模型分析管网中的特殊阀门:无效阀门和并联阀门集合,给出它们的判定准则及相关性质。 假设完全可控和不可控作为系统可控程度的上下界估计,基于热网水力计算的基本模型和故障空间管网,针对完全可控与不可控系统在故障工况的调节特性分别建立仿真模型。通过算例分析,探讨了不可控与完全可控供热系统故障管网水力工况的特点,指出完全可控的供热系统是实现热网可靠性设计的手段,是与系统结构备用和输送能力备用相匹配的控制措施。 最后根据状态空间法和功能质量的可靠度评价指标,分析设计热负荷可靠度指标的不足,建立限额供热可靠度指标综合评价系统的可靠性。于是,通过阀门网络、故障工况仿真模型和限额供热可靠度指标的计算完成供热系统的综合可靠性评价。 基于限额供热可靠度,分析循环水泵、可控性及多管制敷设方式等对供热系统可靠性的影响。给出采用多管制敷设时热源出口干线的最小长度要求,指出陡峭型的循环水泵性能曲线可以提高系统可靠度。提出基于一类问题的极限限额供热可靠度,以说明供热系统在管网拓扑结构、热负荷分布、管径以及阀门设置不变的条件下,系统可达到的最大限额供热可靠度。并基于极限限额供热可靠度,分析了多热源多环供热系统中阀门增设的优化方案。


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