燃气输配管网供气可靠性评价方法.doc

燃气输配管网供气可靠性评价方法摘要：燃气管网系统是一种可修复的系统，对这种系统需要研究其可靠性问题。燃气管网发生故障使系统的完整性状态发生变化，可以看作齐次马尔柯夫过程。考虑管网的维修性，结合关于管网阀门规则配置的研究成果，提出基于水力工况的燃气管网供气可靠度计算方法，使燃气管网可靠性评价实用化。关键词：燃气管网可靠性评价可靠度计算故障ReliabilityAssessmentonGasSupplyofGasTransmissionandDistributionNetworkAbstract：Thegaspipenetworksystemisarepairablesystem，andthesystemreliabilityneedstobestudiedAsfaultoccurs，theintegritystateofthesystemischangedandthechangeprocessisknownasaMarkovprocessTakingthemaintainabilityofpipenetworkintoaccount，combinedwiththeresearchresultsaboutpipenetworkvalveruleconfiguration，acalculationmethodforreliabilityofgaspipenetworkbasedonthehydraulicconditionisputforwardtoputthegaspipenetworkreliabilityassessmentintopracticalapplicationKeywords：gaspipenetwork；reliability；assessment；reliabilitycalculation；fault燃气输配管网是由大量管道以及阀门、部件构成的系统。为保证安全供气，管网系统一般建成环状，以便在管网个别部位发生故障后需从系统隔离时，管网仍具有一定的供气能力。管网在建成后经过强度试验和气密性试验合格后投入运行。此时，管网具有很好的完整性，可按设计规定的供气量工作。随着运行时间的推移，管网部件本身及施工的某些缺陷会暴露出来，或因其他原因发生故障，需将故障部件从系统中隔离开来，此时管网的供气能力会受到一定程度的影响。在损坏部件被修复、故障被排除后，管网又恢复到完整的状态。可见管网系统是一种可修复的系统，并且是一种在个别管段或部件发生故障时仍具有一定供气能力的复杂系统。对这种系统需要研究其可靠性问题。对于燃气管网可靠性问题，前苏联约宁进行了研究1。笔者按齐次马尔柯夫过程原理，考虑管网的维修性对此进行重新探讨，并结合关于管网阀门规则配置的研究成果，提出基于水力工况的燃气管网供气可靠度计算方法。2管网供气可靠度燃气管网在运行中随时有可能因管段(或阀门等部件)发生故障使系统的完整性状态发生变化。燃气输配管网的状态变化可以看为齐次马尔柯夫过程2。对燃气管网各管段的状态，用状态函数表示。管段的状态完好时其状态函数xj=1；管段故障时，其状态函数xj=0。可见此处状态函数是二值函数。全体管段的状态函数构成表明管网完整性的状态向量。x=x1，x2，xj，xnT(1)式中x管网状态向量xj管段状态函数n管段及阀门数，即系统的故障模式数j管段及阀门编号，即系统的故障模式号，j1，2，n随xj取值不同，x即有相应的取值，即管网有不同的状态。我们采用假定：在某一时刻，管网处于最多只发生一根管段或一个阀门故障的模式，则管网将有n+1种状态，即：x01，1，1，1Tx10，1，1，1Tx21，0，1，1Txn1，1，1，0Tx01，1，1，1T表示全体管段(或阀门)都正常，x10，1，1，1T表示第1号管段(或阀门)发生故障。xn1，1，1，0T表示第7,号管段(或阀门)发生故障。燃气管网状态保持完整状态的概率P0Pxx0，第j管段或阀门故障状态的概率PjPxxj，j1，2，n。状态转移的概率，可按齐次马尔柯夫过程推导2-3。系统处于完整状态的概率：src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202048591445.jpg/式中P0系统处于完整状态的概率lj第，管段(或阀门)故障率，即第j种故障模式的故障率，lam维修率t管网投产(或大修后)开始运行的时间，a故障率定义为在单位时间(例如la)内，发生故障的元件数与当时完好的元件数的比率。维修率定义为在单位时间(例如la)内，修复的故障元件数与当时故障的元件数的比率。系统处于j状态的概率：height=77src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049018193.jpgwidth=400/式中Pj系统处于j状态的概率燃气管网供气能力与管网的完整性状态有关。无故障的管网具有的供气能力称为正常供气量q0t，而在故障状态，管网会失去一定量供气能力，即减供量Dqjt，只保持部分供气能力，即故障供气量qjt。对一个管网，由于其状态处在随机过程中，其预期的供气能力与它们可能有的状态的概率有关。为对其进行合理的估计，可以采用下列概率加权关系，即管网供气能力的概率估计，称为概率供气量，见式(4)：height=45src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049019289.jpgwidth=400/式中qt管网的概率供气量，m3hq0t无故障的管网的正常供气量，m3hqjt故障供气量，m3hheight=70src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049026941.jpgwidth=400/式中Dqjt管网减供量，m3h将式(5)、(6)代入式(4)，有：height=42src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049033457.jpgwidth=400/定义管网的概率供气量与正常供气量之比为管网供气可靠度，即：height=50src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049033343.jpgwidth=400/式中R(t)管网供气可靠度将式(7)代入式(8)，有：height=50src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049046123.jpgwidth=400/在本定义中有关量都是时间的函数，即定义的管网供气可靠度是因时而变的。这在逻辑上是合理的。有必要限定将定义固定在设计工况下，即q0t采用管网设计的额定供气量q0。Dqjt也按相对于额定供气量q0在管网第，种故障模式下减少供气的减供量Dqj确定。即设计的额定供气量q0与故障模式下减少供气的减供量Dqj都与时间无关，以及将故障模式区分为管段故障模式及阀门故障模式：nM+V(10)式中M管段数，即管段故障模式数V阀门数，即阀门故障模式数因此式(9)改写为：height=55src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049055750.jpgwidth=400/式中q0管网设计的额定供气量，m3hDqj相对于额定供气量q0在管网第j种故障模式下的减供量，m3h将式(3)代入式(11)，有：height=157src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049064721.jpgwidth=400/对于管段，有：ljlelj(13)对于阀门，有：ljlv(14)式中le管段的单位长度故障率，l(kma)lj第歹管段的长度，kmlv阀门故障模式的故障率，la将管段与阀门分别考虑，由式(12)得：height=199src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049062108.jpgwidth=400/由燃气管网供气可靠度公式可以看到，R(t)与管网故障模式下减少的供气量有关系；与管网管段、阀门等部件的故障率、维修恢复能力的维修率有直接关系。这表明提高供气可靠度有赖于合理的设计管网和配置阀门等部件。因此也引申出一项工作，即是需要在设计中进行燃气管网供气可靠性的评价和计算。从R(t)计算式可以看到，R(t)与所采用的t有关，这表明采用较短的管网大修更新周期，有利于提高管网的供气可靠性。燃气管网供气可靠度的计算，按现有文献，例如文献1介绍的方法，需对管网所有可能的故障模式(M+V种)，计算出相应每一种故障模式下的减少供气量Dqj，再按式(12)进行计算。显然，用这种逐一故障模式计算的方法，对实际管网因工作量太大而无法使用。3基于水力工况的管溅供气可靠度诗算燃气管网的一根管段发生故障时，对整个管网的水力工况只有局部的影响，基于这一概念，笔者在此提出基于水力工况的Dqj计算模型，使供气可靠度计算具有可操作性。其方法是，设管网按m级进行阀门规则配置4，对管网设计工况进行水力计算，以计算结果的某管段组流量作为该管段组内管段故障时的系统减供量，阀门相邻的两管段组流量作为该阀门故障时的系统减供量。特别对于枝状管网，管段故障时，本管段流量即是系统减供量。由此燃气管网供气可靠度计算将变得十分容易，可在管网水力计算时同时完成。基于水力工况的燃气管网供气可靠度计算要采用3个近似假定：管网故障模式为：在一个时刻只发生一根管段故障或一个阀门故障(实际这一假定是有条件的，即一般限于管段数为200以下)。由于管段或阀门发生故障，将有关管段组与管网隔离后，管网的减供量即是被隔离有关管段组的各管段计算流量之和(实际管网的减供量可能略偏离其值)。对m级阀门规则配置的管网，某一管段j故障的减供量为：mDqj。一般管网阀门规则配置级别m2，3，近似估计，阀门故障的减供量为：height=44src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049078212.jpgwidth=400/式中g阀门故障时受影响管段数增加的系数m管网阀门规则配置级数g是考虑阀门故障时受其故障影响的管段数会增加的系数，l.5g2，因而由式(15)得出管网供气可靠度为：height=266src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049073570.jpgwidth=400/式中H管网环数T管网支管管段数x地板函数，即等于或小于实数x的最大整数关于式(18)及管网阀门规则配置级数，参见文献。下面列举一个算例，管网见图1，管网水力计算结果(管段流量)见表l。height=287src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049101389.jpgwidth=650/height=510src=/UploadFiles/2017002/20174/Essay/201704202049104328.jpgwidth=400/对图l所示的44根管段(管段上的数字是管段编号)的管网，采用基于水力工况的燃气管网供气可靠度计算方法，计算得出其供气可靠度R(10)0.9548。计算条件为：管段单位长度故障率le0.003，阀门故障率lv0.00035，维修率m0.125，计算年限t=10a。计算表明，对一个管网型式，在由于各种条件变化引起水力工况变化时，可靠度值变化很小。这表明基于水力工况的燃气管网供气可靠度计算方法式(17)具有很好的稳定性。结合笔者关于管网阀门规则配置的研究成果，使供气可靠度计算更为细致。有必要规定可靠度尺(t)的界限，这一工作需经过实际资料数据的积累逐渐明确。对不同类型和规模的管网应该提出不同的R(t)数值界限，并且对其要随时间进程，按技术经济条件变化而作出调整。将燃气输配管网的状态变化看为齐次马尔柯夫过程建立燃气输配管网供气可靠性评价模型。本文提出的基于水力工况的燃气管网供气可