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區域熱水鍋爐房供熱輸送干線疲勞壽命研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-02-02

太原理工大學環境科學與工程學院  鄭方  雷勇剛  王飛

       【摘  要】針對我國區域熱水鍋爐房供熱管網疲勞壽命的研究現狀,采用泊爾姆格林-米納公式,對供熱管網的疲勞壽命進行計算和研究。本文選取太原、石家莊、大同、運城作為代表性供熱城市,通過調查問卷和實際測量方法,對區域熱水鍋爐房的事故情況及管網熱工參數進行統計。結果表明,四座代表城市區域熱水鍋爐房輸送干線疲勞壽命循環次數區間為分別為(81.94,99.01)、(73.62,86.02)、(93.63,110.01)、(67.56,74.62),均值分別為89.04、79.33、101.81、71.77,與城市所在地的供暖室外計算溫度值成反比且與供暖時長成正比。研究結果為今后直埋供熱管網的設計規程提供重要的實驗參考依據。

       【關鍵詞】區域熱水鍋爐房;輸送干線;事故頻次;疲勞壽命

0 引言

       2017年10月18號,習近平總書記在十九大報告中指出,加快生態文明體制改革,建設美麗中國。區域熱水鍋爐的發展,便是相應十九大的號召,針對我國城鄉中現在有的小型、低效、高污染鍋爐進行改造,為熱用戶提供集中供熱。隨著供熱需求量越來越大,供熱直埋管管徑不斷增大,對供熱直埋管道的安全運行提出了更高的要求。

       在工程實踐中,常利用疲勞壽命曲線對疲勞壽命進行評估。疲勞線性累積理論為疲勞分析開拓了思路,而實際測量數據和經驗則為疲勞壽命的研究奠定了基礎。方英鶴[1]認為通過提高管道的基本循環次數可以實現低周疲勞破壞對管道疲勞損傷的計算。在評估油氣管道的疲勞壽命評估中,李云龍等一些學者采用雨流計數法分析了壓力循環次數,指導管道設計及安全運營[2-4]。針對供熱熱水管道,文獻[5]采用應力分類法對供熱熱水管道強度進行了分析,其中,直管段驗算采用安定性分析,彎頭驗算采用簡化的疲勞分析。歐洲規程指出供熱管道在設計年限內的溫差循環次數包括每天溫度變化的小作用循環次數和大溫差循環次數(啟停和事故循環)組成[6]。鄒平華等[7-9]開展了對管網故障情況的研究,為熱網可靠性分析及事故循環次數的調查提供參考。盡管部分學者借鑒歐洲規范并考慮了溫度變化對疲勞壽命的影響,得出管道的溫差循環次數[10-12]。然而,目前對于溫差循環次數的研究尚未形成完整體系,且國內針對以區域熱水鍋爐房為熱源的熱水管道實際運行參數的統計也不全面,該方面研究鮮有報道。

       鑒于以上分析,有必要對以區域熱水鍋爐房為熱源的熱水管道實際運行參數進行統計,并對熱水管道的最大年溫差循環次數進行分析討論。本文按表1中室外計算溫度、供暖設計溫度以及供暖時長的不同,選取北方供暖城市的中四個代表分別是太原、石家莊、大同、運城,作為本次研究對象,以當地的區域熱水鍋爐房為調查對象,進行事故調查統計和連續五個供暖季輸送干洗管網運行數據的測量統計,之后利用泊爾姆格林-米納(Palmgren-Miner)公式[13]計算最大年溫差循環次數,為供熱輸送干線在使用年限內的疲勞壽命分析提供依據。

表1 集中供熱代表城市相關參數

1  輸送干線事故情況的調查統計

       1.1  數據來源

       于2016年9月至2017年9月以問卷調查的形式,對太原、石家莊、大同、運城地區以區域熱水鍋爐房為熱源的投運年限、運行事故次數、事故位置及搶修持續時間進行統計分析。本次調查共回收問卷415份,有效問卷為335份,有效率為80.72%,適用于本次調查研究,樣本的詳細分布情況如表2。

表2 樣本分布情況表

       1.2  輸送干線的事故頻次

       我國區域供熱管網的規模不斷擴大,結構日趨復雜,熱網事故也隨供熱程度的增加而遞增,雖不能完全避免,但更應從設計、運行、管理、調度等方面盡可能減少事故次數和影響范圍,使管網安全穩定運行。

       圖1為輸送干線事故頻次圖,其中,占前三位的分別是:21.47%的人選擇熱網五年出現一次事故,16.38%的人選擇三年出現一次事故,15.82%的人選擇八年出現一次事故。將所有輸送干線的實際事故頻次進行加權計算,得到輸送干線每年的事故循環次數為0.511次,為進一步計算供熱直埋管道溫差循環次數提供了理論參數。


圖1 輸送干線事故頻次圖

2  輸送干線最大年溫差循環次數的確定

       2.1  最大年溫差循環次數計算方法的確定

       為分析研究循環溫差對輸送干線疲勞壽命的影響,確定區域熱水鍋爐房輸送干線的合理最大年溫差循環次數,基于利用泊爾姆格林-米納(Palmgren-Miner)公式計算最大年溫差循環次數M[13]

       

       式中:Δti為溫度變化i=1,2,…;Δtref為管網運行過程中出現的最高溫度與環境溫度(工程中取10℃)的差;m為常數(1/m是S-N曲線的斜率),綜合《區域供熱手冊》中當參數m=4,計算結果趨近實際運行條件。因此本次研究通過實際測量太原、石家莊、大同、運城四座集中供熱代表城市地區某區域熱水鍋爐房的供熱輸送干線整個連續五年供暖季的運行溫度,并按照時間劃分循環溫差段,計算得出以區域熱水鍋爐房為熱源的供熱輸送干線的最大年溫差循環次數,為計算供熱輸送干線疲勞壽命的疲勞分析提供依據。

       2.2  數據采集

       為分析區域熱水鍋爐房運行期間輸送干線供水溫度的變化,于2011年在四座城市的某一以區域熱水鍋爐房為熱源的輸送干線出口安裝溫度傳感器和自動記錄儀,供水溫度每隔3小時自動記錄一次,歷時5個供暖季。 

       2.3  最大年溫差循環次數的確定

       由于區域熱水鍋爐房溫度調節不僅受到室外溫度變化的影響,而且人的主觀調節也屬于不確定影響。因此,每一個供暖季均可看作一個典型的區域熱水鍋爐房運行期間輸送干線供水溫度算例。針對區域熱水鍋爐房輸送干線運行溫度的測量值,采用《區域供熱手冊》中的分類方法,將計算出的運行溫差按照每天、每周和每月進行分類,并利用泊爾姆格林-米納公式,參數m設定值取4,分別計算5個供暖季的輸送干線每天、每周和每月小溫差的等效溫差循環次數,疊加每年1.5次大溫差循環(每年啟停一次與0.511次的事故次數),折算得到最大年溫差循環次數。表3、表4、表5和表6分別給出四座城市5個供暖季度該區域熱水鍋爐房最大年溫差循環次數:

表3 太原地區區域熱水鍋爐房最大年溫差循環次數

表4 石家莊地區區域熱水鍋爐房最大年溫差循環次數

表5 大同地區區域熱水鍋爐房最大年溫差循環次數

表6 運城地區區域熱水鍋爐房最大年溫差循環次數

       2.4  結果分析

       通過以上對四座代表性城市中區域熱水鍋爐房輸送干線供水管段運行數據的分析對比,四座代表城市在設計壽命30年內供水管段的最大溫差循環次數如圖2、圖3所示。由兩圖可以得出,在設計壽命30年內,區域熱水鍋爐房供水管段的年最大溫差循環次數最大值為大同地區的101.81,最小值為運城地區的71.71,太原、石家莊依次居中分布,這與四座代表性城市的設計供暖時長成正比且一一對應,但與這四座代表性城市的供熱季室外平均溫度成反比。即設計供暖時長越長的城市,其供熱管網在供熱季運行期間的溫差循環次數越多,必然年最大溫差循環次數越大,管網受到的疲勞損傷越大;同理,供熱季室外平均溫度越低的城市,其供熱管網的供水溫度必然越高,導致管網中循環溫差越大,從而溫差引起的熱應力越大,對管網的疲勞損傷越嚴重。由此可得,區域熱水鍋爐房供水管段的年最大溫差循環次數既符合實際變化規律,也進一步證實了實驗數據的采集和計算分析方法的真實性、可靠性、合理性。因此,對于設計供熱時長越長或供熱季室外平均溫度越低的城市,在對區域熱水鍋爐房輸送干線供水管道的設計和施工中更加注重安全合理,為保障區域熱水鍋爐房供熱系統在設計壽命內安全穩定運行,提高使用壽命,應合加強對區域鍋爐房供水管段的巡檢,避免運行事故出現,從而減少由于溫差循環對管網引起的疲勞損傷。


圖2  供水管段最大溫差循環次數與供暖室外計算溫度

圖3  最大溫差循環次數與供暖時長

3  結論

       1) 通過對區域鍋爐房供熱直埋輸送干線事故頻次的調查統計,確定區域熱水鍋爐房為熱源的輸送干線每年的事故循環次數為0.511次。

       2)按1.5次大溫差折算在設計壽命內的最大年溫差循環次數,太原、石家莊、大同、運城四座代表城市區域熱水鍋爐房輸送干線疲勞壽命循環次數區間為分別為(81.94,99.01)、(73.62,86.02)、(93.63,110.01)、(67.56,74.62)。

       3)以各供暖季輸送干線供水的最大年溫差循環次數推算其在設計壽命30年內的最大年溫差循環次數,計算出太原、石家莊、大同、運城四座城市區域鍋爐房輸送干線的循環平均值分別為89.04、79.33、101.81、71.77,與城市所在地的供暖室外計算溫度值成反比且與供暖時長成正比,供暖室外計算溫度低且供暖時長長的集中供熱城市,區域熱水鍋爐房輸送干線的疲勞損傷較大,需要在今后的設計運行中,加強供熱直埋管網的安全性能。

       4)本文僅對區域熱水鍋爐房為熱源的供熱一次網輸送干線的溫差循環次數進行了研究,還需進一步對不同地區和不同熱源的管道進行深入統計,獲得一系列管道設計壽命內的溫差循環次數,為熱網疲勞壽命的研究提供更完善的基礎數據。

參考文獻 

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       [13](丹麥)蘭德勞皮夫(編), 賀平, 王鋼(譯). 區域供熱手冊[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 1998: 87-94.

       備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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