董媛媛,王 飛,王國(guó)偉

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

供熱直埋輸送干線循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的研究

董媛媛,王 飛,王國(guó)偉

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

針對(duì)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》中疲勞分析缺乏供熱管道循環(huán)次數(shù)的問(wèn)題,對(duì)某市大型熱電廠和大型區(qū)域鍋爐房的供水溫度連續(xù)測(cè)試了5個(gè)采暖期,按照t分布函數(shù)計(jì)算出每天、每周和每月的最大循環(huán)溫差，以及樣本方差的估計(jì)值。利用泊爾姆格林-米納(Palmgren-Miner)公式計(jì)算出等效溫差循環(huán)次數(shù)，小溫差的等效溫差循環(huán)次數(shù)疊加上計(jì)算年限內(nèi)啟停和事故大溫差次數(shù)可以得到輸送干線壽命期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)。這種方法用于各供熱城市的輸送干線、輸配干線、用戶支線等,就可得出不同城市、各種應(yīng)用級(jí)別管道的實(shí)際循環(huán)次數(shù),為每個(gè)城市的不同級(jí)別管道采用不同的疲勞極限值進(jìn)行疲勞分析奠定了基礎(chǔ),具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

城鎮(zhèn)供熱;一級(jí)管網(wǎng);峰值應(yīng)力;循環(huán)次數(shù);疲勞壽命

疲勞分析的首要問(wèn)題是確定構(gòu)件的疲勞循環(huán)次數(shù),疲勞極限的大小取決于疲勞次數(shù)。文獻(xiàn)[1]規(guī)定集中供熱直埋管道局部應(yīng)力集中部位,如三通、彎頭、小角度折角、變徑管,應(yīng)進(jìn)行疲勞分析,疲勞極限等于3倍的許用應(yīng)力。該規(guī)定沒(méi)有考慮不同熱源和不同使用性質(zhì)管道(如輸送干線、輸配干線、用戶支線和各種二級(jí)網(wǎng))的循環(huán)次數(shù)和疲勞極限是不同的[2]。因此,針對(duì)不同熱源和不同使用性質(zhì)的管道,采用不同的疲勞極限值進(jìn)行疲勞分析,對(duì)于集中供熱工程的初投資和運(yùn)行安全具有重要意義[3]。集中供熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)完整的溫差循環(huán)次數(shù)是由若干大小不等的小溫差循環(huán)次數(shù)和熱源啟?；蚬艿朗鹿实拇鬁夭钛h(huán)次數(shù)構(gòu)成的[4],筆者就輸送干線每天溫度變化所產(chǎn)生的小溫差循環(huán)為研究對(duì)象,對(duì)熱電廠和區(qū)域鍋爐房運(yùn)行調(diào)節(jié)引起的小溫差等效溫差循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究,為我國(guó)各大城市、各種熱源以及各種使用場(chǎng)合管件疲勞分析[5-6]采用不同的疲勞極限提供方法依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集

為了分析熱電廠和區(qū)域鍋爐房運(yùn)行期間供水溫度的變化,2009年在熱源出口供水管上安裝溫度傳感器和自動(dòng)記錄儀。供水溫度每隔一定時(shí)間自動(dòng)記

錄一次,歷時(shí)5個(gè)供暖季,即熱電廠和區(qū)域鍋爐房從2009-2010年度至2013-2014年度。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 每天、每周和每月的最大溫差

本文利用MICROSOFT EXCEL對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理,計(jì)算出熱電廠和區(qū)域鍋爐房連續(xù)5個(gè)采暖季每天、每周和每月的最大溫差Δti,以樣本方差

代替總體方差。由抽樣分布[7-8]可知,

式中：

每天、每周和每月的最大溫差的期望值、樣本方差、置信區(qū)間和區(qū)間半徑見(jiàn)表1、表2。

由表1表2可以看出,熱電廠、區(qū)域鍋爐房每天的最大溫差期望值依次為6.3 、7.1 ℃;每周的最大溫差期望值依次為18.7,20 ℃;每月的最大溫差期望值依次為31.1,32.5 ℃。兩種熱源每天、每周和每月的最大溫差期望值相近。

表1 熱電廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 區(qū)域鍋爐房數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 等效溫差循環(huán)次數(shù)的確定

在進(jìn)行管道局部構(gòu)件疲勞分析時(shí),根據(jù)溫度循環(huán)的變化過(guò)程,使用泊爾姆格林-米納(Palmgren-Miner)公式來(lái)計(jì)算等效溫差循環(huán)次數(shù)[3,4]Nj:

(1)

式中:Δti為溫度變化i=1,2，…;Δtref為管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的最高溫度與環(huán)境溫度(工程中取10 ℃)的差;m為常數(shù)(1/m是SN曲線[9]的斜率)。

1) 當(dāng)j=1時(shí),i取1到150(采暖季天數(shù))可計(jì)算出采暖季每天的等效溫差的循環(huán)次數(shù)N1,此時(shí)Δti是指每天的最高溫度與最低溫度之差。

2) 當(dāng)j=2時(shí),i取1到22(采暖季周數(shù))可計(jì)算出采暖季每周的等效溫差的循環(huán)次數(shù)N2,此時(shí)Δti是指每周的最高溫度與最低溫度之差。

3) 當(dāng)j=3時(shí),i取1到5(采暖季月數(shù))可計(jì)算出采暖季每月的等效溫差的循環(huán)次數(shù)N3,此時(shí)Δti是指每月的最高溫度與最低溫度之差。

4)m=1～10的等效溫差循環(huán)次數(shù)Nj計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖1,圖2。

圖1 熱電廠輸送干線m-N曲線Fig.1 m-N curve of thermal power plant

圖2 區(qū)域鍋爐房輸送干線m-N曲線Fig.2 m-N curve of regional heating plant

由圖1圖2可以看出隨著m值的增大,每天、每周和每月的等效溫差循環(huán)次數(shù)減小,說(shuō)明等效循環(huán)溫差對(duì)管道的作用減弱[10];當(dāng)m≥6時(shí),每天、每周和每月小溫差的等效溫差循環(huán)次數(shù)趨近于0。

每天、每周和每月小溫差的等效溫差循環(huán)次數(shù)疊加上每年1.2次大溫差(每年啟停一次的大溫差加上每5年輸送干線發(fā)生一次斷裂事故(假定)),來(lái)折算每年的等效溫差循環(huán)次數(shù)以及管網(wǎng)設(shè)計(jì)壽命30年內(nèi)的等效溫差循環(huán)次數(shù)。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖3圖4。

每天、每周和每月小溫差的等效溫差循環(huán)次數(shù)疊加上每年1.5次大溫差(每年啟停一次的大溫差加上每2年輸送干線發(fā)生一次斷裂事故(假定)),來(lái)折算每年的等效溫差循環(huán)次數(shù)以及管網(wǎng)設(shè)計(jì)壽命30年內(nèi)的等效溫差循環(huán)次數(shù)。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖5,圖6。

圖3 熱電廠30年輸送干線m-N曲線圖(每年1.2次大溫差)Fig.3 m-N curve of thermal power plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

圖4 區(qū)域鍋爐房30年輸送干線m-N曲線圖(每年1.2次大溫差)Fig.4 m-N curve of regional heating plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

圖5 熱電廠30年輸送干線m-N曲線圖(每年1.5次大溫差)Fig.5 m-N curve of thermal power plant (thirty years,1.5 times temperature difference per year)

圖6 區(qū)域鍋爐房30年輸送干線m-N曲線圖(每年1.5次大溫差)Fig.6 m-N curve of regional heating plant (thirty years,1.2 times temperature difference per year)

由圖3-圖6可以看出:

1) 無(wú)論是熱電廠還是區(qū)域鍋爐房,當(dāng)m≥5時(shí), 30年內(nèi)等效溫差循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

2) 由圖3，圖4可知,當(dāng)m≥5時(shí),等效溫差循環(huán)次數(shù)變化平緩,趨于36次,即30年大溫差的循環(huán)次數(shù)。說(shuō)明每天、每周和每月的小溫差在管件疲勞壽命里幾乎不起作用。同理,當(dāng)m≤3時(shí),等效溫差循環(huán)次數(shù)變化陡峭,其值遠(yuǎn)大于36次,表明小溫差起主要作用,而大溫差對(duì)等效溫差的影響極小。當(dāng)m=4時(shí),既考慮了小溫差的作用又考慮了大溫差的作用。

3) 由圖5，圖6可知,當(dāng)m≥5時(shí),等效溫差循環(huán)次數(shù)變化平緩,趨于45次,即30年大溫差的循環(huán)次數(shù)。說(shuō)明每天、每周和每月的小溫差在管件疲勞壽命里幾乎不起作用。同理,當(dāng)m≤3時(shí),等效溫差循環(huán)次數(shù)變化陡峭,其值遠(yuǎn)大于45次,表明小溫差起主要作用,而大溫差對(duì)等效溫差的影響極小。當(dāng)m=4時(shí),既考慮了小溫差的作用又考慮了大溫差的作用。

3 結(jié)論

1) 由圖3-圖6可得,當(dāng)m=4時(shí),輸送干線的等效溫差循環(huán)次數(shù)依次為44.83(熱電廠為熱源)、49.66(區(qū)域鍋爐房為熱源)、53.83(熱電廠為熱源)和58.66次(區(qū)域鍋爐房為熱源)。說(shuō)明區(qū)域鍋爐房30年內(nèi)等效溫差循環(huán)次數(shù)均大于熱電廠,即區(qū)域鍋爐房熱媒溫度波動(dòng)較大。

2) 與歐洲規(guī)范BS EN13941相比,本文輸送干線的等效溫差循環(huán)次數(shù)相差近2倍。這里既有輸送干線假定事故頻次的原因,又有運(yùn)行水溫變化的差異。為此,還需要著力研究管道事故

3) 五個(gè)供暖季管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式。從分析結(jié)果看,運(yùn)行調(diào)節(jié)方式不同,等效循環(huán)次數(shù)也不同。

4) 本文兩種熱源等效溫差循環(huán)次數(shù)比較接近,這是因?yàn)閰^(qū)域鍋爐房作為熱電廠的調(diào)峰熱源運(yùn)行,與熱電廠運(yùn)行具有一致性。如果是獨(dú)立運(yùn)行的鍋爐房,運(yùn)行調(diào)節(jié)更具有靈活性,比如夜間壓火運(yùn)行,其等效循環(huán)次數(shù)會(huì)更大。因此,管網(wǎng)的等效循環(huán)次數(shù)與熱源、一級(jí)網(wǎng)、二級(jí)網(wǎng)、輸送管線、輸配管線、用戶支線等不同形式有關(guān),應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

5) 本文兩種等效溫差循環(huán)次數(shù)的分析結(jié)果具有一定的典型性,本文的研究結(jié)果只針對(duì)所研究城市的輸送干線,以及輸送干線事故假定頻次,只是一種疲勞次數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的研究。應(yīng)用于規(guī)范,還需要得到各大城市,各種熱源,各級(jí)供熱管網(wǎng)的運(yùn)行水溫?cái)?shù)據(jù),以及事故頻次的統(tǒng)計(jì)和國(guó)家允許的事故頻次等,才能得出不同條件下管件的疲勞循環(huán)次數(shù),以及不同的疲勞極限,該項(xiàng)研究提高了集中供熱的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

[1] CJJ/T 81-2013.城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[2] 王 飛,張建偉,王國(guó)偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì):第二版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014.

[3] BS EN13941-2009.Design and Installation of Preinsulated Bonded Pipe System for District Heating[S].London:Standards Policy and Strategy Committee,2009.

[4] 蘭德勞皮夫.區(qū)域供熱手冊(cè)[M].賀 平,王 鋼,譯.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998.

[5] 伍義生,曾春華.局部應(yīng)變疲勞分析方法[J].力學(xué)進(jìn)展,1980,10(2-3):112-118.

[6] 張繼旺,魯連濤,張艷斌,等.疲勞極限小樣本評(píng)估方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(3):337-340.

[7] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[8] 劉漢生,張寶玉.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)[M].太原:山西科學(xué)教育出版社,1987.

[9] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析：第二版[M].北京：中國(guó)石化出版社,2009.

[10] 王 飛,杜保存,王國(guó)偉.橢圓度對(duì)直埋供熱彎頭應(yīng)力的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,43(1):83-85.

(編輯：賈麗紅)

Research on Statistical Methods of Cycle Index of Heating Directly-buried Transportation Trunk

DONG Yuanyuan,WANG Fei,WANG Guowei

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Currently there is a lack of theoretical and empirical research about transportation trunk’s equivalent temperature difference cycle index, specific to technical specification for directly buried hot-water heating pipeline in city. The thermal power plants and heat source factories’ operation temperature, of five heating cycles were collected,and the daily,monthly and yearly temperature difference,was calculated with t-distribution function.Furthermore,the equivalent temperature difference cycle index was calculated with Palmgren-Minerformula equation. The main transmission life cycles can be obtained by adding the index of equivalent temperature difference cycles with start-stop and accident temperature difference cycle index in calculation period.The real cycle index of different cities and all kinds of application level pipes can be acquired by means of our theory. Therefore, the research project has great theoretical significance and engineering application value and provides the basis for the directly buried heating pipe fittings fatigue analysis and member's local fatigue analysis in technical specification for directly buried hot-water heating pipeline in city.

heating pipeline in city;primary circuit;peak stress;cycle index;fatigue life

1007-9432(2015)04-0461-04

2015-03-02

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目資助:城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)能效提升關(guān)鍵技術(shù)與示范(2012BAJ04B00)

董媛媛(1989-),女,山西忻州人,碩士生,主要從事供熱節(jié)能研究,(E-mail)519076419@qq.com,(Tel)15935611452

王飛,男,教授,中國(guó)城鎮(zhèn)供熱標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員,主要從事供熱技術(shù)與節(jié)能研究,(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.020