傅強(qiáng)，周添，柳耀文，劉海波，趙加寧，周志剛

(1.黑龍江龍電電氣有限公司，哈爾濱 150000； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150090)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增多，我國供熱系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于管網(wǎng)老化、水質(zhì)不合格、管理粗放等原因?qū)е碌墓嵯到y(tǒng)事故不斷增多，這與人們對更好生活質(zhì)量的要求不符。

我國GB/T 50627—2010《城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》，評價的是系統(tǒng)的能效比、設(shè)備的效率與系統(tǒng)的匹配性等項目，忽略了對系統(tǒng)發(fā)生故障可能性這一指標(biāo)的評價。論文的研究重點(diǎn)在于對故障的誘因進(jìn)行分析，找出主要矛盾以解決問題。

本文應(yīng)用層次分析法(AHP)，結(jié)合調(diào)研結(jié)果分析選擇了與供熱系統(tǒng)故障相關(guān)的定性或定量指標(biāo)，對供熱系統(tǒng)故障的可能性進(jìn)行評價，得出評價結(jié)果并給出了相應(yīng)建議。

1 供熱系統(tǒng)故障的影響因素

影響供熱系統(tǒng)故障概率的因素可分為地理、運(yùn)行及管理、施工、突發(fā)事件等4種。

1.1 地理因素

地理因素包括土壤腐蝕性、地下水位情況。埋地管道外腐蝕是造成管網(wǎng)失效的一個重要原因，而土壤的腐蝕性是影響管道腐蝕速率的直接因素；地下水位對于管網(wǎng)的影響一是在水位高時存在浸沒管道的情況，造成管道及附件腐蝕，二是地下水水毀造成的結(jié)構(gòu)塌陷等破壞。

1.2 運(yùn)行及管理

運(yùn)行及管理因素包括管網(wǎng)使用年限、供熱管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)管理、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)情況等。對供熱系統(tǒng)良好的維護(hù)、管理等可以有效預(yù)防故障、事故的發(fā)生。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，隨著管網(wǎng)運(yùn)行年限的增加，管網(wǎng)故障的頻率也隨之增加，供熱系統(tǒng)的可靠性不斷下降，因此，要關(guān)注各處管網(wǎng)的使用狀況，做好管道的更新?lián)Q代。另一方面，造成管道內(nèi)腐蝕的原因主要為管網(wǎng)水質(zhì)。根據(jù)工程人員經(jīng)驗，如果能保證水的除氧和軟化就可以減小90%內(nèi)腐蝕的可能性，這樣系統(tǒng)就能基本杜絕內(nèi)腐蝕。由此可見，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)控制水質(zhì)，加強(qiáng)水質(zhì)的監(jiān)測。同時，在日常維護(hù)過程中，做好巡檢等工作可以及時發(fā)現(xiàn)故障隱患或避免故障擴(kuò)大，能保證防患于未然。

1.3 施工影響

施工影響包括供熱管道施工質(zhì)量和非供熱管道施工的影響。在保證供熱管道施工質(zhì)量合格，尤其是各接口處施工質(zhì)量的情況下，自然狀況不會發(fā)生外腐蝕，供熱管道基本可以保證設(shè)計壽命，因此合格的施工是抑制管網(wǎng)失效的一個保障?，F(xiàn)今的城市復(fù)雜程度高，各類管網(wǎng)的維修改造會對臨近的供熱管網(wǎng)造成影響，在無法明確管道位置的情況下，輕則可能破壞管網(wǎng)保溫，重則可能挖斷管道，造成事故。因此，必須做好不同類型管道施工時相關(guān)部門、單位的交接，必要時可以采用旁站式的方法，在非供熱管道施工時，供熱公司安排專門的工作人員跟隨施工、負(fù)責(zé)監(jiān)察。

1.4 突發(fā)事件影響

突發(fā)事件影響包括突發(fā)自然災(zāi)害、交通事故等對供熱管網(wǎng)造成破壞，這類事件雖然造成的影響大，但具有不可預(yù)見性。

2 應(yīng)用AHP的供熱系統(tǒng)故障可能性分析

對于一個完整的評價體系，最基本的部分為指標(biāo)以及指標(biāo)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在完成這一基本內(nèi)容后，完成指標(biāo)權(quán)重的確定、各項指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)的建立、評價等級的劃分這3項內(nèi)容即可建立一個完整的評分體系。

2.1 用于可能性分析的評價指標(biāo)

地下水位的影響，除浸沒管道造成腐蝕外，還可能產(chǎn)生水毀。管道地下水毀主要表現(xiàn)為管溝塌陷、沉降，管道懸空，地面沉降等，這些都可能引起管網(wǎng)事故[1]。但對地下水對管網(wǎng)的影響程度、持續(xù)時間等缺少研究資料，且由地下水引起的故障較少，因此忽略這一指標(biāo)。

對于管網(wǎng)施工質(zhì)量，做好施工過程中每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量把關(guān)是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵[2-3]，由于部分舊建管網(wǎng)施工數(shù)據(jù)缺失，且對于一個管網(wǎng)實際的施工質(zhì)量，通常難以做出正確的評價分級，因此，在這里默認(rèn)評價體系中管網(wǎng)的施工質(zhì)量都是合格的。

同時忽略突發(fā)事件這類難以預(yù)見的影響，將供熱系統(tǒng)故障可能性影響因素分級，建立了供熱系統(tǒng)故障可能性評價模型，具體見表1。

表1 供熱系統(tǒng)故障可能性評價模型

2.2 評價指標(biāo)的權(quán)重分析

評價體系基于層次分析法，層次分析法計算權(quán)重分以下幾步。

(1)構(gòu)建判斷矩陣。經(jīng)實地調(diào)研、專家打分確定各層次的判斷矩陣，判斷矩陣中的元素aij是要素i與要素j的重要性比較結(jié)果，且aij=1/aji有9種取值，分別為1/9，1/7，1/5，1/3，1，3，5，7，9，分別表示要素對于要素的重要程度由輕到重。

(2)層次單排序。計算判斷矩陣的最大特征值λmax，及其對應(yīng)的歸一化后的特征向量，該向量即為判斷矩陣內(nèi)各指標(biāo)的權(quán)重。

(3)一致性檢驗。矩陣階數(shù)n大于2時需計算一致性指標(biāo)CI，其數(shù)值越小表明判斷矩陣的一致性越好，CI=(λmax-n)/(n-1)，同時有隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，當(dāng)CI/RI<0.1即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整使之滿足。

RI的數(shù)值見表2，判斷矩陣及相關(guān)計算結(jié)果見表3。

表3中特征向量即為各判斷矩陣中對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，表4為評價體系的權(quán)重計算結(jié)果。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

表3 各層次判斷矩陣及相關(guān)計算結(jié)果

注：特征向量歸一化并四舍五入。

表4 供熱系統(tǒng)故障可能性評價體系權(quán)重

2.3 評分標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 定量評價指標(biāo)

土壤腐蝕性以及管網(wǎng)使用年限，可獲得具體的數(shù)值，采用定量評價分級的方法。

影響土壤腐蝕性的因素很多，各種因素之間的關(guān)系尚未完全明確，因此選擇土壤電阻率這一有明確量化指標(biāo)的參數(shù)來代表。表5為土壤電阻率與鋼鐵腐蝕程度的關(guān)系[4]。

表5 土壤電阻率評價標(biāo)準(zhǔn)

對于管網(wǎng)使用年限的影響，有學(xué)者統(tǒng)計了北京和沈陽兩地的管網(wǎng)故障數(shù)據(jù)。研究表明，供熱管的累計故障率與年限正相關(guān)，且接近直線型增長[5]。圖1統(tǒng)計了牡丹江近年來管網(wǎng)故障信息，圖1表明：

(1)管網(wǎng)的故障幾率與時間在0～15年年限內(nèi)近似直線型正相關(guān)；

(2)15年年限之后，故障概率呈下降趨勢，且隨時間推移呈無規(guī)律的波動。

圖1 牡丹江地區(qū)近年管網(wǎng)故障統(tǒng)計結(jié)果

前15年的故障統(tǒng)計結(jié)果與上述北京和沈陽的故障統(tǒng)計結(jié)果一致，15年年限處發(fā)生規(guī)律突變的主要原因是牡丹江對于故障率高的既有舊管網(wǎng)進(jìn)行了更新，使得故障率變化不規(guī)律。

綜上分析建立了管網(wǎng)年限指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)，具體見表6。

表6 管網(wǎng)使用年限評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 定性評價指標(biāo)

對于其他無法定量化評價的指標(biāo)，提出了推薦的分值，某系統(tǒng)的評價分值可根據(jù)供熱系統(tǒng)實際的運(yùn)行狀況、管理情況等，參考推薦評分進(jìn)行調(diào)整。表7給出了供熱系統(tǒng)水質(zhì)推薦的評價標(biāo)準(zhǔn)。

表7 供熱系統(tǒng)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)

日常的運(yùn)行維護(hù)重點(diǎn)在于及時發(fā)現(xiàn)并處理事故隱患，做好供熱管網(wǎng)的定期檢查等。良好的運(yùn)行維護(hù)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：(1)能夠保證日常的巡檢檢修并做問題記錄；(2)故障維修或緊急搶修后能夠做到故障位置的質(zhì)量恢復(fù)；(3)在故障恢復(fù)后在一定觀察周期內(nèi)做好故障位置及相似工況位置的狀態(tài)監(jiān)察；(4)停運(yùn)期能保證定期的管網(wǎng)水壓試驗，檢修漏點(diǎn)。對于運(yùn)行維護(hù)狀況的評價見表8。

表8 運(yùn)行維護(hù)評價標(biāo)準(zhǔn)

為避免非供熱管道施工時對供熱管道造成破壞，應(yīng)做到兩點(diǎn)：(1)施工前能夠完成各相關(guān)專業(yè)的交底及存檔；(2)供熱企業(yè)能夠在施工過程派專人進(jìn)行監(jiān)察，避免供熱管網(wǎng)被破壞。表9提出了非供熱管網(wǎng)施工影響的推薦評分。

表9 非供熱管網(wǎng)施工評價影響

2.3.3 評價等級及建議

每級指標(biāo)的評分加權(quán)求和即可得到上一級指標(biāo)的評分，逐級計算得到供熱系統(tǒng)故障可能性的評分。評分滿分為100分，采用百分制的計算規(guī)則，故障可能性評分評價標(biāo)準(zhǔn)見表10。

表10 故障可能性評級

供熱系統(tǒng)的評級應(yīng)保證在Ⅰ，Ⅱ兩個等級；評級在Ⅲ，Ⅳ兩個等級說明供熱系統(tǒng)在除卻地理因素指標(biāo)之外有比較明顯的故障隱患，供熱企業(yè)應(yīng)根據(jù)評價結(jié)果了解存在的問題，采取有針對性的措施進(jìn)行改進(jìn)；評級為Ⅴ級表明供熱系統(tǒng)在管理、運(yùn)行等諸多方面都存在問題，供熱企業(yè)應(yīng)投入大精力對之進(jìn)行整改。

對于影響供熱系統(tǒng)故障可能性的因素，最重要的管網(wǎng)使用年限以及管網(wǎng)水質(zhì)兩項，兩者總權(quán)重占比超過70%，因此這也是供熱企業(yè)應(yīng)予以關(guān)注的要點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

采用層次分析法建立的評價模型可以對供熱系統(tǒng)的故障可能性進(jìn)行初步預(yù)測，增強(qiáng)預(yù)警能力，促進(jìn)供熱企業(yè)提高管理水平，對維護(hù)供熱系統(tǒng)健康安全運(yùn)行有積極的意義。

權(quán)重的計算以及評分標(biāo)準(zhǔn)摻雜著過多的人為因素，采用大數(shù)據(jù)理論對故障頻率以及影響管網(wǎng)故障的因素進(jìn)行分析，建立更準(zhǔn)確的故障-影響因素模型是該問題的一個研究方向。