给水管网系统可靠性分析

发表时间:2015/9/11   来源:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿   作者:张可萌
[导读] 天津市华淼给排水研究设计院有限公司 所谓给水工程系统的可靠性,是指规定的使用状态下,在规定时间内完成预定功能的性能。
张可萌(天津市华淼给排水研究设计院有限公司,天津,300190)
  【摘 要】给水管网是给水系统的重要组成部分。对管网的可靠性确定,已经开发出解析法和模拟法进行分析。给水管网的可靠性功能在于能指导技术改进、指导操作方式更换从而对整个给水服务水平予以保证和根据。从而保障给水系统的可靠运行。
  【关键词】给水管网;可靠性;模拟法;解析法
  给水管网作为给水系统的重要组成部分在系统运行中起到了决定性作用。给水管网的投资一般要占给水工程全部投资的70%以上,所以给水管网的可靠性是日常运行需要注重的关键问题,以下就这方面的内容,进行论述。
  所谓给水工程系统的可靠性,是指规定的使用状态下,在规定时间内完成预定功能的性能。对管网来说,预定功能是指在正常工作条件下,保证用户平时所需的水量和水压。在事故情况下,水量和水压不低于规定的限度,而且在时间上不超过允许减少水量和水压的时间。给水管网作为可修复系统,在管网设计和运行中,首先要考虑的就是设备和附件的可靠性,以减少故障的出现。管材、管径、连接管的数量、水源的个数和水泵扬程的变化幅度是影响城市给水管网供水可靠性的主要因素[1]。
  给水管网是给水系统的重要组成部分,作为一个复杂系统, 机械故障和水力故障是会经常出现两类故障。机械故障指系统本身如泵、管段等损坏部件故障;水力故障指实际需求量超过设计值而引起的功能下降。由于给水管网远较给水系统中其他部分复杂,并且受多方面因素影响:①部件的相互影响,如蓄水池、泵等;②单个部件可靠性;③需求空间,时间差异等。
  已有的给水管网可靠性研究多建立在部件机械故障基础之上,即认为:机械可靠度指部件在规定时间内不发生故障的概率, 但是结合给水管网水力功能的考虑却较少,为此,应结合其功能,定义其水力可靠性即功能可靠性为:系统在一定的条件下能以可接受的水平提供服务的能力。
  对于管网的可靠性确定,由于管网系统的复杂性和组成元件的数量巨大,进行精确分析评估的工作量几乎达到难于完成的地步,因此已经开发出一些近似方法[2]。
  解析法根据整个给水系统的组成部分的划分的详细程度将其可靠性分析方法分为3类:①供应、需求都归并到一起;②需求归并在一起,分析供应和传输过程;③供应、需求都详细考虑,即网络的形式表示给水管网系统。第1类把系统视为相连的单一供水与单一需求区,计算需求超过供水能力的时间比或单位时间内供水不足期望次数。第2类,系统中可以包含更多的部件,利用故障树等分析方法,确定系统中各部件故障对系统可靠性的影响,这两类比较简单,若进行更为详细的研究,需要建立网络模型。在通讯、控制等领域中,网络可靠性研究发展较快,但是这些网络大部分都只涉及到两特定节点间连续路径存在的问题,计算网络所有节点连接的概率,或节点群连接的概率。

对给水管网来说,与水源的连接是保证节点正常作用的必要非充分条件,例如,尽管在水源与节点之间存在一条完全可作用的路径,若系统压力不足,则需求节点也可能得不到所需的流量。
  为此,采用3种指标表示给水管网可靠性:①连通度:特定节点的连通度指该节点与至少一个水源相连接;②连接度给水管网中每一节点与至少一个水源连接。③需求节点处满足正常供应的概率。连接性和连通性可以作为最初的系统审查,以确定是否存在由于冗余不足引起的系统可靠性方面的严重问题,之后再分析连接节点是否满足需求。对较简单的系统,前两种指标可通过简单的串并联运算规律将系统简化为单连接段的系统进行计算; 对较复杂的系统,可参照可靠性工程中的计算方法计算。
  但是这种方法主要考虑系统本身的结构可靠性,而没有考虑系统具体的运行状态,对管段的运输能力的定义也不明确,所以在实际使用中需要与模拟法联合使用。
  模拟法是指系统中管线和设备(如水源、泵站、蓄水池、阀门及其他控制设备)以网络模型代表,模型的准确、详细水平应与分析的问题相一致。用此方法求解水力网络,所需要的数据包括: ①网络信息,包括网络形状,管段长度、直径和粗糙系数等,泵曲线,蓄水池尺寸及蓄水情况,阀门分布及工作情况;②需求与边界条件;③故障及修复概率,每一部件的故障、修理时间的概率分布函数及相应参数;④总模拟分析时间等。
  同解析法相比,模拟法可以计算大量的可靠度指标,只要对程序稍加修改,就可计算如:任意节点处最长故障时间,导致最大缺水量的时间段及故障原因等,所以比较灵活;可以对复杂系统进行复杂的相互作用模拟、分析, 该方法可以包括对系统供水功能下降的反映,蓄水池的影响,单个管段的可靠性分析等,可以对系统的水力行为状况进行详细的模拟分析,而大部分解析法要求简化网络形式,因此模拟法可以采用一种可接受的网络简化水平,而不致导致对系统简化的严重偏离。然而,模拟法的困难在于建立模型和每一次分析计算都比较费力,模拟运行也难以优化,而且通用性不好,所以一般应采用解析法和模拟法联合使用,首先用解析法粗略检查网络的可靠性,并找到系统最薄弱的部位或容易出现故障的地方,提出增加部件或者其他补救措施时,用模拟法去详细计算网络运行情况,并指出最佳选择,再用解析法检查。
  对于简单小型管网,可以采用邻接矩阵法求出所有最小路。对于大型复杂管网,节点数很大,邻接矩阵往往是稀疏矩阵,因此用邻接矩阵法求最小路要大容量去存贮,可以采用计算机算法求最小路。当最小路数目不多时,用直观方法可以得到全部最小路;若系统结构复杂,产生最小路数目较多时,应采用图论中的邻接矩阵法求全部最小路。
  用最小路不交化方法将相依事件转化为相斥事件,然后利用相斥求和公式求解系统的可靠度,从而简化了计算过程。
  可以用以下几种指标评价系统的可靠性:①流通性;②连接性;③节点满足特定需求的概率。可靠性的评价是为了应用于实际工程中,指导供水公司的维护、运营。根据“节点对”可靠度指标,并定义其为:特定节点(水源点)与另外一特定节点(需求点)相连的概率,这同等对连接性的定义类似,用状态列举法,或网络简化法,路集法,割集法,故障树等方法计算每一节点的节点对可靠度,以形成“可靠度指标面”,由该面上较低的点可确定可靠性较差的区域,该区域内的系统部件确定为防护和维修等时优先考虑的部分。
  可靠性本身是一个有着多种涵义的复杂概念。给水管网的可靠性功能在于能指导技术改进、指导操作方式更换从而对整个给水服务水平予以保证和根据。从而保障给水系统的可靠运行。
  随着生产的发展和人民生活水平的提高,给水系统在城市及乡镇社会活动和经济活动中所起的作用越来越重要。城镇给水系统的规模越来越大,其构造与设施也越来越复杂。工程投资的费用也逐渐增加,所以管网系统的可靠性显得日益重要。在日常运行时要注重管网的维护,建立运行模型,保证运行的安全、可靠。在可靠的基础上运行才会节省运行成本,从而产生更大的经济效益。
  参考文献:[1]王圃,龙腾锐,王力,李江涛.城市给水管网可靠性分析与应用[J].给水排水,2005,31(6):107-110.[2]吴小刚,张士乔.关于给水管网可靠性分析方法的综述[J].节水灌溉,2006,4:37-40.
投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: