热力管网在线模拟仿真系统
——降低运行成本提高供暖质量的分析软件系统
北京博达新创科技发展有限责任公司 张辉 孙建新 顾孔满
WM-DATA (Sweden) Komi Jari
摘要：本文主要介绍符合我国热网运行特点的基于水力平衡计算分析的热网模拟仿真系统。主要内容有管网静态模拟分析计算、系统优化运行方案、在线仿真和长期运行优化方案、运行诊断及应急预案、SCADA数据气象数据及经营数据的管理、通讯设置等。
关键词：热网 水力计算 模拟仿真
前言
改革开放以来，我国的供热事业有了突飞猛进的发展。在供热规模和引进国外先进技术方面都有了长足进步。但在科学管理方面与国外比依然有较大差距。如锅炉运行效率总体上比国外低，热网水力失调普遍比较严重，多热源联网缺少基本的水力计算，多热源的大型热网的生产运行调度尚未科学化等。针对上述情况，北京博达新创科技发展有限责任公司和瑞典WM-DATA公司本着合作创新的精神，联合研制开发了适合中国热网运行特点的热网在线模拟仿真系统。在实际应用中取得了良好的应用效果。
热网模拟分析在线仿真分析系统是一套基于Windows环境运行的多用户网络版软件系统，所有运行数据存储在网络服务器中，服务器数据库采用Oracle数据库，服务器操作系统为Windows2000 Server，可以有多个客户端同时访问服务器作数据运算，系统运算结果可以通过网络发布，网络上所有用户可以查询各种运算方案和数据。
系统结构如下：管网静态计算系统、系统模拟和优化运行方案、在线仿真和长期优化运行方案、运行诊断及应急预案、SCADA数据、气象数据及经营数据管理、数据输出及报告、通讯设置。
现将热网在线模拟仿真系统的功能介绍如下，和同行们共同研讨。
1.管网静态分析和计算
1．1热网模型建设及管理
可以在软件系统平台上建立热力公司所有的各种管网模型（包括一级管网、二级管网），在后续管网计算过程中直接调用在图形基础上建立的模型数据即可对管网分析计算。系统由多个基础资料库组成如水泵、阀门、管道、换热器等，将中国热力行业常用的基础数据直接录入到基础数据库中，在后续的建模过程中直接调用基础资料库即可自动生成管网模型。
1．2功能设定
1．2．1管网计算类别：枝状管网、环状管网；一级热网、二级热网；单热源、多热源。
1．2．2管网分析计算原则：依据热源参数计算热网、依据热网参数计算热源、变频水泵运行调节计算、调节阀门的分析计算。
1．3计算功能和使用效果
1．3．1新建热网的规划设计：热力公司可以利用软件进行新的管网规划及设计工作。系统可以进行区域独立热网参数设计及管道计算，同时也可以选择新系统与老管网系统接口计算，分析新增管网对整个热网运行影响。软件系统在管网设计计算过程中可以计算新增管网对旧有管网的影响，可以通过优化计算，在满足管网运行的前提下，减小管径，节约管网建设费用，降低建设成本，提供资金利用率。
1．3．2热网运行方案制定与分析：热力公司可以利用软件进行热网运行方案制定与分析工作。系统可以进行多热源联网运行方案的制定，可以在不同的环境温度条件下进行热源投运安排（寒冷季、非寒冷季等）。系统可以根据不同热源的运行成本，计算不同环境温度条件下热源输出流量、热量、压力要求，为热力公司制定运行调节方案提供基础数据，同时可以分析在不同工况下管网运行的成本数据，以成本最低的热源满负荷运行，减少高成本热源的输出，使得热网运行的成本最低，为热力公司优化运行方案、降低运行成本。
1．3．3热网运行工况的诊断与分析：针对实际运行的热网，系统可以分析在实际运行工况条件下热网的全部运行参数。系统能够分析出管网运行的不热用户及问题管段。通过改变运行参数，可以改善运行工况，消除过热用户，解决不热用户的问题。运行调度可以利用软件模拟各种条件下的运行参数，通过分析可以诊断运行问题，提出解决方案，改善用户供暖状态，提高服务质量，消除过热，节约能源。
1．3．4管网改造分析计算：热力管网技术改造时可以利用软件对热网进行分析计算，系统能够确定管网最不利用户、最不利管段（最大压降及最小流量等）、最不利节点等。系统同时能够对热网改造进行管径计算，热力公司可以依据管径计算结果进行热网改造与更新。系统可以对管网改造方案进行模拟运行与分析，确定管网改造方案是否合理，能否真解决存在问题。通过分析计算，可以使热力公司以最小的投资，解决管网问题，降低技改成本。
1．4分析报告
1．4．1热网系统基础数据查询与显示：可以查看热网上任何一个节点（包括热源点、用户、中间节点等）的详细基础数据，也可以查看热网上管道的详细数据（包括管径、长度、管道材质等基础信息）。
1．4．2热网平面图形查询与打印：可以查询、打印热网压差平面图、流量、流速、压力损失、热量损失平面图等。
1．4．3热网水压图查询与打印：可以查询打印热网上任何两点之间的水压图。
1．4．4全部计算数据查询与打印：可以查询打印热网分析计算的全部计算数据，包括管段、节点基础数据，计算结果数据等。
2．系统优化运行方案
2．1系统分析原则：系统可以满足国内外各种类型管网的动态分析要求，分析管网种类包括量调节管网、质调节管网、分阶段质调（量调）节管网等，可以按照热源输出来分析管网参数，也可以按管网运行要求（制定最不利点参数）来计算热源输出等。
2．2优化运行方案：系统能够设定热源(单热源、多热源)输出参数及启动顺序（多热源）、启动组合（多热源）等，同时可以设定室外温度曲线（可以根据历史温度曲线或设定温度曲线模拟）。热力公司可以依据设定曲线模拟分析计算管网运行方案。计算内容包括在各种室外温度条件下热源的启动顺序、运行参数、能源消耗（煤、天然气、水、电等）。系统同时能够模拟分析在各种室外温度条件下各个换热站、用户的运行状态及参数,包括系统最不利点位置和参数等。系统可以生成短期（24小时）、中期（一周七天）、长期（一个月）等不同的优化运行方案，系统可以自动、手动生成各种运行方案。
2．3降低能源消耗，节约运行费用：系统可以根据不同的运行条件制定多种运行方案，热力公司可以依据现时状况选择最佳的运行组合和运行方案，通过科学合理的计算，制定最优的运行方案。降低热源的能源消耗，节约热源及管网的运行费用。
2．4不同类型系统的优化运行：系统能够根据热源性质（电厂、自有锅炉房）及成本的不同（燃煤、燃气等），进行热源运行最优化模拟分析。通过多方案模拟分析计算，找出最优运行方案（可以有成本最优或者是运行参数最优）。
2．5灵活的功能设定：系统可以灵活的设定各种运行参数，包括热源的种类、成本、优先启动顺序、热源运行曲线等各种运行参数。也可以灵活设定各种环境参数，包括各种室外温度设定曲线（小时、天、周、月等）；同时可以针对不同类型用户（面积采暖、计量、热水、空调等）制定用户用热曲线，对特殊用户制定专门的曲线和修正系数。系统能够针对各种复杂的设定进行各种分析计算。
2．6经济运行指标考核：系统能够根据各种运行方案来进行运行经济指标的考核，包括运行成本（煤、水、电、天然气）等，能源需求计划（小时、天、周、月等），费用分析等，热力公司可以根据经济指标考核来确定能源的需求及采购计划。
3．在线仿真和长期运行优化方案
3．1在线实时仿真
系统可以与各种SCADA系统实时连接。在整个采暖期与SCADA系统同步实时运行。系统能够自动连续的对SCADA系统采集的数据进行仿真分析运算。通过分析运算，可以对管网运行存在问题进行连续动态分析，在系统发生故障或运行参数低于标准工况时，系统能够自动报警，根据运行状态提出管网参数调整方案。
3．2长期运行优化方案
系统能够根据在线连续计算参数，模拟分析管网运行长期运行参数，包括热源参数、换热站参数、用户参数。系统能够根据在线分析结果，对未来长期（一个采暖期）的运行参数进行模拟分析，包括各个时期的累积参数和各个关键工况条件下的瞬时参数，热力公司可以根据长期运行分析方案，确定采暖期运行方案。
3．3负荷预测和优化
热力公司可以将用户历史运行数据（室外温度曲线、热源运行参数、用户用热参数等）输入到数据库中，系统能够根据用户历年室外温度数据及热源输出数据对采暖期用户用热参数进行连续的模拟分析。根据历史数据预测未来一段时间内用热参数变化，热力公司可以根据负荷预测结果进行热源的准备和调整，优化供热方案。
3．4燃料规划和购热优化
系统可以根据负荷预测的结果，计算采暖期各个阶段热源输出参数的变化。热力公司可以根据分析结果来取定不同时期购热计划、燃料采购计划；分析周期可以为周、月、季度等。
4．运行诊断及应急预案
4．1在线连续运行诊断分析：系统能够根据热力公司设定的基础条件对热网SCADA参数进行长期连续的分析计算。当热网运行参数低于设定运行工况或热网运行发生故障时，系统能够自动报警，将参数过低点或故障点在地图中显示出来；同时提供运行故障的详细参数，系统能够根据各类故障或参数过低的类别进行诊断分析，分析出故障的原因及解决方案。热力公司可以参考解决方案对热源和热网进行调整，及时解决管网问题，保证热网稳定运行。
4．2应急预案编制及处理：应急预案已经成为热力公司供暖准备的必要条件。采用本系统可以灵活快捷的编制各种应急预案。热力公司在供暖准备前可以根据热网的历史运行情况设定各种事故或故障状态，系统能够分析在各种预案条件下热源和管网的运行参数，提供在事故或故障条件下热源和管网的调整方案，包括热源的启动时间、数量、功率，管网中各个关断阀门的打开或关闭顺序。在管网运行发生事故或故障时，系统能够即刻根据预案提出全网调整方案，保证热力公司能够迅速解决事故及故障。
4．3停热分析及用户服务：本系统可以与热力公司经营管理系统实时连接，在管网发生故障安排停热处理时，软件系统能够根据故障位置或停热区域自动对管网进行分析，在地图上显示出处理故障或安排停热需要关断的阀门，同时系统能够自动分析出关断阀门后有哪些用户需要停热，将停热用户清单列出来，系统能够通过客户服务系统给停热用户下达停热通知单。
5．地理信息系统
本系统包含了热网地理信息系统的各种基础管理模块，可以进行热网基础设施管理的各项工作，地理信息系统的管理模块有以下几类：
5．1热力管网规划系统：在地理信息平台上，利用地理信息系统的数据完成供热设施的规划和设计管理工作。系统提供国家建设部规定的设计图形符号。规划设计完成后，保存在地理信息系统中，用于指导供热设施的施工管理。
5．2设施数据管理系统：将热源、热网、换热站、井室、设备等的设计图纸录入到地理信息中，并矢量化。应用地理信息系统软件管理和维护设施的基础数据。企业的领导和员工都可以在网上查询和统计有关资料，也可将有关资料打印出来。
5．3设施检修管理系统：该系统能根据设施的检修年限和以往的检修纪录，来编制年度、月度检修计划。可以下达检修计划，检查检修计划进行情况，同时可以储存检修纪录。可以查询设施的检修纪录，并进行统计，打印出各种报表。
5．4生产运行调度系统：将供热设施的计算机监测或监控系统的数据传输到地理信息系统中，可以在地理信息系统中查询到监测点的运行数据。调度室的工作人员，可根据这些数据和用户负荷的变化，来制定各热源点、换热站的运行方案。
5．5运行事故分析系统建立供热事故分析处理数据库。在发生事故时，系统可以提供事故的位置和信息；能自动分析事故影响的范围、用户数量及负荷；能自动生成事故处理方案；包括提供现场图纸、影响区域、阀门关闭的位置等详细资料。
5．6固定资产管理系统：建立固定资产数据库，完成固定资产的登记、管理、调拨、闲置、报废等处理工作。有关人员可以查询固定资产的使用情况，可以对固定资产进行必要的统计、汇总工作。对使用中的设备，可以在地图上显示分布情况，并可以查询到自身的财务情况和技术档案、按照规定的折旧率自动进行折旧。
6．SCADA数据、气象数据及经营数据管理
6．1数据来源
6.1.1.1SCADA数据：本系统可以与各种SCADA数据实时连接。可以将SCADA历史数据、实时数据连续转入到本系统中，为仿真模拟计算提供基础数据。
6.1.2气象数据：系统可以将各种气象数据自动传输到本系统中，作为分析计算的基本参数，气象数据种类如下：
6.1.2.1历史数据：将热力公司历史气象数据全部转入到本系统中，作为负荷预测分析的基础数据。
6.1.2.2实时数据：系统可以与气象实时采集系统连接，将当前气象数据实时传输到本系统中，作为在线仿真分析的技术数据。
6.1.2.3气象预报数据：作为运行方案模拟的基础数据。
6.1.3经营收费数据：本系统可以与经营收费系统、生产开关拴管理系统实时连接，根据经营收费系统的用户信息（面积、用户类别、用热负荷等），根据用户开关拴状态，来动态、准确的分析管网运行状态。
6．2功能设定:热力公司可以自己方便的添加各种数据输入点（SCADA、气象、经营等），数据点添加完成后，系统能够自动将相关点的参数连续输入到本系统中。
6．3限制条件:为了确保数据采集的可靠性和准确性，避免数据的干扰和错误，系统可以对各个数据采样点进行测量范围设定，如最小值、最大值、表倍率等；当采集数据超出设定范围时，系统能够自动报警，方便管理人员及时检查数据采集系统。
6．4虚拟仪表:热力管网监控系统的数据采集点是有限的，只能在热源、换热站和热网关键点有数据采集点。虚拟仪表可以根据已知点的参数，准确模拟分析计算出全网任何一个点的运行参数，系统可以在全网任何一个点添加虚拟仪表，虚拟仪表可以显示出任何一个点当前运行的参数，便于调度人员掌握管网任何一个点的运行状态。
7.数据输出及报告
系统的分析计算结果可以以各种数据形式输出，用户可以根据自己的习惯进行各种数据查询和显示，数据查询输出形式如下：
7．1曲线输出:系统可以进行各种形式的曲线输出，包括时间周期曲线（小时、天、周、月、季、采暖期等），也可以进行负荷曲线设置，可以多曲线、多轴、多参数同时显示，方便用户对各种参数进行分析比较。
7．2数据查询:系统可以依据各种查询条件查询本系统中的各种数据，包括基础参数、SCADA数据、气象数据、计算结果等。
7．3分析报告:系统可以将各种分析计算的结果以分析报告的形式提供给用户，分析报告包括静态分析计算报告、模拟分析计算报告、仿真计算报告等。
7．4运行方案:根据运行方案计算结果，按照用户要求的格式，将运行方案显示、打印，包括热源参数、热源费用、热源启动顺序，热网参数等。
7．5诊断预案:根据诊断预案计算结果，按照用户要求的格式，将诊断预案内容全部显示、打印。
7．6EXCEL
本系统可以与EXCEL灵活连接，可以将EXCEL的数据灵活导入到本系统数据库中，也可以将本系统各种分析计算结果导出到EXCEL，方便管理人员对数据进行再处理及加工。
8.通讯设置
系统有灵活的通讯接口设置，可以与现有的各种通讯系统实时连接，进行数据的通讯和文件的交换。
小结:热网在线模拟仿真系统的开发是理论和实践结合的结果。它的核心是基于水力平衡计算，在实践上是根据我国热网运行的实际需求开发的，符合我国热网运行的特点。它的应用能促进我国热网运行调度的科学化。
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