地理信息及热力管网水力平衡分析系统在供热企业中的应用

北京博达新创科技发展有限责任公司 顾孔满 孙建新

       摘要：本文系统介绍了热力企业地理信息系统及热力管网水力平衡分析系统的功能、配置、效用分析等内容。
       关键词：地理信息 设施管理 热网水力计算

       1、引言      

随着我国经济的迅速发展,城市建筑、道路等基础设施成倍增长，城市的开发和规划都在不断变化，这就使得城市地形图不断更新。城市集中供热得到了迅速发展，热力企业的管网不断地进行扩容和改造，这就对热力管网的规划、建设和管理提出了更高的要求。同时，热力企业的市场化，也使得供热企业不断地加强企业管理，提高企业竞争力。而企业的生产运行管理、设施管理是企业管理的重要内容。

     热力设施一般都具有时间跨度长、数量大、变化多、覆盖面广、与地理位置密切关联等特性，所以热力设施的管理非常复杂。传统的管理模式下，信息数据要么作为纸张或光盘存放在档案柜里、要么在极少数人的脑子里，而且很多数据不完整、不准确。这就使得图档的查询、管理相对困难。再加上企业人员流动等原因，更使得数据容易丢失、遗漏、破损。由于管线资料的匮乏或不精确，从而造成地下管线施工时发生管线的意外事故；在运行事故发生时，更是无法提供准确的管线资料，进而造成调度、指挥和决策迟缓；以致在地下管线设施管理中，直接和间接的经济损失严重。因此，如何有效地搜集、整理和利用现存的资料已经能成为迫切需要解决的问题。GIS（地理信息系统）就是在这种情况下引入热力设施管理应用中的

     GIS在我国的各应用领域发展是从九十年代开始的，而在热力企业的应用要更晚一些。烟台开发区热力总公司等少数几家单位已经开始使用mapinfow来管理管网和设备资料。这些系统已经实现了管网的图形数据的录入、修改及查询统计等功能，达到了集中管理设施数据的基本要求，然而在管线类型和设备符号的规范性、设施的动态管理、运行事故分析、与企业其它系统的接口等几个方面还有所欠缺。针对热力公司的实际情况，结合生产运行、设施管理需求，北京博达新创科技发展公司开发了 “供热企业地理信息系统”。该系统采用了先进的GIS（地理信息）软件SICAD，将热力企业的管理信息系统构建在GIS/Internet基础平台之上，其特点是针对供热企业进行了优化处理，将地理信息技术和管理系统紧密结合，真正地解决了热力企业的各种管理问题。

     热力管网水力平衡分析工作一直是供热企业运行调节的重要基础依据，目前很多热力公司管网平衡分析工作主要依据手工计算结合经验分析，由于没有方便的软件系统支持，分析计算的效率非常低，同时热力管网的工况又不断地发生变化，因此，手工计算已经不能满足供热企业的管网设计、生产运行的需要，针对供热企业的行业特点，北京博达新创公司将芬兰的水力平衡分析软件引进到中国，与已有的地理信息系统进行良好的结合，形成一套具有热力管网设计、分析、管理、计算、调节等功能的综合管理软件系统

     2．地理信息系统功能
     众所周知，热力企业的热力设施的空间跨度大、时间跨度长，使得其管理非常困难。热力设施的管理是一个动态的过程，它需要企业与企业间的往来、企业内部人员的协同工作，各专业设计人员之间的信息共享。我们的目标是使热力企业通过使用地理信息系统技术，把热力设施的勘测、规划、设计、施工、运作、管理、维护、更新的管理工作变成一个可动态管理、可持续的过程。

     基于以上设计目的，热力企业地理信息系统主要功能模块组成如下：

     2.1企业设施数据管理
     热力地理信息系统将管理过程中的有关资料全部录入系统。由于热力管网的管理与地理位置有关，所以系统中将城市地形图（包含道路、建筑物等）作为背景图显示。对热源、管网、换热站、设备的信息内容以属性信息来显示。设备说明书等图片、技术资料内容作为一个附属文件，加入到系统中。对热源厂、热源站、井室内部设备的详细信息以详图的形式进行处理。另外，系统能够管理管网、设备运行时的压力、流量等动态信息。

     2.2热力设施录入系统
     在此系统中，可以录入企业的管网、设备等设施图形数据和属性数据。在管网、设备符号的制作过程中，参照了建设部行业标准CJJ/788-97。系统提供多种作图工具，并且在开发过程中对供热管网以及设备根据其用途、直径等进行了分类，作图人员只需选择需要的类型即可，而不必关心线型、颜色等底层特性，对于有相同间距的平行管线，系统提供了一次画多重管线的方法。系统具有距离标注、角度标注等多种标注方式，另外，系统提供了捕捉和构造点（垂足、弧交点等）两种辅助作图工具，规划设计工作完成之后，其结果会自动保存到系统中，以便设施的施工和信息的查询，此外，系统可以根据用户的需要，定制不同的图形输出模板。

     2.3热力设施规划系统
     常规的供热规划是根据热用户普查情况，按区域面积容积率和热化率计算得到热负荷量，以决定供热设施的建设规模。常规的供热规划在详细的用户规模计算时往往缺乏准确数据，存在一定的盲目性。在热网地理信息系统中，将热用户数据和图形输入系统数据库，利用系统提供的处理工具可快捷、准确方便的计算出热用户规模，同时了解已供热和未供热用户的动态变化情况，完成供热设施的规划设计管理工作。规划设计完成后，保存在系统数据库中，用于指导供热设施的管理。

     2.4热力设施故障与检修管理
     系统不仅能存贮管网、设备的基本信息和技术参数信息，还能记录其检修及故障的历史记录，操作人员可以根据需要随时查看和添加故障记录、检修记录，并按规定制定年度检修计划、生成年度故障统计报表。

     2.5固定资产管理系统。
     供热生产过程中涉及的供热设施、设备种类多、数量大，固定资产的管理难度较大，需要大量的人力物力完成登记、管理、调拨、闲置、报废等处理工作。通过在热网地理信息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，对固定资产实现必要的统计、汇总工作。对使用中的设备，可以在网上显示分布情况，并可以查询到设备的技术档案、按照规定的折旧率进行折旧。

     2.6用户管理子系统
     根据供热企业管理到户的特征，系统对建筑物的立面、标准平面图、楼内用户信息进行详尽描述。用户报修时，可以查看用户测温记录、是否欠费等状况，这对于故障的辅助判断、用户报修的检修监督都起到一定的作用。系统保留了与收费系统的接口，如果用户同时使用了博达新创公司的收费系统，系统可以直接访问收费系统的用户资料，避免了用户资料表的重新建立和资料的重复录入。

     2.7运行事故处理系统
     系统能对整个管网进行连通性分析，并可以根据需要，开关阀门。在现行的管理模式下，发生运行事故时，由于无法提供准确详细的管线资料，而造成调度、指挥、决策迟缓。历史上就有多家企业因爆管而不能快速正确决策而造成巨大损失的案例。地理信息系统的爆管分析功能就能解决这个问题，发生爆管时，操作人员只需要用鼠标点击爆管处，系统将自动搜寻有关阀门、入户井、建筑物、管网，并进行分析，最后将给出关闸方案、并将影响的建筑物、管网以醒目颜色表示、这时可以将现场图纸、影响的用户信息打印输出。管理人员根据计算机给出的解决方案，就能在图上快速地定位到发生爆管的位置，可以查看爆管处的管线、设备资料，关闭相关阀门。另外，根据影响的用户信息，就可以通知相关单位或个人。

     2.8查询与统计子系统
      此项功能是基于已经录入的管网、站、设备等数据而进行的查询与统计。可以根据已知的查询条件快速查询到符合条件的管网、设备等；也可以输入统计条件形成统计报表。查询与统计包括总体统计、管网查询与统计、热力站查询与统计、井室查询与统计、设备查询与统计、设备故障与检修统计等几类。总体统计主要是统计热力公司的热源（站）数量和负载、井室的数量、不同设备类别设备的数量，不同管径管线的总长度。管网查询与统计主要包括根据输入条件查询、统计管线以及干线负载统计。站查询与统计主要包括根据输入条件查询站以及热源（站）负载统计。设备、井室查询是根据已知条件查找到符合条件的设备、井室。设备故障与检修统计主要是统计某种类型设备在某段时间的故障和检修情况。

     2.9运行调度指挥系统
      随着供热规模的不断加大，供热管网、设施和用户的信息量非常大，运行调度人员面对运行中出现的一些问题，如：用户系统不热、漏水、供热调整等，而应用热网地理信息系统，可以查询到所有相关管网、设施、用户的资料，为系统调整、用户不热处理及联系带来方便。调度室的工作人员，可以查询各供热公司下属的热源点、换热站、供热管网的所有运行参数，监测整个供热系统运行工况并制定各热源点、换热站的运行方案。

     3．热力管网水力工况模拟与计算分析功能
     热网水力平衡分析软件（FLOWRA软件）热网水力热力工况模拟计算分析软件，软件的计算原理是利用线形化理论求解在某个参数未知的情况下流量、压力、温度分布的大型方程组，计算流量和压力所需的时间非常短，程序应用大型稀疏矩阵处理技术，从而大大提高了系统的内存利用率和软件的运行速度。FLOWRA软件是先进的热网水力热力工况模拟分析软件，在国外热力公司中已经得到了广泛的应用。热力管网水力计算常规的做法是采用手工计算，而手工计算根本无法保证计算的准确性及及时性。采用热力管网水力平衡分析软件有助于大量的日常计算，在现场及运行状态发生变化时，系统能够及时进行计算分析，方便热力公司管理人员随时调整管网运行状态，达到经济、稳定运行的目的；系统可以获得在各种负荷条件下各换热站、热用户等的能源需求，各种负荷状态下的流量和温度分布；系统可以计算热力管网的压力和热量的统计值，生成各种运行统计报表，包括管网运行质量统计报表、管网运行费用分析统计报表，进行费用分析，可以提高供暖质量，降低能源消耗，实施最优化运行方案等。软件系统的主要功能有：

     3．1热力管网规划与设计
     软件系统可以用于热力管网的规划设计，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。

     3．2管网改造与更新分析计算
     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，热力公司可以参考管径计算结果进行热网改造与更新。

     3．3热力管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制定，可以在不同的环境条件下进行热源投运安排（寒冷季、非寒冷季等），系统可以计算不同环境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。

     3．4热力管网运行平衡分析
     针对实际运行热力管网，系统可以分析在实际运行工况条件下热网的实际压力、压差分布条件。

     3．5热力管网水泵与阀门的分析与计算
     软件可以管理与分析水泵，可以是变频或者不变频。变频泵可根据用户需求对节点进行控制（如依据保证某个节点运行参数，计算变频水泵的调节运行参数），可以在热网上增加管网加压泵并进行运行参数计算。软件可以管理与分析阀门（阀门曲线及参数由用户设定），阀门可以根据用户需求对节点进行控制（如依据保证某个节点运行参数，计算阀门的调节运行参数），可以在热网上增加各种调节阀门并进行参数计算。

     3.6计算结果分析与图形输出
     系统可以根据热力公司基础条件建立热网的基础数据库（包括管道、水泵、阀门），可以按照热力公司环境条件进行供热曲线设定。

     热力公司可以自己建立热力管网的图形数据，系统可以依据用户节点坐标（X、Y、Z）建立，也可以将已有数据（地理信息数据、CAD数据、扫描图形数据等）导入软件系统，经过数据处理后进行分析计算。

     计算结束后，可以进行基础数据查询与显示；热网平面图查询与打印，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；热网水压图查询与打印，可以查询打印热网上任何节点间的水压图；全部数据查询与打印，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。

     热力公司运行管理人员或热力公司设计人员在进行管网水力和热力工况计算分析时与地理信息系统相结合，可以随时看到与之相对应实际热网上的设备（水泵、阀门）、供水或者回水管线位置及其现状属性，为已有管网的运行调节或技术改造、新建热网的设计等工作提供了非常直观的图形依据，大大方便了相关技术人员查找数据和资料的工作。

     4系统组成与系统配置
     4.1系统总体结构设计
      在系统的总体结构设计上，我们选用了客户机/服务器（C/S）和浏览器/服务器（B/S）相结合的方式。数据录入与分析系统（DIAS）采用客户机/服务器结构，所有属性和图形数据存贮在服务器上，数字化人员在客户端数字化管网、设备等图形。这种方式既分解了事务，提高了服务器和客户端的处理速度，同时也保证了数据的安全性、共享性。而大多数工作人员使用的互联网数据发布系统（IDPS）使用浏览器/服务器结构，这一方式对客户端的软硬件环境要求不高，而且操作简单、易学。

     4.2系统主要性能指标
     各项功能满足热力公司的业务规范；
     系统操作简单、运行可靠、维护方便；
     系统的信息分类资料编码、符号符合国家和部颁标准；
     系统提供各种资料源的转换方案与工具；
     系统具有良好的资料开放性，各地理信息系统之间以及与其它应用系统之间提供了接口。


     4.3系统软、硬件配置
     基本配置：扫描仪、打印机、局域网。
     服务器：中文Windows NT 4.0或Windows2000、SICAD、Oracle 8.05以上 、CPU PIII500以上、512M内存、硬盘>15G、10/100M网卡。
     数字化客户端：中文Windows NT 4.0或Windows2000、SICAD、Oracle 8.05以上 、CPU PIII500以上、512M内存、硬盘>15G、10/100M网卡。
     普通客户端：中文Windows NT 4.0或Windows98或Windows2000等、IE浏览器、CPU PII100以上、内存>64M、10/100M网卡（MODEM或ASDL）。

     5．系统效用与展望
      北京博达供热地理信息系统在2002年1月开发完成后，已经先后在兰州二热管网建设办公室、济南开发区热力公司、烟台开发区热力公司等多家热力企业得到了成功实施。实施企业在完成数据搜集和录入工作之后，实现了供热管理的设施地理化、图形数字化、运行信息化和管理的科学化。系统具体效用如下:

     5.1通过建立企业地理信息系统，对企业的管网、设备进行了“大摸底”，建立了企业管网图形数据库。这使得企业对管网、设备、站等有了更加明晰地了解。而且基于管网图形数据库的管网规划、建设和使用变得简单化、合理化、科学化。济南开发区热力公司通过实施企业地理信息系统，使企业的管网利用率提高了10%，为公司节约投资300万元。

     5.2实现图档管理的规范化和网络化。任何一个有权限的操作人员通过机器都可以方便、快速地查询到所需图形和数据资料。实现了资料的信息共享，大大提高了资料的利用率和工作效率，减少了管理人员的重复性劳动。

     5.3及时、迅速地发现解决设备故障和缺陷，提高了设备完好率，科学地安排维修、检修及生产运行管理工作，从而减少了不必要的维修检修费用。

     5.4实现了运行事故分析的辅助决策。使用系统爆管分析，定位速度快、准确性高，而且能迅速查询到周围的管网、设备信息。这就大大加快了公司对爆管等运行事故的反映速度，缩短了修复时间，减少了对用户的影响，降低了水（汽）损失。从而取得显著的经济和社会效益。

     5.5实现了对用户供热系统、用户资料方便快捷的查询。发生故障时影响用户的分析功能和用户测温管理功能都大大提高了供热服务质量和热费收缴率，取得了良好的社会和经济效益。

     5.6如果系统具备了其它公用设施行业（供水、电信、煤气）的管线数据，这就能实现城市综合管网信息的数据共享，在规划、施工时可以查阅其它管线资料，避免因地下管线资料不详而引起的管线碰撞和管线挖断等事故。

     5.7热网水力工况失调一直是困扰热力行业的难题，但一直没有比较好的方法，热网水力平衡分析软件的出现解决了这方面的问题。本软件可以通过多种方案的试算、分析，得到最经济、稳定的运行方案，从而节约了能源、提高了供暖质量，增加了企业效益。

     参考文献:
     [1]修文群等，地理信息系统数字化城市建设指南，北京希望电子出版社，2002.
     [2]区福邦，城市地下管线普查技术研究与应用，东南大学出版社，1998.
     [3] 张骏，济南开发区热力公司“热网地理信息系统山东省科技成果鉴定材料”，2002.
     [4] Sicad-User-Guides ，SICAD Geomatics GmbH & Co. oHG， 1999.