（环境工程专业论文）基于super+map的府谷县城供热管网在线监测系统研究.pdf

一燃嬲 。- 。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ，。j 7 1jj - 我论文题目：基于s u p e rm a p 的府谷县城供热管网在线监测系统研究 学科专业：环境工程 研究生：杨亚瑾 签名：缒垄至兰 指导教师：党志良教授签名之 刘玉玲副教授 签名：至旦兰尘 摘要 供热管网是北方城市居民生产、生活的重要基础设施。目前绝大多数城市采用传统人 工管理供热管网方法已难以满足管网在线监测的实际需要。本文基于g i s 平台，采用s u p e r m a p 软件，通过数据的可视化功能，以地形为依托，实现供热管网的可视化。动态模拟 分析和全面了解系统运行情况，提高供热管网管理的效率、质量和水平。在线监测，为及 时分析供热管网状态，减少事故损失。为城市供热管网的改建和扩建、运行、维护与管理 提供科学依据和技术支持。 本文以实际科研项目“陕西省府谷县供热管网在线监测系统设计”为支撑，系统分析 了目前城市供热管网管理中普遍存在的问题，结合府谷县城市供热管网运行的工作特点， 对集中供热在线监测系统的设计和功能实现进行了研究。其研究内容主要为： ( 1 ) 根据g i s 技术和城市供热管网在线监测技术的国内外研究进展，从府谷县供热系 统的现状和管理需求出发，以在线监测分析评价方法为需求目标，进行了监测点的优化选 取和监测平台的选择。利用s u p e rm a p 软件，系统设计了府谷县城市供热管网在线监测系 统。明确了府谷县供热管网在线监测系统的设计功能。 ( 2 ) 通过供热管网系统在线监测数据的随机采集，以绘制的瞬时管网水压图和温度场 为分析基础，动态模拟计算和研究供热管网系统的运行情况，分析在不同运行工况条件下 供热管网运行的质量和水平，评价集中供热系统的效率和效能。 ( 3 ) 以供热管网在线监测系统运行环境和在线监测平台为基础，验证了府谷县集中供 热管网在线监测系统的设计功能，整个系统运行状况良好。 府谷县集中供热管网在线监测系统的设计对同类工程有参考价值。 关键词：集中供热；g i s ；s u p e rm a p ；在线监测 a b s t l a c t t i t l e ：t h es t u d yo fw a t c h i n go n l i n es y s t e mo ff u g uc e n t r a lh e a t i n g n e t w o r kb a s e do ns u p e rm a p m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：y a j i ny a n g s u p e r v i s o r - p r o tz h i l i a n gd a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t i o np r o f y u l i n gl i u a b s t r a c t h e a t i n gn e t w o r ki nt h en o r t hu r b a ni sac r i t i c a li n f r a s t r u c t i o nf o r t h ep r o d u c t i o na n dl i v i n g a tp r e s e n t ，m o s tc i t i e si nt h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t h o do fh e a t i n g s u p p l yn e t w o r km a n a g e m e n t h a sb e e nd i f f i c u l tt om e e tt h ep i p eo n l i n em o n i t o r i n go ft h ea c t u a ln e e d s t h i sp a p e ri sb a s e do n t h eg i sp l a t f o r m ，u s i n gs u p e rm a ps o f t w a r e ，t h ed a t av i s u a l i z a t i o nc a p a b i l i t i e st ot h et e r r a i na s t h eb a s i st or e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no f h e a t i n gp i p en e t w o r k a n di tb r i n g sa b o u tt h ed y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go fs y s t e mo p e r a t i o n ，t oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fh e a ts u p p l yn e t w o r km a n a g e m e n t ，q u a l i t ya n ds t a n d a r d s ，w h i l ei tu s e so n l i n e m o n i t o r i n gf o rt i m e l ya n a l y s i so ft h eh e a t i n gp i p en e t w o r kf o rs t a t et or e d u c ea c c i d e n tl o s s i t t r y st op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rh e a t i n gn e t w o r kf o r t h ec i t y s r e n o v a t i o na n de x p a n s i o n ，o p e r a t i o n ，m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t t h i sp a p e ri sb yt h ea c t u a lr e s e a r c hp r o j e c t ”f u g uc o u n t y ，s h a a n x ip r o v i n c e ，h e a t i n g n e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e m , a n dt h es y s t e ma n a l y z e st h ep r e v a l e n t ，c u r r e n tu r b a nh e a t i n g n e t w o r km a n a g e m e n ti s s u e s ，w i t hu r b a n h e a t i n gn e t w o r kf u g uc o u n t y ，t h e nw es t u d i e dt h e w o r ko fr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm o n i t o r i n go fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m sd e s i g na n df u n c t i o n i m p l e m e n t a t i o n t h ec o n t e n t so ft h i ss t u d ya r c ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eg i st e c h n o l o g ya n du r b a nh e a t i n gn e t w o r kl i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c hp r o g r e s s ，f r o mt h eh e a t i n gs y s t e ms t a t u sa n dm a n a g e m e n tn e e d sf o rf u g uc o u n t y ，f o r t h en e e d so fa no n l i n em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d s ，w em a k et h e c h o i c eo fs e l e c t i n ga n d m o n i t o r i n gp l a t f o r ma n do p t i m i z eo ft h em o n i t o r i n gp o i n t s u s i n g s u p e r m a ps o f t w a r e ，w es y s t e m l yd e s i g n ，f u g uc o u n t y ，c i t yh e a t i n gn e t w o r kl i n em o n i t o r i n g s y s t e m ，a n dm a k ec l e a r l yo ff u g uc o u n t yl i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rh e a ts u p p l yn e t w o r k d e s i g nc a p a b i l i t i e s ( 2 ) w ec o l l e c to nr a n d o mt h eh e a t i n gp i p en e t w o r ks y s t e mo n l i n em o n i t o r i n gd a t at od r a w t h ei n s t a n t a n e o u s l yp i p en e t w o r kh y d r a u l i cd i a g r a mo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h eb a s i sf o r a n a l y s i s ，d y n a m i cs i m u l a t i o na n ds t u d yt h eo p e r a t i o no fh e a t i n gp i p en e t w o r ks y s t e m ，a n d a n a l y z e st h ed i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h eh e a t i n gp i p en e t w o r ku n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h eq u a l i t ya n dl e v e lo fe v a l u a t i o no fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e me f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c e 西安x _ t - 大学硕士学位论文 ( 3 ) a st h eb a s i so ft h eh e a t i n gn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e ma n do n l i n em o n i t o r i n go f o p e r a t i n ge n v i r o n m e n tp l a t f o r m ，v e r i f yt h ef u g uc o u n t y sc e n t r a lh e a t i n gp i p en e t w o r kl i n e m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g nf e a t u r e s ，a n dt h ee n t i r es y s t e mi sr u n n i n g i ng o o dc o n d i t i o n f u g u c o u n t y sc e n t r a lh e a t i n gp i p eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi so fr e f e r e n c ea m o n gt h o s es i m i l a r w o r k s k e yw o r d s ：c e n t r a lh e a t i n gn e t w o r k ；g i s ；s u p e rm a p ；o n l i n em o n i t o r i n g 目录 目录 1 前言1 1 1 城市集中供热管网系统发展综述1 1 1 1 集中供热系统存在的问题1 1 1 2 集中供热管网的发展趋势3 1 2 在线监测技术在城市供热管网应用的国内外进展3 1 2 1g i s 技术在城市供热管网应用的国内进展4 1 2 2 在线监测技术在城市供热管网应用的国外进展6 1 3 供热管网在线监测现状及存在问题6 1 3 1 供热管网在线监测现状6 1 3 2 供热管网在线监测存在的问题7 1 4 课题来源、研究目的和内容7 1 4 1 课题的来源7 1 4 2 课题研究目的8 1 4 3 研究的内容8 2 府谷县城区供热系统需求分析1 0 2 1 用户需求分析1 0 2 1 1 系统现状及特点1 0 2 1 2 用户需求1 0 2 2 在线监测点的布设11 2 2 1 监测系统项目与任务1 1 2 2 2 测压点布置的原则1 2 2 2 3 测压点布置的目的1 3 2 2 4 测压点的布设方法1 3 2 2 5 最优测压点的选取1 4 2 3 供热管网热力计算和水压图的绘制1 7 2 3 1 热水网路压力状况的基本技术要求1 7 2 3 2 水力工况的计算原理1 8 2 3 3 水压图的计算1 9 2 3 4 水压图对系统泄漏的诊断1 9 2 4 热网温度场的计算2 2 2 。4 1 直埋热水供热管道温度场计算2 2 2 4 2 温度场计算的保角变换法2 4 3 府谷县城市集中供热在线监测系统设计2 8 西安理工大学硕士学位论文 3 i 在线监测系统平台选取2 8 3 1 1 系统功能分析与模块设计2 8 3 1 2 实时g i s 信息管理系统功能3 0 3 1 3 系统g i s 平台及应用软件3 1 3 2 在线监测系统的设计3 2 3 2 1 系统设计内容及特点3 3 3 2 2 系统结构框架3 3 3 2 3 系统图层管理机制3 4 3 2 4 在线监测系统设计3 5 3 3 系统数据库管理3 6 3 3 1 数据分析3 6 3 3 2 空间数据库设计3 7 3 3 3 空间拓扑模型及图形数据库设计3 9 4 在线监测系统功能的实现4 2 4 1 系统概述4 2 4 2 系统运行环境及界面设计4 3 4 2 1 运行环境4 3 4 2 2v b 与m i c r o s o f ta c c e s s 数据库的调用4 4 4 2 3 系统界面设计4 6 4 2 4 监测报警系统4 9 4 3 工程实例5 0 4 3 1 水力工况计算5 3 4 3 2 在线监测成果的演示5 8 5 结论与展望6 2 5 1 结论6 2 5 2 展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 附录6 8 2 前言 j - j - j - i 刖吾 供热系统是北方城市经济发展及人民生活的重要基础设施之一。供热行业作为对国民 经济发展有着全局性、先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。由于当前能源和 环保问题越来越多地受到关注，能源节约、环境保护、经济可持续发展已成为我国的基本 国策。目前，对城市供热的要求，己不仅仅在于规模的不断扩大，而且对供热系统的合理 性、经济性，特别是供热系统的能源有效利用率及供热可靠性提出了更高的要求。 采暖实行集中供热是城市降低污染、节约能源，实现科学管理，提高供热质量的有效 途径。集中供热是一个复杂的过程，使用设备多，管路分布广，且具有变参数、多变量、 长滞后等特征，控制难度大。随着城市集中供热规模的逐年扩大，对供热管理水平的要求 也逐年提高。以计算机技术和通讯技术为主的供热在线监测和管理系统在供热系统中得到 了越来越多的应用，集中供热热网监测系统的设立，为热网调度和运行提供了快捷、准确 的参数，使运行中发生异常或事故能够准确判断地点和原因，对安全经济运行、提高二次 能源综合利用、降低发电成本有着深远的意义。为了节能降耗，确保设备安全可靠运行， 实行生产过程的自动化和计算机在线监测管理势在必行。 1 1 城市集中供热管网系统发展综述 1 1 1 集中供热系统存在的问题 a 集中供热的系统组成 集中供热是指由一个或多个热源集中向一个或多个区域内不同用户供应热能的供热 方式。该系统一般由四部分组成，即热源、热网、换热站和热用户【l 】。 ( 1 ) 热源，是指用来把各类燃料或可再生能源转化为热能并进行输配的场所。目前 广泛应用的热源主要有区域锅炉房和热电厂。这类热源主要以燃煤、燃油、燃气锅炉把燃 料作为全球目前以及将来能源的重要组成部分，也是热源可采用的能源之一。锅炉的热效 率、热源中其他动力装置效率，是体现集中供热能源利用效率的最主要组成部分。 ( 2 ) 热网，是指由热源向换热站、热用户或换热站向热用户输送和分配热媒的管线 系统。其中热源与换热站之间的热网称为一级( 一次) 管网，换热站与热用户之间的热网 称为二级( 二次) 管网。集中供热的热网按热用户需求把不同种类、不同参数的热媒输送 至各热用户入口。 ( 3 ) 换热站，是指把热源、一次网和二次网、热用户加以连接的场所。其作用是把 一次网输送到热媒进行调节、转换，根据热用户的不同需求分配热量，对热媒的参数、数 量进行检测和计量。 ( 4 ) 热用户，是指使用热能的用户。热用户按使用热能的目的不同，分为供暖、通 风、空调、热水供应和生产工艺用热用户。 b 集中供热系统存在问题 随着城市的发展，集中供热规模不断扩大，相应的产生了一系列供热质量、工程和技 术方面的问题。供热系统能否正常运行主要取决于系统设计、施工、运行管理水平等方面， 西安理工大学硕士学位论文 并且这些方面互相影响、相互制约，其中任何一个环节出现问题都会影响到整个系统的正 常运行，使供热系统无法满足用户需求。归纳起来有以下五个方面： ( 1 )供热热源的质量和平稳程度【2 】 以煤炭为燃料的集中供热方式污染严重，初投资大。 分散小锅炉房较多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热立法和强 制政策措施； 特大城市和大城市现有热电厂、区域锅炉房的单机容量偏低，能源利用率低，热能 浪费严重，供热成本高； 部门与地区的保护主义严重，在发展城市集中供热产业上不能协调一致共同发展， 致使城市集中供热所占比重较小。 ( 2 )换热机组效率低 换热机组的效率受换热站的选址、定容、机组的配置、运行调节等方面影响。常常由 于换热站容量确定的不合理，就直接导致了站内机组在原有换热站面积和机组配置基础上 一再增补，极易出现水泵频繁启闭，阀门频繁调节开度等情况，从而在系统运行过程中增 加数目可观的运行费用和设备大修费用；由于缺乏有效的运行调节措施，在系统运行过程 中，出现回水忽冷忽热，用户的用热品质得不到有效保障等问题。 ( 3 )管网热力失调现象严重 由于我国的供热系统为定流量系统，所以传统常规室外供热系统多采用集中式换热 站，小区换热站的规模从5 , - - , 3 0 万m 2 不等【3 】。而在集中供热发达的北欧，多采用建筑入口 设小型组装式换热站的形式。两种形式相比较，集中式换热站初投资低、便于集中管理。 而当用户流量变化很大时，虽然用户间相互干扰可以通过入口加差压控制器消除，同时还 可以通过对主循环泵的调速，控制最远端用户压差维持不变，但泵的工作点将在很大范围 内变化，致使泵的效率大为降低。建筑入口设小型组装式热力站的形式初投资较高，但运 行费用较低，调节灵活。同时增加了系统的稳定性，o o l , j , 了用户问的相互影响。 ( 4 )单一供( 换) 热站的供热负荷 我国目前以燃煤为主的供热热源仍占主导地位，不但用掉了大量的不可再生能源，而 且排放了大量的温室气体，对环境造成了污染。单一的以燃煤为主的供热方式逐渐不能满 足热用户的多种需求； 热负荷的计算问题，集中供热的热负荷是指集中供热系统所包括的各热用户热负荷的 总和，它是供热规划和设计确定热源位置、规模和热网布线的重要依据之一。我们知道热 负荷跟围护结构、朝向、风力附加等因素有关。通常的按面积估算散热器的片数，实际应 用中并不科学。有时集中供热系统进行规划或初步设计时，整个区域内的各类建筑物具体 设计尚未进行，不可能按照通常的设计热负荷计算方法对各建筑物进行热负荷计算，无法 获取总热负荷准确数据。因此对不同的热用户，有时也可以采用概算指标法来确定它们的 热负荷。 前言 ( 5 )水质及运行问题 采暖水温较高，水质处理不当易结垢，经常有用户反映第一年入住时比较暖和，但往 后越来越冷，实际上新建筑潮湿，墙体散热系数较大，第一个冬季应该觉得比较冷，热负 荷比干燥建筑大2 0 左右【4 】。出现越来越冷现象是由于设备和管道腐蚀结垢。有些供热单 位常常为了降低成本将水处理设备砍掉，而补未经过缓蚀和除垢处理的水。加速了管路的 结垢堵塞。 1 1 2 集中供热管网的发展趋势 近年来随着经济的发展，供热事业也有了快速的发展，具体体现在以下几个方面。 a 理论上日趋成熟 各国均制定颁布了一系列有关供热工程从设计、施工到运行管理的规范和措施，内容 涉及建筑节能，负荷计算，用热计量，系统调节和设备选用等，集中供热在理论上已经日 渐成熟。 b 设备多元化 针对节能、清洁能源和可再生能源应用，研制了大功率抽气冷凝两用供热机组。燃油、 燃气锅炉和地源热泵机组等多种类不同能源应用的供热热源，并已投入使用。为满足不同 用户需求，供暖末端设备研制出铜铝、钢复合散热器，塑料管地板采暖及附件，配合内装 修的多种类钢制散热器及风机盘管用于供暖。多类型末端供暖设备的应用，改善了室内环 境条件，增多了供暖系统节能手段。 c 新技术应用 多热源联合供热、热电联产、低温热源应用、热网无补偿直埋技术、室温自控调节技 术、计算机检测、调节等新技术，目前正在供热工程中得到广泛的应用。 随着供热方式的多元化，人们对于供热系统的要求也不仅仅是停留在取暖这一单一的 层面上，而是更多的关注供热系统的安全可靠性和高效运行。因此供热系统的运行管理也 日渐显得更为重要。集中供热系统的运行管理实行在线监测必将成为未来供热系统发展的 必然道路。 1 2 在线监测技术在城市供热管网应用的国内外进展 近年来随着经济的增长，人民生活水平曰益提高，对居住环境的要求越来越高，使得 供热技术有了突飞猛进的发展。据中国城镇供热协会技术咨询部统计，2 0 0 3 年全国6 0 0 个城市中，有集中供热设施的城市3 2 1 个，全年集中供热面积达1 8 9 亿m 2 ，主供热管道 近7 万k m ，三北地区集中供热普及率为6 0 9 0 ，从城市供热的现状和发展来看，集 中供热是我国城市供热的主力军。进入2 l 世纪后，各国提倡和要求的节能和环保，加上 计算机技术的进步及自控技术的普及，使得供热的计算机过程控制成为国际供热行业的重 点研究问题。目前我国己形成了两大学派，即清华大学的分布式的热网自控模式和北欧国 家普遍采用的集散式的热网自控模式【5 石】。清华大学研制的分布式自控系统更适合中国国 情和国内的供热现状，但北欧国家广泛采用的集散式白控系统更加灵活、可靠、更便于以 西安理工大学硕士学位论文 后发展，同时在按需供热上做得较好。但由于我国的国情和供热现状与在北欧国家所遇的 情况有所不同，不能全部照抄北欧的技术。 1 2 1g l s 技术在城市供热管网应用的国内进展 我国集中供热经历了从无到有、从小到大、从弱到强，竞争发展、艰苦奋斗的历程。 可以将这近六十年的历史大致分为四个阶段【7 j 。 第一阶段，单纯利用阶段( 2 0 世纪4 0 年代一5 0 年代中期) 。 我国北方地区的寒冷是有目共睹的。建国前，北方少数城市利用曰伪时期建设的小型 热源厂，进行局部供热，就其形式与规模来看，算不上真正意义的集中供热。建国以后， 正是参照这些不完善的设施，逐步开始了我国自己的集中供热建设。这一阶段，就地测量 参数都少见使用仪表，何况监测，也就更谈不上监测系统，只是利用热能而己。 第二阶段，单纯管理阶段( 1 9 5 6 年一1 9 6 5 年) 随着我国“五年 计划的实施，工农业生产逐步走向正轨，对能源尤其是电力的需求 逐渐加大，加之能源的综合利用和开发也呈现出良好的形势，电站的余热利用呈现出特有 的价值。专业化的热电联产复合型电站开始出现在北方一些大城市( 如北京、天津、哈尔 滨、沈阳、太原、大连等) 。早在1 9 5 6 年，党中央就成立了都市规划建设委员会，负责北 京的总体建设规划，其中专门制定了北京的热化方案。各省、地结构亦相应成立了规划建 设委员会，针对各地的实际情况，开始规划建设自己的供热( 暖) 设施。 这一阶段，由于集中供热刚刚开始，属于初创时期，规模不大，管理比较简单，主要 是管理几条供热管线和为数很少的换热站。根据现有资料表明，这一阶段的监测仅仅是就 地测量仪表提供参数，供热管线上的参数是靠巡线人员步行或骑自行车到就地抄表和记 录，热网监控没有什么具体方法，只是运行工作人员根据规定参数和工作经验进行调控。 换句话说，就是把“热 及其载“热”介质一起送到用户，回收和再利用的部分很少或者 没有，更没有实时监测系统。 第三阶段，基础建设阶段( 1 9 6 5 年一1 9 7 9 年) 随着我国国民经济和工农业生产的发展及人民生活水平的不断提高，能源的消耗不断 增加，“热”的需求愈来愈大，中央主管部门和地方主管部门逐渐感觉到“热”源紧缺。 为弥补热源厂提供的蒸汽不足，各地相继建起了一些蒸汽厂、热电联产复合型电站、锅炉 房等各种各样的热源厂。尤其是“文革”结束以后，集中供热得到了长足的发展。在这十 几年中，我国北方几乎所有的城市都有了自己的热源厂，供热( 暖) 面积都达到了百万聊2 以上，最少的也有几十万m 2 。可以说我国集中供热已经步入了一个基础成熟期，逐步开 始单独设立热力部门，进行热源、供热管网的系统设计、建设的系统工程。可以根据用户 的要求，开发和设计与之相适应的热力站和配套设备。积累了许多管理集中供热系统的经 验，培养了大量的管理和技术人员，为下一阶段的集中供热建设打下了坚实基础。 这一阶段，由于集中供热管网和供热机组的加大，管理、控制与监测的矛盾显现出来。 专业人士提出了监测是运行中必须的环节，用以保证安全、经济、环保等方面的要求。限 4 前言 于当时的政治环境和技术条件及计划经济处于主导地位，热源的经济性、环保等方面没有 得到很好的重视。热网的调控没有从实际意义方面得到很好的分析和论证，监测的出发点 仅仅停留在安全生产和用户效果方面，而不是真正意义上的监测。监测手段只靠电话或对 讲机来完成的。虽然，这方面有所进步，但调度人员还是全靠电话反映上来的情况来判断， 给调度的及时性、准确性带来很大的困难。仅仅是北京市7 卜8 0 年代首先建立了几个区 域数据传输网，受到当时技术和设备的限制，多数还没有使用就淘汰了，少数也只试用了 一段时间，效果不好也淘汰了。其他各城市也进行过一些尝试，绝大多数是纸上谈兵，没 有实质性的进展。 第四阶段一综合发展阶段( 1 9 8 0 年至今) 进入二十世纪八十年代，党的十一届三中全会的召开、改革开放政策的实施，我国城 市规模发展的较快。城市的扩展表现在两方面：旧城区的改造和新城区的出现( 尤以经济 技术开发区为主体) 。在这一过程中，有些地方基础设施的投入与区域内部的发展不同步， 造成当初投资和运作上的不合理，使得供热设施没能达到设计要求和需求水平。但是，这 一时期集中供热达到了前所未有的水平。随着市场经济和竞争机制的引进，加之先进技术 和成型技术的开发利用，热电厂开始采用大容量机组，使得供热( 暖) 用户成倍增加。其 中，供暖面积在1 0 0 0 万所2 以上的城市也不在少数。到了九十年代，我国电站建设达到了 一个高峰，为热网提供了更加安全、经济、环保的热源，集中供热变得更加前途光明。 这一阶段，除去少数几个城市( 北京、牡丹江等) 外，多数城市对监测系统问题是近 几年才开始开发建设的。有的已经达到了一定水平，但多数热网还只是局部或区域实现了 实时监控。现有资料表明，全面实施热网实时监控的只有北京热力公司、牡丹江热力公司 等少数几个单位，其经济效益是其它单位所不可比的。其中牡丹江热力公司监控系统在八 十年代末至九十年代初就逐步投入了运行，是利用芬兰政府贷款，全套引进芬兰技术和设 备，到1 9 8 8 年，基本实现了实时监控【8 】。到1 9 9 2 年，经过几年的运行和改造己基本达到 了该公司的要求。其实许多设备引进时就己没有什么先进可谈，甚至达不到有些国产设备 的技术水平。换句话说，在没有投入运行之前就淘汰了，加之其他方面的原因，许多设备 在投入运行时，己被国产设备取代。但并没有因此降低技术要求和实现目标。尽管大笔外 汇投资或多或少花得有些冤枉，但是，我们从中还是学到了一些东西，这笔学费交的是值 得的。根据牡丹一江热力公司的经验，设立实时监测系统的热力站的供暖面积在5 8 万 m 2 为合适、供热面积在1 0 万m 2 左右为合适。北京热力公司1 9 8 9 年和航天部5 0 2 所、1 6 所等单位共同建立了一套用无线信号传输的监控系统，可以把两座热电厂和2 0 多个热网 关键点的数据传输至中央调度室。19 9 0 年利用丹麦政府贷款，建立一座中继泵站和一个 热力站的远程监测和控制。1 9 9 7 年利用世界银行贷款，建立石景山热电厂一城区供热管 网的监控系统，采用光纤通信。至1 9 9 8 年，建成集中监控系统，可以将8 座热电厂、4 7 个热网关键点、5 个热力站的温度、压力、流量、补水量等参数瞬时传输至中央调度室。 大连热电集团所属供热部门，八十年代中期利用瑞典政府贷款，引进集中供( 换) 热 西安理工大学硕士学位论文 设备及监控系统。由于工期延误、技术培训不力等诸多原因，到投入运行时，监控系统根 本就无法正常使用，造成巨大浪费。现在大连热电集团所属供热部门的供( 换) 热设备， 基本上处于供暖单纯管理阶段的状态，调度靠一部电话或对讲机( 有的热力站使用对讲机) 接收信息、发布指令、更为严重的是有些热力站连电话或对讲机都没有，其运行效果和无 谓消耗是可想而知的，其调度的准确性、及时性是无法保证的；压力平衡、水力平衡、能 量平衡、全局控制等更是无从谈起。加之热用户在热网中的无序增加，更加剧了热网的平 衡负担。监控系统对这样的热网尤为重要。像这样的投资与建设不仅此一家，在此就不赘 述。 总而言之，当前我国集中供热热网的监测系统的有无，对于一个供热单城市供热热网 在线监测系统的分析位来说是有天壤之别的，也只有很好的监测与管理才能最终达到提高 经济效益的目的。 1 2 2 在线监测技术在城市供热管网应用的国外进展 国外的集中供热发展基本上与我国的发展相似。但起步要比我国早，大致亦分为四个 阶段：单纯管理阶段一基础建设阶段一综合发展阶段一自动化控制阶段。同我国一样，国 外也是在综合发展阶段开始投入实时监测系统的建设，人工调整配合，最后发展到远程控 制、无人值守热力站、实现自动化控制【9 】。 目前，国外集中供热发展较快的国家( 如北欧诸国，特别是瑞典、冰岛等国) ，在实 时监测系统的设计、施工、安装以及设备质量、技术含量，还有设备安装环境等方面都要 比我国现有水平高。就瑞典集中供热现状从侧面了解一下先进的实时监测系统的技术水 平。在基础建设时要长远规划；在热源厂选址时，充分考虑热源在规定范围内的热用户统 计及热源分配；在敷设管道时，为通讯、数据采集线路( 多数为光缆，少数为电话线) 预 留通道；在热力站建设时，直接与城市规划部门、电业、电信、自来水供应等部门取得联 系，合理安排管网、预留接口等工作同时进行；实时监测系统的设备选型、安装在热网投 入运行之前应结束工作【l 们。整个热网投入运行之后，应是一个完整的系统，而不搞重复 调试，避免人力、财力的浪费。 资料表明，瑞典集中供热的热损失比我国少4 0 6 0 。当然，这中间不排除设备质 量、安装工艺、人员素质等方面的原因。但主要还是热网运行中，热源分配、参数调整、 工况变化、调温曲线控制等方面缺乏控制造成的。如果有了实时监测系统，就可以把热源 厂和热网关键点、热力站的温度、压力、流量、补水量等参数实时传输至中央调度室，调 度人员可随时观察各点参数，了解当前和历史的参数，实现全网的统一调配，协调工作的 状态，及时调整运行工况达到最合理的水平，这仅仅是第一步【1 1 l 。远程控制设备更体现 出热网全局控制、调整的优越性。比如，在用户线上发生问题，中央调度室的调度人员可 以通过参数变化，迅速判断故障点，隔离管线，组织抢修部门迅速抢修，恢复生产。 1 3 供热管网在线监测现状及存在问题 1 3 1 供热管网在线监测现状 6 前言 城市集中供热规模的逐年扩大，对供热管理水平的要求也逐年提高。以计算机技术和 通讯技术为主的供热监测和管理系统在供热系统中得到了越来越多的应用，集中供热热网 监测系统的设立，为热网调度和运行工作人员提供了快捷、准确的参数，使运行中发生异 常或事故能够准确判断地点和原因，对安全经济运行、提高二次能源综合利用、降低发电 成本有着深远的意义。城市供热网络从网络结构上主要分为一次水直接供热和二次水间接 供热；从热源上分为电厂蒸汽和锅炉高温热水两种方式，目前大量采用二次水间接供热， 目前作为二次水间接供热方式核心的换热站控制与管理既存在较原始的操作人员在现场 操作手动开放的方式，也有较为先进的全部采用自动控制，站内无人值守，所有换热站统 一集中远程监控的方式。 1 3 2 供热管网在线监测存在的问题 为了实现集中供热管网设施的高效管理，g i s 作为一项新的信息技术在供热行业中被 积极倡导。一些城市相继建立了自己的热网在线监测系统，但目前的应用绝大部分仅仅停 留在设施管理和可视化显示的基础上，对于行业迫切需要的水力计算、压力分析、优化调 度等却很少有人涉足，这主要是由于技术难度和技术复杂程度造成的。目前g i s 技术在 供热行业中的运用主要存在以下几个问题【l2 j ： 1 、运用力度不够，目前只有少数城市采用了g i s 这种先进的信息管理软件，而大多 数的城市供热企业还是采用传统低效的管理手段。 2 、运用深度不够，现阶段多数城市对于g i s 的应用往往只有少数的几个简单的显示 或模拟功能，即没有体现出g i s 的强大实时监测功能，也没有包含行业迫切需要的预警 功能。 3 、运用范围太窄，到目前为止只有少数大城市意识到g i s 的强大功能，而多数城市 的市政管理部门、规划部门和能源部门还没有行动的迹象，而且未意识到g i s 系统在这 些部门的综合运用将会创造出极大的经济价值。 1 4 课题来源、研究目的和内容 1 4 1 课题的来源 本文以我校实际科研项目“陕西省府谷县集中供热自动化系统设计”为支撑，进行了 基于s u p e r m a pg i s 平台的城市集中供热管网的在线监测研究。 府谷地处我国“三北”地区节能示范区，供热面积可达5 5 万m 2 ，一期工程全部建成 后可实现供热面积1 8 0 万m 2 。府谷县供热工程对供热管网流量监测、管道压力监测以及 阀门、水泵等设备控制的方式和手段仍然以人工定期定点巡检和抄录为主。管网的实时流 量和压力数据是检测和判定管网效率的关键指标。不能准确了解管网的实时流量和压力数 据，就无法进行管网的经济运行，更无法实现水量的优化配置；缺少有效的安全监测手段， 难以发现设备的安全隐患，其将严重威胁着管网的安全运行。0 9 年1 2 月供热管网突发爆 管，无法确定损坏地点，导致整个管网瘫痪半月之久，直接损失达6 0 0 多万元。府谷县供 热工程现行测流全靠传统的目测和人工报送方式，无法满足0 。5 小时测流一次的最低要 西安理工大学硕士学位论文 求，其不但影响供热管网输配水系统的优化调度决策，对有效地利热能资源，实现节约能 源的长远目标更是一个基础性的阻碍。 1 4 2 课题研究目的 城市集中供热管网系统是一个庞大而复杂的地下工程，随着社会经济的发展，城市供 热管网系统也日益壮大完善，运行中的系统状态具有时变性，加之结构的复杂性，很多参 数和状态变量是未确知的，整个管网工况表现出强烈的动态、随机、不确知特性。同时， 供热管网是地面下不可视的实体，而且管网形成年代长、设施数量大、覆盖面广，如果无 法获得管网的准确位置，就会给地下管线的管理、维护以及远期工程的建设增加困难，加 之地面道路、建筑物的变化以及管理人员变动导致缺乏完整、准确的原始资料，可能会因 施工过程中不明确管线的位置关系，对故障发生地难以准确定位，人为地破坏其它管线， 从而为城市正常生产和居民的正常生活埋下不安全的隐患。 因此本课题进行了基于g i s 的城市供热管网优化调度研究，利用g i s 技术特有的可 视化和空间分析功能，把各种属性信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起，为 日常供热管网管理工作提给了技术支持。本课题研究的目的如下： ( 1 ) 提高供热单位的管理水平和经济效益 通过建设使用供热工程在线监测系统，不但可以提高供热单位的科学管理水平，提高 常规设备性能、使用寿命和效率，而且为供热单位降低网损、线损的技术方案提供及时有 效的数据平台，避免或减少配网事故。 ( 2 ) 提高故障反应速度，减少不必要的能源浪费 通过使用供热工程在线监测系统，可以实现自动分析管网数据，预知和避免故障的发 生。当故障发生时，系统会及时的自动报警，避免资源的白白流失。 ( 3 ) 工作效率上得到极大地提高 府谷县城市集中供热在线监测信息管理系统可实现定时和不定时反馈监测仪表的工 作信号和监测数据并保证信号和数据的准确、可靠。给数据分析提供了基础。这是手工抄 送无法实现的。手工抄收不仅周期长，而且抄收时一致性和准确性较差( 人工抄录经常会 出现笔误) ，不能确保每次都能给数据分析提供可靠、准确的基础数据。 ( 4 ) 在数据分析方面可以达到一个崭新的水平 府谷县城市集中供热在线监测信息管理系统可每小时自动计算输入输出管网的损耗 率，及时发现和排除故障，可最大限度减少因故障造成的损失。它的市场应用，将能彻底 解决人工抄收巡检时，工作效率低、人力物力消耗量大、考核滞后等弊病。 1 4 3 研究的内容 构建城市供热管网在线监测系统应充分利用g i s 提供的多源地理信息一体化管理能 力、空间查询、分析和辅助决策能力，重视城市热网数据特点，紧密结合管网管理的工作 实际，一个运用g i s 技术建立的城市埋地供热管线在线监测系统，不仅能提供规划、决 策所需要的管网图形( 某段管网的专题图，反映各段管网空间关系的综合空间图，管网的 前言 纵、横剖面图等) 、报表，而且具备分析功能( 计算图上热网长度、比较热网容量