管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)

【摘要】提出理論依據(jù)和計(jì)算方法，詳細(xì)分析軟件的各模塊功能及設(shè)計(jì)流程，按照供水系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)思路，采用高級(jí)編程語言來開發(fā)并進(jìn)行模塊化處理，管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)使設(shè)計(jì)工作變得方便、高效。

【關(guān)鍵詞】疊壓供水;水泵選型;曲線擬合;軟件開發(fā)

引言

管網(wǎng)疊壓供水技術(shù)充分利用城市管網(wǎng)的剩余壓力，取消了水池和高位水箱，從而降低能耗、減少水質(zhì)二次污染、衛(wèi)生、環(huán)保。盡管其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但如果設(shè)計(jì)及應(yīng)用不合理就可能造成供水壓力不穩(wěn)定、耗電量大、影響周圍用戶水壓、水泵效率低下等很多問題，疊壓供水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，可以盡可能地減少投資、節(jié)約能源消耗、降低運(yùn)行成本，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)和居民生活具有十分重要的影響，因此疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)具有較大現(xiàn)實(shí)意義。

1.開發(fā)思想和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件依據(jù)供水系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)思路，以VB 6.0為開發(fā)工具完成軟件編寫，以SQL Server 2000建立水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。VB 6.0是目前應(yīng)用比較廣泛的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，可視化編程，易于上手。SQL Server 2000為企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，其能匯集各種信息以供檢索、存儲(chǔ)和查詢;數(shù)據(jù)內(nèi)容的訪問、管理以及更新非常方便[1]。軟件在人機(jī)界面的引導(dǎo)下以交互的方式進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)過程中需要輸入數(shù)據(jù)的地方會(huì)給出默認(rèn)值或智能提示，以此提高設(shè)計(jì)工作的效率及精確度。

2.軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)疊壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)，軟件功能分四個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，分別為：參數(shù)計(jì)算、水泵選型、工況校核、水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。軟件的各部分之間既互相聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，互相支撐完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

1）參數(shù)計(jì)算

包括：設(shè)計(jì)秒流量、水頭損失和揚(yáng)程的計(jì)算。將用水人數(shù)、給水當(dāng)量數(shù)等基本參數(shù)填入指定位置（參數(shù)不確定時(shí)可參考默認(rèn)值），按照GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2009年版）中的相關(guān)公式和估算值進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

2）水泵選型

包括：水泵初選方案、水泵特性曲線擬合兩項(xiàng)。水泵初選方案是根據(jù)參數(shù)計(jì)算部分得出的數(shù)據(jù)，按水泵選型原則從水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中選出若干種型號(hào)的水泵備選。

水泵特性曲線擬合的方法是以最小二乘法擬合出水泵特性曲線方程的系數(shù)，再根據(jù)特性曲線方程繪制波形，以此了解初選方案中水泵的工作性能，使水泵選型更加方便、直觀。

3）工況校核

包括：管路水頭損失復(fù)核、系統(tǒng)工況校核兩項(xiàng)。初步設(shè)計(jì)時(shí)供水系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)或某些參數(shù)沒有精確量化，只能采用估算方式得出管路的水頭損失。在管路系統(tǒng)最終確定后，可以對(duì)管路水頭損失進(jìn)行復(fù)核，從而得出準(zhǔn)確的沿程水頭損失和局部水頭損失。

先確定水泵的工作區(qū)域，然后采用數(shù)解法對(duì)水泵選型部分給出的備選方案進(jìn)行校核，并給出計(jì)算結(jié)果及相關(guān)提示，幫助判斷水泵選型方案對(duì)于系統(tǒng)的適合程度。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4）水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫

該庫用于匯集目前國內(nèi)外不同品牌的各種類型水泵（以離心泵為主）的產(chǎn)品資料和參數(shù)，數(shù)據(jù)庫中將設(shè)置生產(chǎn)廠家、水泵型號(hào)、額定流量、額定揚(yáng)程、軸功率、效率、配用電機(jī)、轉(zhuǎn)速、尺寸、重量和備注等字段。水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的詳實(shí)和完善程度對(duì)水泵選型合理性有很大影響，使用前要對(duì)數(shù)據(jù)庫要進(jìn)行基礎(chǔ)輸入，以后要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期補(bǔ)充和維護(hù)。軟件部分設(shè)計(jì)查找、添加、修改和刪除四個(gè)選項(xiàng)，分別用以完成水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)的相應(yīng)操作功能。

3.軟件設(shè)計(jì)流程

按照疊壓供水系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)過程和方法來完成軟件設(shè)計(jì)流程，其四個(gè)部分在主菜單的控制下，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)流程依次進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

4.理論依據(jù)和計(jì)算方法

4.1 水泵的選型原則

根據(jù)人工選泵經(jīng)驗(yàn)將水泵選型的原則歸結(jié)如下，據(jù)其從水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中選出若干種符合要求的水泵型號(hào)作為初選方案。1）為使水泵工作在高效率區(qū)域，應(yīng)選擇效率較高的泵型;2）同一個(gè)加壓區(qū)，為滿足不同時(shí)段管網(wǎng)流量的變化，一般采用2-3臺(tái)水泵并聯(lián)工作，其中哪臺(tái)變頻工作（其余工頻工作）、哪臺(tái)停止或啟動(dòng)，是由管網(wǎng)壓力和控制程序確定的;3）選型時(shí)應(yīng)留有一定裕量。一般取設(shè)計(jì)秒流量的1.1-1.15倍，設(shè)計(jì)揚(yáng)程的1.05-1.1倍;4）若在大部分工況下，水泵的運(yùn)行均超出高效區(qū)域或變頻泵的調(diào)速率低于75%，應(yīng)考慮更換泵型[2]。

4.2 水泵特性曲線的擬合方法

最小二乘法是通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，能簡便地求得與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差最小的數(shù)據(jù)，因此可利用其來擬合水泵特性曲線。基本原理如下[3]：

對(duì)給定數(shù)據(jù)，在取定的函數(shù)類時(shí)，誤差（i=0，1，…，m）的平方和最小，即：

（1）

為所有次數(shù)不超過的函數(shù)類（多項(xiàng)式構(gòu)成），現(xiàn)求，使得：

（2）

顯然地的多元函數(shù)，因此上述問題就是求極值的問題。由多元函數(shù)求極值的必要條件，得：

（3）

合并、移項(xiàng)得：

（4）

上式是關(guān)于的線性方程組，用矩陣形式表示為：

（5）

式（4）、（5）式稱為法方程組。

方程組（5）的系數(shù)矩陣是一個(gè)存在唯一解的對(duì)稱正定矩陣?？梢越獬觯╧=0，1，…，n），從而可得出多項(xiàng)式：

（6）

采用最小二乘法對(duì)水泵的特性曲線進(jìn)行擬合，首先要確定擬合多項(xiàng)式的次數(shù)n，擬合水泵Q-H特性曲線方程時(shí)n取2為宜，形式如下：

（7）

選取水泵產(chǎn)品手冊(cè)中給出的性能表中數(shù)據(jù)（m+1）組（0，1，…，m），以水泵Q-H特性曲線方程為例，其法方程組的矩陣形式為：

（8）

代入數(shù)據(jù)，可用克萊姆法則求解矩陣方程，解出系數(shù)。

4.3 水泵高效率運(yùn)行區(qū)域的確定

如圖2所示，A0～B0是水泵在額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)所對(duì)應(yīng)的高效區(qū)域。再求出水泵調(diào)速后的特性曲線，就可以確定其在工作點(diǎn)的效率。當(dāng)系統(tǒng)變頻運(yùn)行時(shí)，水泵參數(shù)滿足水泵相似定律，如式（9）所示：

（9）

由式（9）可得：

即H=kQ2，因此有等效拋物線方程H=KBQ2（其中）;同樣，有等效拋物線方程H=KAQ2（其中

）。變頻泵的調(diào)速范圍取0.75～1，則有：

同理可得QB1=0.75QB0;HB1=0.56HB0。由此，圖2中陰影部分（A0B0B1A1所圍成的區(qū)域）就是水泵的高效運(yùn)行區(qū)域[4]。

圖2 水泵運(yùn)行的高效率區(qū)域

初步確定水泵參數(shù)與型號(hào)后，采用最小二乘法擬合水泵的曲線方程，將其與管路系統(tǒng)特性曲線方程聯(lián)立得出水泵的工作點(diǎn)，如果工作點(diǎn)處于水泵的高效率區(qū)域，則水泵可選。如果發(fā)現(xiàn)水泵在大部分工況下超出高效區(qū)域或水泵變頻調(diào)速比小于75%，應(yīng)更換泵型，這樣才能真正達(dá)到節(jié)能效果[5]。

5.結(jié)論

首先提出了疊壓供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)思想和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并對(duì)軟件各模塊功能和設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了介紹。詳細(xì)闡述了疊壓供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的理論依據(jù)和計(jì)算方法，軟件以工程實(shí)際和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為前提，對(duì)今后的疊壓供水設(shè)計(jì)工作具有很重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊貴春，樊建軍，等.管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)水泵選型軟件開發(fā)[J].節(jié)水灌溉，2008，11：37-39.

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[5]韓楊楊.疊壓供水優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)的研究[D].南昌大學(xué)，2012.

作者簡介：韓楊楊（1981—），女，吉林長春人，工學(xué)碩士，助教，現(xiàn)供職于武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，研究方向：供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制。