【摘要】提出理論依據(jù)和計算方法，詳細分析軟件的各模塊功能及設(shè)計流程，按照供水系統(tǒng)的人工設(shè)計思路，采用高級編程語言來開發(fā)并進行模塊化處理，管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計軟件的開發(fā)使設(shè)計工作變得方便、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，但如果設(shè)計及應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，可以盡可能地減少投資、節(jié)約能源消耗、降低運行成本，對企業(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)計軟件的開發(fā)具有較大現(xiàn)實意義。

1.開發(fā)思想和實現(xiàn)技術(shù)

疊壓供水系統(tǒng)設(shè)計軟件依據(jù)供水系統(tǒng)的人工設(shè)計思路，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)級的數(shù)據(jù)管理平臺，其能匯集各種信息以供檢索、存儲和查詢;數(shù)據(jù)內(nèi)容的訪問、管理以及更新非常方便[1]。軟件在人機界面的引導下以交互的方式進行操作，設(shè)計過程中需要輸入數(shù)據(jù)的地方會給出默認值或智能提示，以此提高設(shè)計工作的效率及精確度。

2.軟件功能設(shè)計

根據(jù)疊壓供水系統(tǒng)的特點，軟件功能分四個部分實現(xiàn)，分別為：參數(shù)計算、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)系又相對獨立，互相支撐完成整個設(shè)計過程。

1）參數(shù)計算

包括：設(shè)計秒流量、水頭損失和揚程的計算。將用水人數(shù)、給水當量數(shù)等基本參數(shù)填入指定位置（參數(shù)不確定時可參考默認值），按照GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計規(guī)范（2009年版）中的相關(guān)公式和估算值進行參數(shù)計算。

2）水泵選型

包括：水泵初選方案、水泵特性曲線擬合兩項。水泵初選方案是根據(jù)參數(shù)計算部分得出的數(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：管路水頭損失復核、系統(tǒng)工況校核兩項。初步設(shè)計時供水系統(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，可以對管路水頭損失進行復核，從而得出準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)解法對水泵選型部分給出的備選方案進行校核，并給出計算結(jié)果及相關(guān)提示，幫助判斷水泵選型方案對于系統(tǒng)的適合程度。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

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、額定流量、額定揚程、軸功率、效率、配用電機、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)容的詳實和完善程度對水泵選型合理性有很大影響，使用前要對數(shù)據(jù)庫要進行基礎(chǔ)輸入，以后要對數(shù)據(jù)進行定期補充和維護。軟件部分設(shè)計查找、添加、修改和刪除四個選項，分別用以完成水泵產(chǎn)品數(shù)據(jù)的相應操作功能。

3.軟件設(shè)計流程

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

4.理論依據(jù)和計算方法

4.1 水泵的選型原則

根據(jù)人工選泵經(jīng)驗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作為初選方案。1）為使水泵工作在高效率區(qū)域，應選擇效率較高的泵型;2）同一個加壓區(qū)，為滿足不同時段管網(wǎng)流量的變化，一般采用2-3臺水泵并聯(lián)工作，其中哪臺變頻工作（其余工頻工作）、哪臺停止或啟動，是由管網(wǎng)壓力和控制程序確定的;3）選型時應留有一定裕量。一般取設(shè)計秒流量的1.1-1.15倍，設(shè)計揚程的1.05-1.1倍;4）若在大部分工況下，水泵的運行均超出高效區(qū)域或變頻泵的調(diào)速率低于75%，應考慮更換泵型[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?；驹砣缦耓3]：

對給定數(shù)據(jù)，在取定的函數(shù)類時，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)矩陣是一個存在唯一解的對稱正定矩陣?？梢越獬觯╧=0，1，…，n），從而可得出多項式：

（6）

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

（7）

選取水泵產(chǎn)品手冊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時所對應的高效區(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的效率。當系統(tǒng)變頻運行時，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）就是水泵的高效運行區(qū)域[4]。

圖2 水泵運行的高效率區(qū)域

初步確定水泵參數(shù)與型號后，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，如果工作點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%，應更換泵型，這樣才能真正達到節(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)計軟件的開發(fā)思想和實現(xiàn)技術(shù)，并對軟件各模塊功能和設(shè)計流程進行了介紹。詳細闡述了疊壓供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件的理論依據(jù)和計算方法，軟件以工程實際和設(shè)計經(jīng)驗為前提，對今后的疊壓供水設(shè)計工作具有很重要的現(xiàn)實指導意義。

參考文獻

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

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