管網疊壓供水系統設計軟件的開發

【摘要】提出理論依據和計算方法，詳細分析軟件的各模塊功能及設計流程，按照供水系統的人工設計思路，采用高級編程語言來開發并進行模塊化處理，管網疊壓供水系統設計軟件的開發使設計工作變得方便、高效。

【關鍵詞】疊壓供水;水泵選型;曲線擬合;軟件開發

引言

管網疊壓供水技術充分利用城市管網的剩余壓力，取消了水池和高位水箱，從而降低能耗、減少水質二次污染、衛生、環保。盡管其具有諸多優點，但如果設計及應用不合理就可能造成供水壓力不穩定、耗電量大、影響周圍用戶水壓、水泵效率低下等很多問題，疊壓供水系統的合理設計，可以盡可能地減少投資、節約能源消耗、降低運行成本，對企業生產和居民生活具有十分重要的影響，因此疊壓供水系統設計軟件的開發具有較大現實意義。

1.開發思想和實現技術

疊壓供水系統設計軟件依據供水系統的人工設計思路，以VB 6.0為開發工具完成軟件編寫，以SQL Server 2000建立水泵產品數據庫。VB 6.0是目前應用比較廣泛的面向對象的開發工具，可視化編程，易于上手。SQL Server 2000為企業級的數據管理平臺，其能匯集各種信息以供檢索、存儲和查詢;數據內容的訪問、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，設計過程中需要輸入數據的地方會給出默認值或智能提示，以此提高設計工作的效率及精確度。

2.軟件功能設計

根據疊壓供水系統的特點，軟件功能分四個部分實現，分別為：參數計算、水泵選型、工況校核、水泵產品數據庫。軟件的各部分之間既互相聯系又相對獨立，互相支撐完成整個設計過程。

1）參數計算

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

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參數計算部分得出的數據，按水泵選型原則從水泵產品數據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，再根據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、系統工況校核兩項。初步設計時供水系統的管路結構或某些參數沒有精確量化，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域，然后采用數解法對水泵選型部分給出的備選方案進行校核，并給出計算結果及相關提示，幫助判斷水泵選型方案對于系統的適合程度。

圖1 軟件設計流程圖

4）水泵產品數據庫

該庫用于匯集目前國內外不同品牌的各種類型水泵（以離心泵為主）的產品資料和參數，數據庫中將設置生產廠家、水泵型號、額定流量、額定揚程、軸功率、效率、配用電機、轉速、尺寸、重量和備注等字段。水泵產品數據庫內容的詳實和完善程度對水泵選型合理性有很大影響，使用前要對數據庫要進行基礎輸入，以后要對數據進行定期補充和維護。軟件部分設計查找、添加、修改和刪除四個選項，分別用以完成水泵產品數據的相應操作功能。

3.軟件設計流程

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

4.理論依據和計算方法

4.1 水泵的選型原則

根據人工選泵經驗將水泵選型的原則歸結如下，據其從水泵產品數據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域，應選擇效率較高的泵型;2）同一個加壓區，為滿足不同時段管網流量的變化，一般采用2-3臺水泵并聯工作，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。一般取設計秒流量的1.1-1.15倍，設計揚程的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域或變頻泵的調速率低于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據的最佳函數匹配，能簡便地求得與實際數據之間誤差最小的數據，因此可利用其來擬合水泵特性曲線?；驹砣缦耓3]：

對給定數據，在取定的函數類時，誤差（i=0，1，…，m）的平方和最小，即：

（1）

為所有次數不超過的函數類（多項式構成），現求，使得：

（2）

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

（3）

合并、移項得：

（4）

上式是關于的線性方程組，用矩陣形式表示為：

（5）

式（4）、（5）式稱為法方程組。

方程組（5）的系數矩陣是一個存在唯一解的對稱正定矩陣。可以解出（k=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）

選取水泵產品手冊中給出的性能表中數據（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）

代入數據，可用克萊姆法則求解矩陣方程，解出系數。

4.3 水泵高效率運行區域的確定

如圖2所示，A0～B0是水泵在額定轉速n0時所對應的高效區域。再求出水泵調速后的特性曲線，就可以確定其在工作點的效率。當系統變頻運行時，水泵參數滿足水泵相似定律，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所圍成的區域）就是水泵的高效運行區域[4]。

圖2 水泵運行的高效率區域

初步確定水泵參數與型號后，采用最小二乘法擬合水泵的曲線方程，將其與管路系統特性曲線方程聯立得出水泵的工作點，如果工作點處于水泵的高效率區域，則水泵可選。如果發現水泵在大部分工況下超出高效區域或水泵變頻調速比小于75%，應更換泵型，這樣才能真正達到節能效果[5]。

5.結論

首先提出了疊壓供水系統優化設計軟件的開發思想和實現技術，并對軟件各模塊功能和設計流程進行了介紹。詳細闡述了疊壓供水系統優化設計軟件的理論依據和計算方法，軟件以工程實際和設計經驗為前提，對今后的疊壓供水設計工作具有很重要的現實指導意義。

參考文獻

[1]李斌.水泵優化選型軟件設計與開發[J].水利科技與經濟，2009，15（6）：548-549.

[2]張景成，張立秋.水泵與水泵站[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

[3]楊貴春，樊建軍，等.管網疊壓供水系統水泵選型軟件開發[J].節水灌溉，2008，11：37-39.

[4]水浩然.管網疊壓（無負壓）給水設備增壓水泵的選用與核算方法[J].給水排水，2007，33（6）：94-97.

[5]韓楊楊.疊壓供水優化設計軟件及控制系統的研究[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，現供職于武夷學院機電工程學院，研究方向：供水系統的設計與控制。