經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下如何優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)與選型

梁學(xué)和

（重慶同望水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 401120）

經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下如何優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)與選型

梁學(xué)和

（重慶同望水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 401120）

在整個(gè)泵站運(yùn)行當(dāng)中，大部分的電量都被水泵消耗了。因此水泵的型號(hào)選擇得是否合理，對(duì)于整個(gè)泵站的資本投入都有很大的影響。在現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)新廠態(tài)下，經(jīng)濟(jì)上要轉(zhuǎn)型，優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)與選型的方法也要與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。

經(jīng)濟(jì)新常態(tài)；優(yōu)化；水泵設(shè)計(jì)；選型

前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的經(jīng)濟(jì)到了一個(gè)新的階段，也就是轉(zhuǎn)型進(jìn)入經(jīng)濟(jì)新常態(tài)。經(jīng)濟(jì)性常態(tài)，也就是經(jīng)濟(jì)更加地良性發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，如何優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)與選型，從可持續(xù)發(fā)展的角度進(jìn)行進(jìn)步，是一個(gè)很值得思考的問題。

1 水泵優(yōu)化的原則

1.1 水泵優(yōu)化原則跟關(guān)鍵因素

泵站中功能的實(shí)現(xiàn)，水泵是其中最為重要的一環(huán)。因此，水泵能否進(jìn)行良好地運(yùn)轉(zhuǎn)，是泵站功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。對(duì)于水泵的選擇，一般遵循以下的原則：①水泵的選擇能夠滿足泵站進(jìn)行排水或者提水的需求。②選擇的水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)能夠長期高效進(jìn)行，以便于管理過程中經(jīng)濟(jì)投入能夠減少。③對(duì)于水泵的選擇，應(yīng)當(dāng)考慮最優(yōu)經(jīng)濟(jì)投入。在水泵數(shù)量以及種類型的選擇上，最好能夠體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)性。④水泵的日常工作過程中，要方便管理人員進(jìn)行相應(yīng)地管理與維護(hù)。⑤對(duì)于分級(jí)進(jìn)行提水的水泵站，對(duì)于上級(jí)的水泵以及下級(jí)的水泵，其抽取的水量應(yīng)當(dāng)是能夠相互適應(yīng)的，流量的多少要配合得當(dāng)，不能出現(xiàn)水的流量不相配的情況。

影響水泵選型的主要因素有：①水泵臺(tái)數(shù)。在泵站的設(shè)計(jì)流量一定的前提下，水泵數(shù)量越多，單泵設(shè)計(jì)流量越小，供水的保障系數(shù)越高，反之，水泵的數(shù)量越少，單體水泵的流量就越大，供水的保障系數(shù)就越低；②水泵種類。葉片泵是較常用的水泵類型，這種水泵又可分為軸流泵、混流泵和離心泵3種，其中，離心泵適用于高揚(yáng)程的泵站，軸流泵和混流泵一般用于低揚(yáng)程的泵站；③水泵裝置。在水泵的裝置形式中，對(duì)水泵的造型有較大影響的，主要為低揚(yáng)程的裝置形式。目前，低揚(yáng)程類水泵主要有臥式、斜式和立式3種[3]。

1.2 水泵選型常用方法

一般來講，水泵的造型，主要依據(jù)泵站的凈揚(yáng)程需要，綜合考慮泵站局部和沿程的損失后，對(duì)需要的揚(yáng)程進(jìn)行確定，再按照泵站的設(shè)計(jì)流量、所需揚(yáng)程來選取符合要求的水泵。這種方法在等流量基礎(chǔ)上通過加大揚(yáng)程來確定水泵選型，其缺點(diǎn)是沒有考慮到水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的效率。運(yùn)用這種方法進(jìn)行水泵造型時(shí)，水泵實(shí)際的運(yùn)行區(qū)間與消耗高效區(qū)有所偏離，尤其是軸流水泵，這種偏離數(shù)值較大，其帶來的后果是導(dǎo)致泵站的工作效率降低，惡化了汽蝕性能；在高揚(yáng)程泵站中，因水力管路損失較小，偏離值不大，再加上高揚(yáng)程水泵高效區(qū)幅值較寬，運(yùn)用這種方法較為適宜。在離心泵的選型中，同時(shí)運(yùn)用加大流量和揚(yáng)程方法更符合工程實(shí)際需要。另外常用的選型方法還有：①按照設(shè)計(jì)年的揚(yáng)程和流量選泵；②按中等年份的流量揚(yáng)程選泵[2]；③按設(shè)計(jì)流量和節(jié)能要求選型等方法，但以上方法均存在較大的局限性，計(jì)算精度較低，靈活性較差。

2 水泵選型的新方法

2.1 函數(shù)方法

（1）對(duì)于泵站的主要技術(shù)特征，往往用的衡量方法是前期工程進(jìn)行建設(shè)的時(shí)候所投入的資金，以及在建設(shè)完成后為了運(yùn)行正常所投入的費(fèi)用。這其中涉及到了每年的費(fèi)用支出以及用水的成本等。所以在優(yōu)化問題的時(shí)候，可以把每年的費(fèi)用或者水費(fèi)的原材料價(jià)作為最小的目標(biāo)函數(shù)。但在實(shí)際操作中，這些并不是能夠輕易算出來的，因?yàn)樵诮ㄔO(shè)的初期，強(qiáng)行進(jìn)行計(jì)算是不太現(xiàn)實(shí)的，有可能中途會(huì)出現(xiàn)各種問題。而作出的一個(gè)解決辦法就是可以把裝機(jī)容量最小來作為目標(biāo)函數(shù)，所以在一開始的設(shè)計(jì)中，把裝機(jī)容量作為目標(biāo)函數(shù)是比較普遍的，其目標(biāo)函數(shù)可用下式表示：

minN=800x1+3000x2+5000x

（2）約束條件

①實(shí)際情況中，水泵的數(shù)量不可能為零，若是為零，則表示并不會(huì)選擇這種水泵，而且水泵只能為正數(shù)或者為零，負(fù)數(shù)是不會(huì)出現(xiàn)的，因此水泵的約束條件中的參數(shù)都只能是大于或者等于零。

②有可能會(huì)出現(xiàn)水泵的數(shù)量并不是正數(shù)的情況，也就是會(huì)出現(xiàn)小數(shù)，但是這種情況在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中也不可能出現(xiàn)，所以選擇的參數(shù)也不可以出現(xiàn)小數(shù)的形式，必須要是非負(fù)整數(shù)。

③根據(jù)泵站必須滿足設(shè)計(jì)流量的要求還可以得出8x1+30x2+60x3=150的等式約束條件。但是，對(duì)于跨越不同區(qū)域的調(diào)水，或者灌溉用的多級(jí)提水泵站，水的流量可以出現(xiàn)細(xì)微的不同。水的流量太大或者太小，都不會(huì)滿足生產(chǎn)生活的需要，還會(huì)造成浪費(fèi)的情況發(fā)生。

（3）用非整數(shù)約束求解線性規(guī)劃問題不考慮約束條件。這當(dāng)然就是一般的線性規(guī)劃問題，可以用單純形法求出最優(yōu)解。

2.2 軟件計(jì)算

優(yōu)化選型軟件：

此類軟件常用的有離心泵選型軟件，此軟件的原理和泵站工程為綜合性的系統(tǒng)工程，包括傳動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)、水泵機(jī)組、輸水管道、進(jìn)出水池等。為了能夠使得系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，運(yùn)行情況能夠最佳，需要綜合來進(jìn)行考慮，不能夠放棄把握主體。在軟件設(shè)計(jì)中，可以將泵站結(jié)構(gòu)工程作為整體的有機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。把泵站抽水系統(tǒng)作為研究的對(duì)象，綜合考慮到進(jìn)出水池效率、管路效率、機(jī)組效率、傳動(dòng)設(shè)備效率、電動(dòng)機(jī)效率等各方面因素對(duì)系統(tǒng)的影響，將泵站供水系統(tǒng)的最高效率作為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的優(yōu)化造型，達(dá)到節(jié)約能耗和提高效率的目的。水泵優(yōu)化選型中水泵臺(tái)數(shù)的確定與一般的優(yōu)化問題有明顯區(qū)別，即水泵臺(tái)數(shù)必須是正整數(shù)，故本軟件采用了整數(shù)規(guī)劃中的分枝定界法作為計(jì)算方法，分枝定界法是一種隱枚舉法或部分枚舉法。即在符合條件的所有整數(shù)解找到目標(biāo)函數(shù)的最小值和最大值。離心泵造型軟件主要有2個(gè)模型，即：功率最小模型和效率最高模型，每個(gè)模型中，都包括3個(gè)模塊，即：優(yōu)化選型評(píng)價(jià)模塊、選型結(jié)果及參數(shù)查詢模塊和參數(shù)設(shè)置模塊。

2.2.1 軟件系統(tǒng)開發(fā)語言及數(shù)據(jù)庫

選用Visual Basic 6.0作為開發(fā)語言。軟件以目前市場上常見的離心泵種類為基礎(chǔ)建立離泵數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中，收錄了單級(jí)單吸離心泵、雙吸離心泵及立式離心泵3種北方地區(qū)比較常用的離心泵，數(shù)據(jù)庫中共包括805種不同型號(hào)的離心泵，2149組離心泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：水泵型號(hào)、揚(yáng)程H、流量Q、轉(zhuǎn)速n、軸功率P1、配套功率P0、效率E、汽蝕余量NPSH、允許吸上真空高度hs、葉輪外徑D2。為離心泵優(yōu)化選型提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.2 離心泵優(yōu)化選型軟件功能

（1）選型參數(shù)設(shè)置模塊。該系統(tǒng)在滿足泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程的前提下，以最大、最小流量為約束條件，從數(shù)據(jù)庫中初步選取合適的泵型，然后綜合考慮管徑、管材、出水管道傾斜角、管路阻力系數(shù)等因素的影響，設(shè)置參數(shù)變量循環(huán)，從初選水泵中選取系統(tǒng)效率最高的水泵。

（2）選型結(jié)果顯示模塊。該模塊主要包括選型結(jié)果參數(shù)查詢窗體和性能曲線顯示窗體，系統(tǒng)不但可以顯示所選水泵的型號(hào)和臺(tái)數(shù)，而且可以顯示水泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和性能曲線，其中性能曲線以水泵廠家提供的3組設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，另外再取2個(gè)特殊點(diǎn)，通過最小二乘法進(jìn)行3次曲線擬合，得出所選水泵的性能曲線，即顯示水泵的設(shè)計(jì)高效區(qū)范圍。

（3）選型結(jié)果評(píng)價(jià)模塊。該模塊以國家規(guī)定（離心泵泵站的系統(tǒng)效率應(yīng)不低于54.4％）為標(biāo)準(zhǔn)，判斷泵站系統(tǒng)的運(yùn)行效率是否滿足規(guī)范要求，同時(shí)以水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，判斷水泵是否在高效區(qū)運(yùn)行。

（4）該軟件還具有存儲(chǔ)和打印功能，即可以將所選水泵的型號(hào)、主要參數(shù)及性能曲線進(jìn)行專門存儲(chǔ)，也可以直接打印出來，以方便工程設(shè)計(jì)者或工程運(yùn)行管理人員使用。

3 結(jié)語

唯有與時(shí)俱進(jìn)，在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下發(fā)揮好進(jìn)取精神，才能夠優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)跟選型，達(dá)到合理經(jīng)濟(jì)的目的。

[1]蔣任飛，白丹，唐蓮，劉振中.遺傳算法在水泵優(yōu)化選型中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2003（10）.

[2]丁凱，李紀(jì)偉，柳兵，孫東玲，馮林平.基于流量分析的住宅類水泵優(yōu)化選型研究[J].給水排水，2014（07）.

[3]汪安南，丘傳忻.水泵優(yōu)化選型的整數(shù)規(guī)劃法[J].中國農(nóng)村農(nóng)田水利與小水電，1991（12）.

[4]白詠梅，葉曉紅.淺議水泵優(yōu)化選型的整數(shù)規(guī)劃法[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010（01）.

[5]譚 旭，尹華英.淺談水泵優(yōu)化選型軟件開發(fā)[J].科技信息，2012（26）.

TV675

A

1004-7344（2016）23-0130-02

2016-7-27

梁學(xué)和（1985-），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事水文水資源、水力機(jī)械設(shè)計(jì)方面工作。