基于PDMS的供暖系統水力計算軟件開發及應用

王世軍，張宏宇

(內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

目前，在利用PDMS三維設計軟件自身功能進行供暖管道設計時，主要用于供暖系統的設備管道模型布置設計和檢查碰撞，不能夠進行管系水力計算。通常在PDMS平臺之外進行水力計算工作，再根據計算結果手動修改調整模型。供暖系統管系錯綜復雜，若使三維模型與水力計算結果相一致，需要設計人員進行大量的手動重復修改模型工作，總體設計效率較低，且不能很好地保證最終模型的準確度和精細度。因此，有必要在PDMS平臺上進行二次開發，使其可以實現水力計算功能，并自動調整模型，以提高工作效率和設計成果的精確度。

1 軟件主要功能及框架

軟件采用PDMS的PML(Programmable Macro Language)用戶開發語言編寫。該語言內置函數豐富，開發便捷，與PDMS無縫對接。開發軟件主要功能需求：能夠自動識別供暖管路系統模型并糾正連接錯誤；根據設定參數進行水力計算，并同步調整三維模型管徑；輸出水力計算書、設備材料統計報表等多種功能。

軟件總體設計流程見圖1。

圖1 軟件總體設計流程圖

2 軟件開發實現

2.1 管道模型連接檢測及糾錯

用戶選擇好初步建立的管道系統模型后，需要對管道連接信息進行檢查，只有連接信息正確且完善的情況下才能進行水力計算。對管道進行連接完整性檢查需要對管道整體進行遍歷，采用遞歸的方式進行遍歷,先遍歷主干管道，遇見分支管道則暫停對主干的遍歷，轉而遍歷分支管道，遍歷完分支管道返回繼續遍歷主管道。其它部分要對管道進行遍歷，也是采用同樣的方式和算法。遞歸算法是把問題轉化為規模縮小了的同類問題的子問題，對供暖管道整體進行遍歷可以分解為對每個分支管道進行遍歷，而一個分支管道又是一個完整的管道，所以采用遞歸算法對供暖管道進行遍歷非常合適。

2.2 整體管系水力計算

根據檢測出的供暖管系拓撲結構，按照管路系統經濟比摩阻及接口資用壓力條件，對整體管系進行水力計算，計算流程見圖2。

圖2 整體管系水力計算流程圖

具體規則如下：

(1)與散熱設備連接的管道分支的管徑，根據與之直接連接的散熱設備散熱量進行水力計算確定。計算后，對應修改管道管徑和散熱設備接口管嘴口徑。

(2)三通匯合處的管徑由對三通下游所有的散熱設備散熱量進行水力計算確定。計算后，對應修改管道管徑。

(3)管道中出現管徑變化的管段，應添加相應的變徑管件。

水力計算采用等溫降法，參照《實用供熱空調設計手冊》方法。

2.3 水力平衡計算

對散熱器管道拓撲結構整體進行水力計算后，各并聯環路(不包括公用段)壓力損失可能存在差額，規范要求相對差額不應大于15%。對于壓力損失相對差額超過規定的并聯環路，就需要進行水力平衡計算。水力平衡計算時，對與散熱設備直接連接的各分支管(基層分支)不進行改動，只依據各個基層分支的信息對各并聯環路主分支管道進行水力計算，計算采用的公式與整體水力計算一致。選擇要調整并聯環路分支，設定比摩阻限定值，使該分支與其它分支相對壓力損失差額符合規范要求。阻力水力平衡計算流程見圖3。

圖3 水力平衡計算流程圖

2.4 修改管道管徑

通過水力計算可以計算出每個散熱器設備所需要的管徑以及管道匯總后的管徑。遍歷管道，從水力計算結果中讀取管段對應的管徑，然后修改管道管徑，流程見圖4。

圖4 修改管道管徑流程圖

2.5 導出計水力算書和設備材料統計報表

將水力計算的結果輸出到表格文件中，形成水力計算書。對供暖設備和管道材料進行統計，統計結果為可編輯的Excel表格，最終可以將統計結果文件轉換為DWG格式，文件樣式應與實際工程設計中的設備明細表和零件明細表一致。

3 軟件應用

3.1 軟件使用條件及主要功能

以散熱器供暖系統水力計算為例，使用該模塊前，確保散熱器供暖系統設備和管道初步建模完成。即，管道走向及空間定位布置完成，管徑可不做限定，可以采用一種管徑或初步估算管徑；管道與散熱器連接完畢。

該模塊主要功能為：對已初步建立的散熱器供暖系統進行參數設置，包括：散熱器散熱量設置、水力計算參數設置；自動檢測系統模型并糾正連接錯誤；對所選管路系統進行水力計算并同步自動調整模型；進行分支管路水力平衡分析計算；輸出計算書。該功能模塊的界面見圖5。

圖5 軟件主要界面

3.2 初始參數設置及修改

3.2.1 散熱器散熱量設置

散熱器散熱量是單片散熱器片的散熱量，軟件提供默認值設置，也就說該供暖系統默認情況下認為所有散熱器片的散熱量都是默認值。如果該散熱器系統中存在特殊散熱器片，即散熱量不同的散熱器片，可以通過“局部修改Q值”按鈕的功能實現。

3.2.2 管系水力計算參數設置

在進行水力計算前用戶還需設置供暖系統設計供回水溫度、設計比摩阻限定值等參數。水的物理學參數在程序內置數據庫中自動選擇提取。

3.3 模型檢測及糾錯

用戶在進行水力計算前，要保證管系模型連接完整并且正確。軟件提供了模型自動檢測及糾正功能。點擊“模型檢測及糾錯”按鈕，軟件自動檢測管道連接拓撲結構，并且在模型空間中高亮顯示，自動列出缺少連接信息的管道及管件。

根據檢測出的提示信息，用戶選擇哪一條連接缺失或錯誤信息，軟件會自動定位到相應的三維模型，并且放大顯示。用戶根據缺失或錯誤連接的類型通過 “連接BRANCH”和“連接NOZZLE”來完善連接信息。檢測糾錯后的完整模型見圖6。

3.4 管道系統整體水力計算

管系經過檢測糾錯系統確保無錯誤信息后，用戶可以進行整體水力計算。點擊“管道系統整體計算”按鈕，軟件自動完成所選關系的整體水力計算并同步修改模型中各段管道(及其所含所有管件)的管徑。若供暖系統結構簡單，不需要做分支水力平衡計算的，可以直接輸出水力計算書。圖7中，各段管線管徑均已按計算結果調整。

管道口徑變化處，軟件自動增加變徑，見圖8。

圖7 水力計算調整后的管系模型

圖8 管徑變化處自動增加變徑

3.5 水力平衡計算

對于復雜管路系統，需要做分支水力平衡計算，先選擇最不利管系，設定比摩阻限定值，點擊“干管支管分開計算”。輸出計算書，分析計算分支要達到水力平衡條件所需求的阻力。根據阻力需求，設置分支管平均比摩阻限定值，選擇分支管進行水力計算，最終使其設計阻力達到要求阻力值，并輸出各系統水力計算書。

3.6 設備材料統計

進入設備材料統計模塊，該模塊主要功能為：對設計內容中所包含的供暖設備、材料進行詳細統計，包括設備材料規格型號參數、數量等，自動生成CSV格式報表，并按定制格式輸出DWG格式出圖文件。

4 結語

在PDMS三維平臺下開發專門適用于供暖系統水力計算的軟件，使供暖系統三維設計即具備合理布置、解決碰撞功能，又具備實時計算、同步修改模型功能，同時可輸出水力計算書、材料統計報表。軟件實現實時交互式信息雙向反饋功能，解決了傳統應用PDMS平臺進行供暖系統三維設計時，僅用于布置建模，無法進行設計計算，在設計中后期手動重復性修改模型的工作量龐大等問題。