管网叠压供水系统设计软件的开发

【摘要】提出理论依据和计算方法，详细分析软件的各模块功能及设计流程，按照供水系统的人工设计思路，采用高级编程语言来开发并进行模块化处理，管网叠压供水系统设计软件的开发使设计工作变得方便、高效。

【关键词】叠压供水;水泵选型;曲线拟合;软件开发

引言

管网叠压供水技术充分利用城市管网的剩余压力，取消了水池和高位水箱，从而降低能耗、减少水质二次污染、卫生、环保。尽管其具有诸多优点，但如果设计及应用不合理就可能造成供水压力不稳定、耗电量大、影响周围用户水压、水泵效率低下等很多问题，叠压供水系统的合理设计，可以尽可能地减少投资、节约能源消耗、降低运行成本，对企业生产和居民生活具有十分重要的影响，因此叠压供水系统设计软件的开发具有较大现实意义。

1.开发思想和实现技术

叠压供水系统设计软件依据供水系统的人工设计思路，以VB 6.0为开发工具完成软件编写，以SQL Server 2000建立水泵产品数据库。VB 6.0是目前应用比较广泛的面向对象的开发工具，可视化编程，易于上手。SQL Server 2000为企业级的数据管理平台，其能汇集各种信息以供检索、存储和查询;数据内容的访问、管理以及更新非常方便[1]。软件在人机界面的引导下以交互的方式进行操作，设计过程中需要输入数据的地方会给出默认值或智能提示，以此提高设计工作的效率及精确度。

2.软件功能设计

根据叠压供水系统的特点，软件功能分四个部分实现，分别为：参数计算、水泵选型、工况校核、水泵产品数据库。软件的各部分之间既互相联系又相对独立，互相支撑完成整个设计过程。

1）参数计算

包括：设计秒流量、水头损失和扬程的计算。将用水人数、给水当量数等基本参数填入指定位置（参数不确定时可参考默认值），按照GB50015-2003建筑给水排水设计规范（2009年版）中的相关公式和估算值进行参数计算。

2）水泵选型

包括：水泵初选方案、水泵特性曲线拟合两项。水泵初选方案是根据参数计算部分得出的数据，按水泵选型原则从水泵产品数据库中选出若干种型号的水泵备选。

水泵特性曲线拟合的方法是以最小二乘法拟合出水泵特性曲线方程的系数，再根据特性曲线方程绘制波形，以此了解初选方案中水泵的工作性能，使水泵选型更加方便、直观。

3）工况校核

包括：管路水头损失复核、系统工况校核两项。初步设计时供水系统的管路结构或某些参数没有精确量化，只能采用估算方式得出管路的水头损失。在管路系统最终确定后，可以对管路水头损失进行复核，从而得出准确的沿程水头损失和局部水头损失。

先确定水泵的工作区域，然后采用数解法对水泵选型部分给出的备选方案进行校核，并给出计算结果及相关提示，帮助判断水泵选型方案对于系统的适合程度。

图1 软件设计流程图

4）水泵产品数据库

该库用于汇集目前国内外不同品牌的各种类型水泵（以离心泵为主）的产品资料和参数，数据库中将设置生产厂家、水泵型号、额定流量、额定扬程、轴功率、效率、配用电机、转速、尺寸、重量和备注等字段。水泵产品数据库内容的详实和完善程度对水泵选型合理性有很大影响，使用前要对数据库要进行基础输入，以后要对数据进行定期补充和维护。软件部分设计查找、添加、修改和删除四个选项，分别用以完成水泵产品数据的相应操作功能。

3.软件设计流程

按照叠压供水系统的人工设计过程和方法来完成软件设计流程，其四个部分在主菜单的控制下，按照优化设计流程依次进行设计，其设计流程如图1所示。

4.理论依据和计算方法

4.1 水泵的选型原则

根据人工选泵经验将水泵选型的原则归结如下，据其从水泵产品数据库中选出若干种符合要求的水泵型号作为初选方案。1）为使水泵工作在高效率区域，应选择效率较高的泵型;2）同一个加压区，为满足不同时段管网流量的变化，一般采用2-3台水泵并联工作，其中哪台变频工作（其余工频工作）、哪台停止或启动，是由管网压力和控制程序确定的;3）选型时应留有一定裕量。一般取设计秒流量的1.1-1.15倍，设计扬程的1.05-1.1倍;4）若在大部分工况下，水泵的运行均超出高效区域或变频泵的调速率低于75%，应考虑更换泵型[2]。

4.2 水泵特性曲线的拟合方法

最小二乘法是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，能简便地求得与实际数据之间误差最小的数据，因此可利用其来拟合水泵特性曲线。基本原理如下[3]：

对给定数据，在取定的函数类时，误差（i=0，1，…，m）的平方和最小，即：

（1）

为所有次数不超过的函数类（多项式构成），现求，使得：

（2）

显然地的多元函数，因此上述问题就是求极值的问题。由多元函数求极值的必要条件，得：

（3）

合并、移项得：

（4）

上式是关于的线性方程组，用矩阵形式表示为：

（5）

式（4）、（5）式称为法方程组。

方程组（5）的系数矩阵是一个存在唯一解的对称正定矩阵。可以解出（k=0，1，…，n），从而可得出多项式：

（6）

采用最小二乘法对水泵的特性曲线进行拟合，首先要确定拟合多项式的次数n，拟合水泵Q-H特性曲线方程时n取2为宜，形式如下：

（7）

选取水泵产品手册中给出的性能表中数据（m+1）组（0，1，…，m），以水泵Q-H特性曲线方程为例，其法方程组的矩阵形式为：

（8）

代入数据，可用克莱姆法则求解矩阵方程，解出系数。

4.3 水泵高效率运行区域的确定

如图2所示，A0～B0是水泵在额定转速n0时所对应的高效区域。再求出水泵调速后的特性曲线，就可以确定其在工作点的效率。当系统变频运行时，水泵参数满足水泵相似定律，如式（9）所示：

（9）

由式（9）可得：

即H=kQ2，因此有等效抛物线方程H=KBQ2（其中）;同样，有等效抛物线方程H=KAQ2（其中

）。变频泵的调速范围取0.75～1，则有：

同理可得QB1=0.75QB0;HB1=0.56HB0。由此，图2中阴影部分（A0B0B1A1所围成的区域）就是水泵的高效运行区域[4]。

图2 水泵运行的高效率区域

初步确定水泵参数与型号后，采用最小二乘法拟合水泵的曲线方程，将其与管路系统特性曲线方程联立得出水泵的工作点，如果工作点处于水泵的高效率区域，则水泵可选。如果发现水泵在大部分工况下超出高效区域或水泵变频调速比小于75%，应更换泵型，这样才能真正达到节能效果[5]。

5.结论

首先提出了叠压供水系统优化设计软件的开发思想和实现技术，并对软件各模块功能和设计流程进行了介绍。详细阐述了叠压供水系统优化设计软件的理论依据和计算方法，软件以工程实际和设计经验为前提，对今后的叠压供水设计工作具有很重要的现实指导意义。

参考文献

[1]李斌.水泵优化选型软件设计与开发[J].水利科技与经济，2009，15（6）：548-549.

[2]张景成，张立秋.水泵与水泵站[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

[3]杨贵春，樊建军，等.管网叠压供水系统水泵选型软件开发[J].节水灌溉，2008，11：37-39.

[4]水浩然.管网叠压（无负压）给水设备增压水泵的选用与核算方法[J].给水排水，2007，33（6）：94-97.

[5]韩杨杨.叠压供水优化设计软件及控制系统的研究[D].南昌大学，2012.

作者简介：韩杨杨（1981—），女，吉林长春人，工学硕士，助教，现供职于武夷学院机电工程学院，研究方向：供水系统的设计与控制。