水利計(jì)算的優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
1循環(huán)水管網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程
根據(jù)Q／SH0700—2008《給排水、消防管道配管設(shè)計(jì)規(guī)定》［3］中關(guān)于壓力流管道流速的要求以及工藝裝置用水量的要求進(jìn)行計(jì)算，得出各裝置用水量對(duì)應(yīng)的管徑以及主干管的管徑。通過(guò)計(jì)算，得出的管徑看似合理，并且根據(jù)手算最終選定水泵規(guī)格為Q＝10000m3／h，H＝47m。然而，實(shí)際情況并非如此，在實(shí)際的系統(tǒng)中還有彎頭、三通以及相關(guān)的局部阻力原件，并且工藝設(shè)備各個(gè)供水點(diǎn)高度各不相同。以上種種因素給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很大的計(jì)算難度。另外循環(huán)水系統(tǒng)為環(huán)路系統(tǒng)，必然涉及到流場(chǎng)平衡的問(wèn)題，對(duì)于距離不同的供水點(diǎn)，不能僅僅考慮某1條支路，看其在經(jīng)濟(jì)流速下能否流過(guò)所需求的流量，而要統(tǒng)籌整個(gè)系統(tǒng)，做流場(chǎng)平衡計(jì)算。對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)的環(huán)路系統(tǒng)的阻力平衡問(wèn)題，許多設(shè)計(jì)者并未考慮或者考慮到卻無(wú)法手動(dòng)計(jì)算。
2PIPENET軟件計(jì)算
PIPENET標(biāo)準(zhǔn)模塊可用于工程管網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)（壓力、壓損、流量、流速）分布計(jì)算，擁有廣泛的工業(yè)用途。利用PIPENET軟件的水力計(jì)算可以避免最不利點(diǎn)選取錯(cuò)誤，并且可以進(jìn)行流場(chǎng)平衡計(jì)算。將管網(wǎng)按照實(shí)際長(zhǎng)度及高程變化建模，輸入經(jīng)過(guò)人工計(jì)算的管徑，并且將所有的管件、閥門等一一輸入，然后鎖定回水總管在循環(huán)水界區(qū)紅線處的點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)，保證滿足回水壓力0．25MPa及所有裝置用水總量25338m3／h的要求而進(jìn)行水力計(jì)算。PIPENET軟件將自動(dòng)衡量各個(gè)管網(wǎng)阻力并分配流量，最終計(jì)算得出各個(gè)管段的流量。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)按照經(jīng)濟(jì)流速所選取的管徑并未和想象當(dāng)中一樣流過(guò)所需求的流量，而且發(fā)現(xiàn)某些供水點(diǎn)實(shí)際流量與所需的流量相差甚遠(yuǎn)，配水是不均勻的。為了使每個(gè)供水點(diǎn)都達(dá)到水量要求，就需要將泵的流量增大，這樣便會(huì)出現(xiàn)原來(lái)低流量的供水點(diǎn)達(dá)到了流量要求，而水量本來(lái)已經(jīng)達(dá)到要求的點(diǎn)的實(shí)際水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出需求量很多的情況，產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。造成這種現(xiàn)象的原因就是設(shè)計(jì)人員并未考慮到各個(gè)供水點(diǎn)由于距離不同、高度不同、管網(wǎng)中管件閥門不同等諸多因素引起的流場(chǎng)不平衡問(wèn)題。這些問(wèn)題直接導(dǎo)致了循環(huán)水系統(tǒng)的管網(wǎng)管徑配置不合理，從而引起某些換熱器通過(guò)的流量過(guò)多，而某些換熱器通過(guò)的流量又過(guò)少，冷卻效果可想而知。雖然循環(huán)水管進(jìn)入每臺(tái)設(shè)備前都安裝有閥門，然而這些閥門通常只作為關(guān)斷閥之用，不用于流量調(diào)節(jié)。即使將這些閥門用作流量調(diào)節(jié)，受工作人員的素質(zhì)水平和調(diào)節(jié)難度的影響，想要將整個(gè)系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)平衡是很困難的。所以將流場(chǎng)平衡調(diào)節(jié)放在系統(tǒng)開車運(yùn)行之后是不可行的。這個(gè)問(wèn)題通過(guò)PIPENET軟件可以得到很好地解決。在PIPENET模型上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)管徑和添加阻力件的方法來(lái)增加和減小某些管段的阻力。本項(xiàng)目采用調(diào)節(jié)管徑的方法，采取先調(diào)整主管再調(diào)整支管，進(jìn)行多次試算，最終找出滿足流量要求的管徑，在設(shè)計(jì)中將這個(gè)問(wèn)題提前解決掉。通過(guò)軟件分析進(jìn)行流場(chǎng)平衡前、后管徑變化及對(duì)比結(jié)果見表2、表3。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在未進(jìn)行流場(chǎng)平衡前，循環(huán)水系統(tǒng)各個(gè)用水設(shè)備并未達(dá)到所需求的循環(huán)水量，冷卻效果不佳，增大泵的出流量雖然可以彌補(bǔ)流場(chǎng)不平衡造成的某些換熱器達(dá)不到需求流量的問(wèn)題，但卻要以巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)為代價(jià)。因此，為了使最不利點(diǎn)的流量達(dá)到需求流量，泵的出流量需要增加26996－25338＝1658（m3／h），而該流量完全可以通過(guò)平衡流場(chǎng)的方法節(jié)省下來(lái)的。流場(chǎng)平衡以后，將已經(jīng)選好的泵的參數(shù)建立模型，并通過(guò)軟件進(jìn)行模擬。模擬后發(fā)現(xiàn)，各個(gè)供水點(diǎn)基本達(dá)到了所需的流量，并且壓力完全滿足0．4MPa的要求，但回水總管在循環(huán)水界區(qū)處的壓力達(dá)到了0．37MPa，說(shuō)明最初通過(guò)人工計(jì)算所選擇的泵揚(yáng)程是偏大的。其實(shí)，設(shè)計(jì)者在由最不利點(diǎn)反算選泵時(shí)，為了保證可靠性就已經(jīng)將泵的揚(yáng)程人為增加了，當(dāng)3臺(tái)泵并聯(lián)一起工作時(shí)，揚(yáng)程又會(huì)升高。這2個(gè)因素導(dǎo)致最終的壓力比需求壓力高出了12m。經(jīng)過(guò)比較，將單臺(tái)泵的揚(yáng)程降低至35m，再通過(guò)軟件進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，各個(gè)用水點(diǎn)的流量和壓力是完全符合要求的。軟件計(jì)算前、后各用水點(diǎn)參數(shù)由表4可以看出，經(jīng)過(guò)軟件校核后所選泵的揚(yáng)程為35m，比之前人工計(jì)算的47m降低了12m的揚(yáng)程。揚(yáng)程降低帶來(lái)的不僅僅是設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用的大大節(jié)省，對(duì)于用電量也是一筆不小的節(jié)省。從表4可以看出，軟件校核后的泵實(shí)際運(yùn)行工況比校核之前泵的實(shí)際運(yùn)行工況輸出壓力降低了11．5m。按照工業(yè)用電價(jià)格1元／（kW·h），泵的效率及電機(jī)效率取相對(duì)較高的值90％進(jìn)行計(jì)算。一年內(nèi)單臺(tái)泵多耗的電量為2612469kW·h，單臺(tái)泵一年多消耗的電費(fèi)為261萬(wàn)元，則3臺(tái)泵多消耗電費(fèi)為：261×3＝783萬(wàn)元。可以看出，在同樣達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性的前提下，人工選泵的盲目性導(dǎo)致了783萬(wàn)元／a的損失，長(zhǎng)此以往企業(yè)將面臨巨額的浪費(fèi)。人工計(jì)算存在的兩大計(jì)算盲點(diǎn)使得循環(huán)水泵的揚(yáng)程和流量增加了很多，雖然同樣達(dá)到了冷卻效果，但卻由于人為原因無(wú)法精確計(jì)算而無(wú)形中增加了兩方面的.投資：①無(wú)法平衡流場(chǎng)導(dǎo)致?lián)P程和流量選擇過(guò)高使得設(shè)備購(gòu)置費(fèi)增加；②所選水泵過(guò)大，使得水泵能量浪費(fèi)，耗能投資增加。通過(guò)PIPENET軟件進(jìn)行建模，可以對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，直觀地進(jìn)行流場(chǎng)平衡計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)管徑可以在滿足經(jīng)濟(jì)流速的前提下獲得所需的流量，并且準(zhǔn)確地選取水泵的各項(xiàng)參數(shù)，使水泵在高效段運(yùn)行，減少能量浪費(fèi)，降低投資。
3結(jié)語(yǔ)
在大型循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，管網(wǎng)的復(fù)雜程度使得設(shè)計(jì)者無(wú)法精確計(jì)算，尤其是流場(chǎng)平衡問(wèn)題是設(shè)計(jì)者無(wú)法人工計(jì)算的。而流場(chǎng)的平衡又直接影響到水泵流量和揚(yáng)程的選取。在選泵時(shí)，設(shè)計(jì)者往往過(guò)多地考慮設(shè)備使用的可靠性，選泵參數(shù)留有較大的富裕量，造成能量浪費(fèi)。一個(gè)不平衡流場(chǎng)的水泵將會(huì)比平衡流場(chǎng)的水泵參數(shù)高很多。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合軟件計(jì)算的結(jié)果可以看出，距離循環(huán)水場(chǎng)較近的供水點(diǎn)可適當(dāng)選取經(jīng)濟(jì)流速內(nèi)偏高的流速，而較遠(yuǎn)的供水點(diǎn)可適當(dāng)選取經(jīng)濟(jì)流速內(nèi)偏低的流速，這樣調(diào)整可以平衡流場(chǎng)，降低水泵的流量和揚(yáng)程，減小投資。通過(guò)軟件進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)的水力計(jì)算，可以很直觀地進(jìn)行工況的模擬和流場(chǎng)平衡計(jì)算，而這正是單靠人工計(jì)算時(shí)阻礙設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化的攔路虎。本項(xiàng)目結(jié)合了軟件的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際工況的模擬讓設(shè)計(jì)者可以預(yù)知設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并且更加準(zhǔn)確地對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。隨著時(shí)代的發(fā)展及國(guó)家對(duì)于節(jié)能低碳的逐步重視，結(jié)合先進(jìn)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)是發(fā)展趨勢(shì)，在保證工藝設(shè)備循環(huán)水量要求的前提下能夠更好地優(yōu)化管網(wǎng)、平衡流場(chǎng)，最終達(dá)到降低投資，節(jié)省能源的目的。
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