水利計算的最佳化設計論文
水利計算的最佳化設計論文
1迴圈水管網設計過程
根據Q／SH0700—2008《給排水、消防管道配管設計規定》［3］中關於壓力流管道流速的要求以及工藝裝置用水量的要求進行計算，得出各裝置用水量對應的管徑以及主幹管的管徑。透過計算，得出的管徑看似合理，並且根據手算最終選定水泵規格為Q＝10000m3／h，H＝47m。然而，實際情況並非如此，在實際的系統中還有彎頭、三通以及相關的區域性阻力原件，並且工藝裝置各個供水點高度各不相同。以上種種因素給設計者帶來了很大的計算難度。另外迴圈水系統為環路系統，必然涉及到流場平衡的問題，對於距離不同的供水點，不能僅僅考慮某1條支路，看其在經濟流速下能否流過所需求的流量，而要統籌整個系統，做流場平衡計算。對於迴圈水系統的環路系統的阻力平衡問題，許多設計者並未考慮或者考慮到卻無法手動計算。
2PIPENET軟體計算
PIPENET標準模組可用於工程管網系統的穩態設計與流場（壓力、壓損、流量、流速）分佈計算，擁有廣泛的工業用途。利用PIPENET軟體的水力計算可以避免最不利點選取錯誤，並且可以進行流場平衡計算。將管網按照實際長度及高程變化建模，輸入經過人工計算的管徑，並且將所有的管件、閥門等一一輸入，然後鎖定回水總管在迴圈水界區紅線處的點作為計算點，保證滿足回水壓力0．25MPa及所有裝置用水總量25338m3／h的要求而進行水力計算。PIPENET軟體將自動衡量各個管網阻力並分配流量，最終計算得出各個管段的流量。經過計算發現按照經濟流速所選取的管徑並未和想象當中一樣流過所需求的流量，而且發現某些供水點實際流量與所需的流量相差甚遠，配水是不均勻的。為了使每個供水點都達到水量要求，就需要將泵的流量增大，這樣便會出現原來低流量的供水點達到了流量要求，而水量本來已經達到要求的點的實際水量遠遠高出需求量很多的情況，產生很大的浪費。造成這種現象的原因就是設計人員並未考慮到各個供水點由於距離不同、高度不同、管網中管件閥門不同等諸多因素引起的流場不平衡問題。這些問題直接導致了迴圈水系統的管網管徑配置不合理，從而引起某些換熱器透過的流量過多，而某些換熱器透過的流量又過少，冷卻效果可想而知。雖然迴圈水管進入每臺裝置前都安裝有閥門，然而這些閥門通常只作為關斷閥之用，不用於流量調節。即使將這些閥門用作流量調節，受工作人員的素質水平和調節難度的影響，想要將整個系統流量調節平衡是很困難的。所以將流場平衡調節放在系統開車執行之後是不可行的。這個問題透過PIPENET軟體可以得到很好地解決。在PIPENET模型上，可以透過調節管徑和新增阻力件的方法來增加和減小某些管段的阻力。本專案採用調節管徑的方法，採取先調整主管再調整支管，進行多次試算，最終找出滿足流量要求的管徑，在設計中將這個問題提前解決掉。透過軟體分析進行流場平衡前、後管徑變化及對比結果見表2、表3。透過對比可以發現，在未進行流場平衡前，迴圈水系統各個用水裝置並未達到所需求的迴圈水量，冷卻效果不佳，增大泵的出流量雖然可以彌補流場不平衡造成的某些換熱器達不到需求流量的問題，但卻要以巨大的經濟浪費為代價。因此，為了使最不利點的流量達到需求流量，泵的出流量需要增加26996－25338＝1658（m3／h），而該流量完全可以透過平衡流場的方法節省下來的。流場平衡以後，將已經選好的泵的引數建立模型，並透過軟體進行模擬。模擬後發現，各個供水點基本達到了所需的流量，並且壓力完全滿足0．4MPa的要求，但回水總管在迴圈水界區處的壓力達到了0．37MPa，說明最初透過人工計算所選擇的泵揚程是偏大的。其實，設計者在由最不利點反算選泵時，為了保證可靠性就已經將泵的揚程人為增加了，當3臺泵並聯一起工作時，揚程又會升高。這2個因素導致最終的壓力比需求壓力高出了12m。經過比較，將單臺泵的揚程降低至35m，再透過軟體進行模擬發現，各個用水點的流量和壓力是完全符合要求的。軟體計算前、後各用水點引數由表4可以看出，經過軟體校核後所選泵的揚程為35m，比之前人工計算的47m降低了12m的揚程。揚程降低帶來的不僅僅是裝置購置費用的大大節省，對於用電量也是一筆不小的節省。從表4可以看出，軟體校核後的泵實際執行工況比校核之前泵的實際執行工況輸出壓力降低了11．5m。按照工業用電價格1元／（kW·h），泵的效率及電機效率取相對較高的值90％進行計算。一年內單臺泵多耗的電量為2612469kW·h，單臺泵一年多消耗的電費為261萬元，則3臺泵多消耗電費為：261×3＝783萬元。可以看出，在同樣達到系統執行安全性和可靠性的前提下，人工選泵的盲目性導致了783萬元／a的損失，長此以往企業將面臨鉅額的浪費。人工計算存在的兩大計算盲點使得迴圈水泵的揚程和流量增加了很多，雖然同樣達到了冷卻效果，但卻由於人為原因無法精確計算而無形中增加了兩方面的.投資：①無法平衡流場導致揚程和流量選擇過高使得裝置購置費增加；②所選水泵過大，使得水泵能量浪費，耗能投資增加。透過PIPENET軟體進行建模，可以對迴圈水系統的執行工況進行模擬，直觀地進行流場平衡計算，透過調節管徑可以在滿足經濟流速的前提下獲得所需的流量，並且準確地選取水泵的各項引數，使水泵在高效段執行，減少能量浪費，降低投資。
3結語
在大型迴圈水系統的設計中，管網的複雜程度使得設計者無法精確計算，尤其是流場平衡問題是設計者無法人工計算的。而流場的平衡又直接影響到水泵流量和揚程的選取。在選泵時，設計者往往過多地考慮裝置使用的可靠性，選泵引數留有較大的富裕量，造成能量浪費。一個不平衡流場的水泵將會比平衡流場的水泵引數高很多。透過實際專案結合軟體計算的結果可以看出，距離迴圈水場較近的供水點可適當選取經濟流速內偏高的流速，而較遠的供水點可適當選取經濟流速內偏低的流速，這樣調整可以平衡流場，降低水泵的流量和揚程，減小投資。透過軟體進行迴圈水系統的水力計算，可以很直觀地進行工況的模擬和流場平衡計算，而這正是單靠人工計算時阻礙設計進一步最佳化的攔路虎。本專案結合了軟體的應用，透過實際工況的模擬讓設計者可以預知設計中存在的問題，並且更加準確地對迴圈水系統進行計算和驗證。隨著時代的發展及國家對於節能低碳的逐步重視，結合先進的軟體進行設計是發展趨勢，在保證工藝裝置迴圈水量要求的前提下能夠更好地最佳化管網、平衡流場，最終達到降低投資，節省能源的目的。