（电力电子与电力传动专业论文）基于flowmaster的叠压供水仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e ri st h el i f e b l o o do fu r b a nd e v e l o p m e n t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t o fs o c i e t y , t h er e q u i r e m e n t so fu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e ma r ei n c r e a s i n g t h eo v e r l a p p e dw a t e rs u p p l yi st h ei m p r o v e m e n to ft r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l y , i t m a k e sg o o du s eo ft h em u n i c i p a lp i p e l i n ep r e s s u r e ，i ti sc o n s t a n tp r e s s u r ef r e q u e n c y c o n v e r s i o no nt h eb a s i so ft h ew a t e rs u p p l yr e q u i r e m e n t t h eo v e r l a p p e dw a t e rs u p p l yc a nb ed i v i d e di n t ot w ow a y s ，o n ei sc o n s t a n t p r e s s u r ev a r i a b l ef l o wf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n da n o t h e r i sc o n s t a n tp r e s s u r eo fp u m p o u t l e ta n dv a r i a b l ef l o wf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h ep a p e ra n a l y z e st h et w ow a y sa n d p r e s e n t st h ed i f f e r e n c e f l o w m a s t e ri st h ew o r l d sm o s tf a m o u st h e r m a lf l u i ds y s t e ms i m u l a t i o n a n a l y s i sp l a t f o r m ，i ti s u s e db ym a n yf a m o u si n s t i t u t e sw o r l d w i d ef o ri t sh i g h c o m p u t i n ge f f i c i e n c y a n dp r e c i s i o no ft h es o l v i n ga b i l i t y t h i sp a p e rs e l e c t s o n e d i m e n s i o n a lf l o ws i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rw a t e rs u p p l ys y s t e mm o d e l i n g t h e c o m p o n e n t sa n ds i m p l i f i e dc o m p o n e n t so ft h es o f t w a r eh a v er e p l a c e dt h em o d u l eo f t h es y s t e m i th a sg o o dv i s u a le f f e c t i ni t sd a t a b a s es y s t e m sa n dd a t ai n p u ti n t e r f a c e ， i n p u t t i n gt h ed a t ao fs y s t e mc o m p o n e n t sa n dc a r r y i n go nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e m w h e nt h em u n i c i p a lp i p e l i n ep r e s s u r ea n dp u m p so ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na l e d i f f e r e n t ，f l o w m a s t e rs o f t w a r ee m u l a t et h es y s t e mu n d e rt h i sd i f f e r e n te x t e r n a l c o n d i t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e ms i m u l a t i o na n a l y s i sp r o c e s sa n ds y s t e m c o m p o s i t i o n ，p r e s e n t st h ep r o c e s sc u r v eo fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h i s r e s u l t ，t h eo v e r l a p p e dw a t e rs u p p l ys y s t e mw o u l db em o r es c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：o v e r l a p p e dw a t e rs u p p l y ；c o n s t a n tp r e s s u r ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n ； f l o w m a s t e r ；s i m u l a t i o n l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论支作者签名( 手写) ：琶d 硅签字日期： d o f 年二月弘1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：童小班 导师签名( 手写) ：江玄奠 签字日期：吖年厶月夕口日 签字r 期： pr 年i 。月 j ) 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源 本论文的研究背景是南昌市某住宅小区供水系统的改造工程； 1 2 课题研究的背景、目的及意义1 1 l 生命的物质基础是水。 通常所说的二次加压供水，是指单位用户或者个人用户将城市公共供水或 自建设施供水经储存以及加压后，通过供水管道再供给用户或自用的形式。二 次供水设施主要是为了弥补市政供水管线管网压力的不足，保证居住、生活在 高层人群用水而设立的，相对于原水供水，二次供水的水质更容易被污染，因 为需要有水池，二次供水的安全性以及可靠性一直都受到广大市民的广泛关注。 通常的供水方式都是将市政水放到水池里，这样就将原本有压力能的水放到水 池中变成了无压力能和势能的水，二次加压供水的时候就需要更多的能量，而 叠压供水是直接将市政有压力能的水通过水泵在此基础上在加压，这样就充分 利用了市政管网的剩余压力，相比传统的二次供水更节能，并且中间没有水池， 无二次污染。如果有水池，长期下来水池的清洁费用也是很大一笔，叠压供水 在国内外的很多地方已经得到了很好的应用。 在当今社会，随着社会的发展，高层建筑层出不穷，供水系统的能耗占国 民能耗中的比重也是不小的一部分，能源危机日益严重，因此节能已经是一种 社会共识，而在我国，水泵供水在城市人口众多的应用也日益广泛，因此提高 供水系统的能量利用效率显得越发重要，叠压供水在能量利用效率上比其他形 式的供水有明显的优势，因此，叠压供水将是未来的主流多层建筑供水方式。 1 3 叠压供水的发展与现状2 i 管网叠压供水方式又称无负压供水方式，是将水泵从市政给水管网直接吸 水，经加压后供水至用户。叠压供水也是一种恒压变频供水，但是与传统的恒 压变频供水方式不同。 第1 章绪论 目前关于叠压供水的理论研究还比较初级，应用也比较初级，研究主要局 限于系统的工作原理、节能效果以及适用条件，并未展开详细的讨论，讨论市 政供水系统与叠压供水系统的相互影响，因此需要定性定量的讨论市政供水系 统管网技术参数和用户叠压供水系统技术参数的相互影响。 因此研究叠压供水还有想当长的一段路需要走，也有想当大的一部分工作 需要做。 1 4 本文所做的主要工作 高层建筑选用叠压供水方式作为二次加压供水系统，需要对以水作为输配 流体介质的系统进行分析。本文以f l o w m a s t e r 作为软件模拟平台对叠压供 水系统进行分析。本课题主要进行先叠压供水系统的仿真研究，讨论系统在不 同工况条件下的运行状况，为系统设计运行提供参考。本论文进行的主要工作 如下： l 、介绍叠压供水的特点以及相关概念。 2 、对叠压供水系统中理论和条件，即水的物性参数和水力学公式、市政给 水管网节点给水状态、高层建筑用户用水量变化、恒压变频等进行探讨。 3 、结合数学知识和水力学知识，找出叠压变频泵的流量扬程特性方程，分 析得出管网特性方程，找出用户端恒压变流量的管网系统数学模型，得出当用 户端压力恒定的情况下，水泵转速和流量的关系。 4 、介绍f l o w m a s t e r 的系统建模理论与使用。 5 、本论文是建立在南昌市某小区供水系统改造工程基础上的，以 f l o w m a s t e r 软件为平台，对叠压供水系统不同外部条件进行建模仿真。 6 、通过仿真得出叠压供水系统中一些相关结论。 7 、对本论文进行总结。 1 5 本章小结 本章介绍了课题研究的背景、意义、以及叠压供水的国内外发展现状，提 出本论文所做的主要工作。 2 第2 章二次加压供水系统简介 第2 章二次加压供水系统简介 2 1 变频调速恒压供水 变频调速供水足通过安装在供水管网系统的压力传感器和变送器将系统中 的压力信号和设定的压力值做对比，再通过控制器根据过程压力信号和实际压 力信号的误差控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，这种控制方式是 一种平滑的调速，从而控制系统中的管网压力，使得系统中的管网压力趋向于 设定的压力值，从而达到恒压供水的目的，为用户提供了优质的供水系统，因 此这种供水方式被称为变频调速恒压供水。 普通的变频调速恒压供水的控制方式主要有三种：水泵出水口处恒压控制、 水泵出水口处变压控制以及给水系统最不利点处恒压控制。 水泵出水口处恒压控制是现在常规供水系统中用的比较多的一种，这种是 将压力传感器装在水泵出水口处，当然这种供水方式有误差，因为此时的压力 并不是用户的压力，但是这种供水方式比较方便，并且压力信号没有远距离传 输，信号比较准确。水泵出水口处变压控制实质是水泵出水口处恒压控制的一 种变形，实质也为出水口恒压，只是将一天中不同的时间段设定为不同的压力。 最不利点恒压控制是按照系统最不利点处设定压力，此种供水方式压力信号传 输比较远，因此在比较大范围的供水系统中也会有不精确的部分。 2 2 管网叠压供水 2 2 1 叠压供水相关理论 l 、管网叠压供水 由管网叠压供水设备叠加供水管网水压，直接从供水管网中取水增压的供 水方式称为管网叠压供水。 2 、管网叠压供水设备 由水泵机组通过水质、水压保护装置，从供水管网直接吸水叠压供水( 恒 压供水或变压供水) ，保证供水管网水压不小于设定压力值，且水质不被污染的 供水设备称为管网叠压供水设备。 3 第2 章二次加压供水系统简介 2 2 2 管网叠压供水一般规定 l 、当供水管网符合管网叠压供水设备使用条件，允许水泵直接从供水管网 吸水时，宜优先采用管网叠压供水设备，并按照工程具体情况经技术经济比较 后确定采用变频或工频的运行方式。 2 、管网叠压供水设备用于生活供水系统，应经当地供水行政主管部门及供 水部门的认可。 。 3 、城市管网叠压供水工程的最大使用规模和所处位置的管网最低压力，应 由当地供水行政主管部门及供水部门根据城市供水的实际情况，经技术经济及 可靠性比较后予以确定。 4 、用管网叠压供水设备吸水的供水管网可有以下几种： 1 ) 市政供水管网； 2 ) 自备水源供水管网； 3 ) 室外供水管网； 4 ) 室内供水管网。 5 、以下区域不得采用管网叠压供水技术： 1 ) 供水管网经常停水的区域； 2 ) 供水管网可利用水头过低的区域； 3 ) 供水管网供水压力波动过大的区域； 4 ) 使用管网叠压供水设备后，对周边现有( 或规划) 用户用水会造成严重 影响的区域； 5 ) 现有供水管网供水总量不能满足用水需求的区域； 6 ) 供水管网管径偏小的区域； 7 ) 供水行政主管部门及供水部门认为不得使用管网叠压供水设备的其他区域。 6 、以下用户不得采用管网叠压供水技术t 1 ) 用水时间过于集中，瞬间用水量过大且无有效技术措施的用户； 2 ) 供水保证率要求高，不允许停水的用户： 3 ) 对有毒物质、药品等危险化学物质进行制造、加工、贮存的工厂、研究 单位、仓库等。 7 、采用管网叠压供水方式，供水管网应能满足用水单位最大小时用水量或 设计秒流量要求。当生活、消防供水管网共用时，供水管网应满足最大小时生 活用水量及消防用水总量。 4 第2 章二次加压供水系统简介 8 、采用管网叠压供水在消防用水时，供水管网的水压不得低于o 1 0 m p a ( 从 室外设计地面算起) ；在生活用水时，供水管网的水压不得低于该地区供水部门 规定的最低供水服务压力值( 从室外设计地面算起) 。 9 、用于管网叠压供水的供水设备应有产品质量技术监督部门的质量检测报 告与卫生监督部门的卫生许可批件。 1 0 、设计管网叠压供水工程时，应充分考虑供水管网材质等因素，同时考 虑供水管网的现状负荷和发展的需要。 2 3 供水系统的基本特性 当管路中阀门开度不变时，对于一定转速的水泵来说，若提供的扬程大， 则供给的流量小：若提供的扬程小，则能提供的流量大。由图2 1 可知，对于管 阻特性曲线，流量越大、管道损耗越大。平衡状态是用户用多少，水泵供多少。 当用户的用水流量和系统的供水流量达到平衡时，满足了扬程特性和管阻特性， 系统稳定运行。 水泵扬程 特型曲线 图2 1 供水系统基本特性 2 4 变频调速基本原理i l l 根据电机学可知，交流异步电动机的转速公式为； 刀= 睾( 1 - s ) = 恢( 1 一s ) ( 2 1 ) 其中，珂为电动机转速；彳为定子供电频率；p 为电机极对数：s 为转差率； 体为同步电动机转速。 从上式可以看出，三相异步电动机的转速取决于同步转速i s ，在磁极对数 一定的情况下，同步转速又取决于电源频率石，因此当改变电源的频率石时， 同步转速与频率成比例变化，电动机的转速r 也随之而改变。 5 第2 章二次加压供水系统简介 2 5 叠压供水系统组成图2 i 叠压供水设备主要有负压补偿器、液位计、稳流罐等组成，如图2 2 所示。 图2 2 叠压供水系统组成图 系统工作流程： 设备采用微机变频技术与负压处理技术来实现无负压供水，工作流程如图 2 3 所示。叠压供水系统原理图如下： 图2 3 叠压供水系统原理图 叠压供水是在传统供水体系上的一种改进，可以弥补传统供水方式的不足 之处，避免传统二次加压给水方式不能利用市政管网压力、水池里面的水存在 二次污染，水池需要定期清洗等一系列问题，达到供水过程中节水、节能和避 6 第2 章二次加压供水系统简介 免二次污染的目的。 2 6 本章小结 本章介绍了管网叠压供水的一些规范以及叠压供水和组成以及叠压供水需 要注意的问题，叙述了叠压供水系统的组成示意图以及原理图，综合分析叠供 水这种供水方式以前的供水方式的异同点，叙述了常规变频调速供水方式节能 原理，为下一章分析节能原理做基础。 7 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 3 1 水的物性参数和水力学公式1 2 1 3 1 1 水的物理参数 水的主要常规物理性质如下所述： 1 、密度：p = 1 o x l 0 3 影，。 m 。 2 、粘度：水在不同压力作用下，粘度基本保持不变，但在4 0 c 时粘度达到 最大。 3 、热膨胀性和压缩性：水的压缩性和热胀性都很小。因此，在实际工程中 均可被视为不可压缩性流体，这一点非常重要，本项目中都把水当作不可压缩 流体。 3 1 2 水力学公式 l 、水的运动参数 流速：流速是指气体或液体流质点在单位时间内所通过的距离。渠道和河 道里的水流各点的流速是不相同的，靠近河( 渠) 底、河边处的流速较小，河中心 近水面处的流速最大，通常为了计算简便，用横断面平均流速来表示该断面水 流的速度。工程上一般取平均流速，即断面平均流速，简称流速，单位嘭。 压强：单位作用面积上的压力称为压强，水体间的相互作用力用压力来表 示。如果水处于静止状态则称为静压强，反之则称为动压强。单位为p a 或b a r ， 其中l b a r - = o 9 8 个大气压。 流量：单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。 当流体量以体积表示时称为体积流量；当流体量以质量表示时称为质量流量。 单位时间通过流管内某一横截面的流体的体积，称为该横截面的体积流量，简 称为流量，体积流量一般以符号q 表示，单位为立方米每秒( 7 形) 或( ) 。 2 、水流运动 在给水工程的水体输送过程中，绝大多数是不可压缩流体的恒定有压流。 3 、伯努利方程 8 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 作为向用户供给的流体，水视作不可压缩理想流体及与外界无热交换的一 维定长流动，其能量方程可以简化为伯努利方程如下： p + p g z + ( 髟) p v 2 = 常数 ( 3 1 ) 其中p 、p 、v 分别为流体的压强、密度和速度；z 为铅垂高度；g 为重力加 速度。上式各项分别表示单位体积流体的压力能p ，动能l 2 p d 2 和重力势能 pg z ，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能 量( 即上式中的常量值) 可能不同。对于气体，可忽略重力，方程简化为： p + ( 必) 2 = 常数 ( 3 2 ) 以上各项分别称之为静压、动压和总压。可知，流体中速度增大，压强就 减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大( 理论上应等于总 压) 。 4 、水头损失公式 水流在运动过程中需要克服管网阻力，从而消耗能量，此消耗的能量被称 之为水头损失。产生水头损失的主要原因有两个，一个是外因，一个是内因。 外因是由于边界对水流的阻力产生的水头损失，而内因则是由于液体的粘滞性 产生的水头损失。根据边界条件不同，水头损失分为两部分，对于平顺的边界， 水头损失与流程成，此种被称为沿程水头损失，还有一种是由于局部边界急剧 改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生漩涡而引起的水头损失，称为局 部水头损失。下面就分析沿程水头损失和局部水头损失两部分内容。 1 ) 沿程水头损失： 沿程阻力是指水在边壁沿程不变的管段上所受的摩擦阻力。克服沿程阻力 所消耗的单位重量水体的机械能损耗称为沿程水头损失。工程设计中管道水力 计算一般按照均匀流计算，普遍采用的管道水力计算公式有d a r c y 公式，c h e z y 公式和h a z e n w i l l i a m s 公式。 2 ) 给水管道的局部水头损失 在实际工程中一般不作详细计算，可按管网沿程水头损失的百分数采用： 生活给水管网为2 5 一3 0 。 必要时，各配件和附件都可化成当量管来计算水头损失，所谓的当量管是指 任何流量时其水头损失相当于水管沿程和局部水头损失之和。换算方法是指实际 9 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 水管长度另外加长度，使，+ ，产生的沿程损失等于流经该配件或附件的局部 水头损失，然后将，+ 出带入沿程水头损失式中计算。其中z 可由如下公式计算： 世：丝( 3 3 ) a 一般认为，当管段长度为直径的1 0 0 0 倍以上时，才可不计局部损失。 因此，在一定的雷诺数和管网系统中，系统中的各种水头损失可以看做只 与流量q 有关，在本项目中，都把系统的各种损失看做只和流量有关。 3 2 水泵概念以及分类 水泵是一种通过提升液体或者输送液体从而达到使液体增加压力的机械装 置，是一种可以把液体的机械能变为液体的压力能的系统。水泵由于用途不同， 输送液体介质不同，有不同的流量和扬程范围，它的结构形式以及材料也不同， 根据工作原理可以将水泵划分为离心泵、混流泵以及轴流泵等等；根据叶轮是 否串联分为单级泵和多级泵；根据水泵吸入口的是一个还是可以划分为单吸泵 和双吸泵等等。 3 2 1 水泵特性 泵的工作状况通常用工作参数来表示，也称为工况点，工况点的主要工作 参数有扬程、流量、转速、效率等。这些参数反映了泵的工作状态以及能量的 转换程度。 功率：分为有效功率、轴功率和配套功率，单位为千瓦( k w ) 。 扬程：扬程h 又称水头，单位为米，可以和压力进行换算。 口径：水泵进1 ：3 的内径。 转速：单位时间转轮旋转的次数，以n 表示，其单位是转每分钟y m i n ) 。 流量：流量q 为单位时间通过水泵出口截面积的液体量，单位为立方米每 秒( 7 z ) 。q = 6 0 1 - l d 2 ，其中，d 为泵的口径( m ) ，v 为流速( ) o 泵效率：效率是表示能量利用和变换程度。用7 7 表示。 3 2 2 水泵管路系统示意图分析 叠压供水是直接从市政管网抽水，不设水箱的一种供水方式，如下图所示： 1 0 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 c 图3 1 供水系统不意图 在上图中，箭头的方向为水流的方向，设水泵所在的高度为基准高度，p 。为 水泵进水f 5 1 处a 点的压力，本论文中压力单位均用m p ，即兆帕斯卡，扬程单位 为米，p 泵为水泵提供的净压力( 不计算水泵内部损耗的压力) ，p 。为水泵出口 处b 点的压力，z 为用户端的高度，p ：为用户端所在的高度势能折算的压力，耿 为水泵出水口处c 点的压力，假设水泵入口处和出口处管径以及到用户端的管 截面积均为s ，这罩将水看作不可压缩流体，所以可设q 为系统中的流量： ，：里( 3 4 ) s 其中，为系统中的流速，压力可以和扬程进行换算，换算关系为： h ：( 3 5 ) 0 0 0 9 8 其中压力p 的单位为兆帕斯卡，扬程h 的单位为米。 可设水泵水头损耗为崃，管路损耗为办管，本论文为了简化，设在一定雷 诺数的管网系统中，啄= s q 2 ，办管= s g q 2 ，s 为水泵损耗系数，为管网损 耗系数。 在b 点和c 点使用伯努利方程，可得： p l + t a g 0 + ( ) p ( 多) 2 = p 3 + p g z + ( ) p ( 多) 2 + 办管 ( 3 6 ) 1 3 l = p 3 + p g z + s 譬驴 ( 3 7 ) 通常z 不变，管路中需要水泵装置提供的扬程设置为： r = 九+ s 。q 2 ( 3 8 ) 其中，玩为用户端压力p ：和用户端离基准面的高度z 折算的扬程之和，通 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 常也被称为供水指标，此方程即为通常意义上的管路特性曲线方程。所以对于 同一高度的用户端，用户端的压力不一样，管路特性曲线沿r 轴上下移动。装 置扬程曲线是一条起点在零点以上的二次抛物线。水泵工况点是水泵扬程曲线 和管路特性曲线在同一坐标图上的交点a ，如下图3 2 所示。对应交点的流量、 扬程、效率、功率等即为水泵工况点的参数。当效率为最高点时对应的参数称 为额定参数，也就是铭牌参数。对一台泵而言，其特性是确定的，而它在系统 中运行时，其工况点却是变化的。泵的运行工况调节就是改变泵的工作点。 图3 2 水泵运行工况曲线 q 3 3 变频泵的调速特性 3 3 1 水泵出水口处恒压变流量的变频调速泵的调速特性 变频泵和工频泵的主要区别是工频泵只有一条o h 特性曲线，在每一个对 应的流量上只有一个工作点，但是变频泵有多条o h 特性曲线和多个工作点， 如图3 3 所示。 h hl 0 图3 3 变频泵的特性曲线 3 3 2 变频调速泵q h 特性曲线的拟合及分析f 2 9 i 选用杭州南方特种泵业有限公司型号为c d l 2 0 7 轻型立式多级离心泵，为 1 2 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 例，此系列泵的额定流量为2 0 m 3 h ，额定扬程7 0 m ，配用电机功率7 5 k w ， 额定转速2 9 0 0 r m ，流量范围为1 0 2 8 m 3 h ，a j 为工频下流量扬程特性益线 上的点，额定转速时工况点流量扬程数据见表3 1 ： 表3 1c d l 2 0 7 水泵额定转速工况点 abcdefghij q ( m 3 h ) 1 01 21 41 6 1 82 02 2 2 42 6 2 8 h ( 掰)8 1 7 97 77 57 37 06 66 15 54 9 根据以上对应的( q ，h ) 数值可以有三种常用的方法拟合q - h 关系式，在此 利用m a t l a b 中的p o l y t i t ( ) i 垂l 数可得q - h 关系式为： h = - 0 0 8 0 5 q 2 + 1 3 4 3 6 q + 7 4 7 8 6 4 ( 3 9 ) 利用m a t l a b 可拟合工频q - h 曲线如图3 4 所示： 图3 4 额定转速q h 曲线 对于同一水泵叶轮可根据相似定律的比例公式进行计算，其函数式如下： 9 1 q 2 = n l n 2 ( 3 1 0 ) 7 j l 吃= ( , 7 2 ) 2 ( 3 1 1 ) 墨昱= ( 啊n 2 ) 3 ( 3 1 2 ) 其中q 流量，m 3 h ；h 扬程，m ；p 功率，k w ；n 转速，聊。由上述 三式可得对应于工频特性曲线上某一点的等效率曲线的比例系数为： k = h q 2 ( 3 1 3 ) 对应于d h 各工作点的流量和扬程按上述公式可得比例系数k ，然后以级 差o 0 2 调节转速，求得以上各点中五个点等效率曲线上对应的流量和扬程以及 转速，上述十个点中的其他点可以同理计算( 略) 。计算结果见下表3 2 。 1 3 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 表3 2 变频调速泵特性曲线参数 调速 de fgh k = o 2 9 3k = 0 2 2 5k = o 1 7 5 k = o 1 3 6 k = o 1 0 6 比 q h q h q h q h q h 1 0 01 6 0 0 7 5 0 0 1 8 0 07 3 0 02 0 0 07 0 0 02 2 0 06 6 o o2 4 0 06 1 0 0 0 9 81 5 6 87 2 0 31 7 6 47 0 1 l1 9 6 06 7 2 32 1 5 66 3 3 9 2 3 5 2 5 8 5 8 0 9 61 5 3 66 9 1 21 7 2 86 7 2 71 9 2 06 4 5 l2 1 1 26 0 8 32 3 0 45 6 2 2 0 9 41 5 0 46 6 2 71 6 9 26 4 5 01 8 8 06 1 8 52 0 6 85 8 3 22 2 5 65 3 9 0 o 9 21 4 7 26 3 4 81 6 5 66 1 7 91 8 4 05 9 2 52 0 2 45 5 8 62 2 0 85 1 6 3 0 9 01 4 4 06 0 7 51 6 2 05 9 1 31 8 0 05 6 7 01 9 8 05 3 4 62 1 6 04 9 4 l 0 8 8 1 4 0 8 5 8 0 8 1 5 8 4 5 6 5 3 1 7 6 05 4 2 01 9 3 65 1 1 l2 1 1 24 7 2 4 0 8 61 3 7 65 5 4 71 5 4 86 1 3 91 7 2 05 1 7 71 8 9 24 8 8 l2 0 6 44 5 1 2 0 8 41 3 4 45 2 9 21 5 1 25 1 5 l1 6 8 04 9 4 01 8 4 84 9 5 72 0 1 64 3 0 4 经过以上分析，然后分别用m a t l a b 拟合出调速比为o 9 8 ，o 9 6 ，0 9 4 ， o 9 2 ，0 9 0 ，0 8 8 ，0 8 6 ，o 8 4 时的q - h 方程，并且将上述表格中流量单位转换为 m 3 s ，在此不赘述。 设k 为调速比，不同调速比时水泵的q - h 关系式为： k = l ，h = - 0 1 2 5 q 2 + 3 2 5 q + 5 5 ( 3 1 4 ) k = o 9 8 ，h = - 0 1 2 3 5 q 2 + 3 1 1 2 9 q + 5 3 4 8 8 0 ( 3 1 5 ) k = o 9 6 ，h = - 0 1 2 4 8 q 2 + 3 1 1 2 5 q + 5 0 7 5 0 0 ( 3 1 6 ) k = o 9 4 ，h = - 0 1 2 3 l q 2 + 2 9 7 8 2 q + 4 9 3 3 0 0 ( 3 1 7 ) 通常水泵的q - h 关系为： h = 玩。一s q 2 则对应于： k = 1 ，吃1 2 5 5 k = 0 9 8 ，2 = 5 3 4 8 8 0 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) k = o 9 6 ，3 = 5 0 7 5 0 0 ( 3 2 1 ) k = o 9 4 ，死4 = 4 9 3 3 0 0 ( 3 2 2 ) 眦百5 3 4 8 ( 嘲9 8 ) 百5 0 7 5 ( 嘲9 6 ) 百4 9 3 0 ( o 9 4 ) 2 。 1 4 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 通过以上分析可设变频泵的q - h 特性为： h = 玩七2 一s q 2 ( 3 2 3 ) 其中，h 为水泵提供的扬程，吃为工频泵流量为0 时的扬程，k 为调速比， s 为水泵摩擦，q 为流量。通常可以由厂家提供的数据经过计算便可求得。 3 3 3 管阻特性分析 由上文分析可知通常管路特性方程可表示为： h = + 9 2 ( 3 2 4 ) 其中，办为管路所需要的水泵装置提供的扬程，k 供水指标中的扬程指标， s 。为管路摩擦。 3 3 4 恒压变频调速与变压变频调速节能分析 h 0q 1q 0 q 图3 5 恒压变频调速与变压燹频调速曲线 假设用户的最大用水量为水泵的额定流量q 0 ，当用水量达到最大时，水泵 的工况点为a 点，此时水泵提供的扬程和用户需要的扬程相等，均为 风= = + s g q 0 2 ，水泵和管路达到了一个相对平衡状态，用户端几何给水高度 不变，即用户最不利点供水基本扬程不变。 但是当流量变为g 时，系统管路所需要的扬程由公式h = 瓦+ s 2 q 0 2 可知，系 统管路所需要的扬程会发生变化，管路所需要的扬程沿管阻特性曲线移动，此 时若采用水泵出口处变压变频调速，为了平衡管路需要的扬程，水泵应提供的 扬程也为h = 圯+ s 。9 2 ，水泵工作点移到c 点。管路需要的扬程和水泵提供的 扬程相等。 1 5 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 若流量变为q 时采用水泵出水口处恒压变频调速，管路需要的扬程和变压变 流量时相同，但是此时水泵提供的扬程+ s 。绕2 ，管路需要的扬程为 h = h o + s s q l 2 ，因为9 o q l 所以h h 。 实际上，水泵出口恒压变频供水相当于改变流量的时候也改变了管阻特性， 有上图可知，采用恒压变频实际上管阻特性曲线已由s 1 变为了s 2 ，相当于增大 了管阻摩擦，所以它没有管网系统最不利点满足基本给水高度所需要的压力的 变压变流量供水方式节能。 因此本论文水泵调速方法采用水泵出水口处变压变流量调速，并且此时仍能 满足用户端恒压。 3 4 用户端恒压变流量供水方式工况点的分析 h 图3 6 用户端恒压变流量供水方式工况点分析 图3 6 是用户端恒压水泵出口处变压变流量时水泵工况点变化图，假设用户 端的压力要求折算为扬程( 包括用户端离基准面的铅垂高度) 为玩，若用户端 流量在流量为q l 时，转速，z l 能满足用户端的压力和流量要求，水泵工作在a 点。 当某一个时刻测得用户端的压力折算后为反则从上图3 6 可知此时用户端的 流量为q 2 ，可知，： 民。，q 2 ，有上述分析可知，当市政供水管网余压增大时， 相同的流量水泵转速降低；当市政供水管网余压减小时，相同的流量水泵转速 升高。若不利用管网余压，在相同的流量时，需要的转速更高。 1 8 第3 章叠压供水的相关理论分析和方案设计 3 7 本章小结 h v 图3 7 不同市政管网余压时水泵工况点变化 本章是理论分析，是后面系统分析的理论基础。笔者提出了用户端恒压变 流量的供水控制方式，并且与之前的水泵出水口处恒压变流量供水方式做了对 比，总结出水泵转速和用户流量之间的关系。这些都是为后续的供水分析做基 五啦 1 9 第4 章叠压供水系统建模 第4 章叠压供水系统建模 4 1 系统建模 所谓的建模就是建立模型。建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研 究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程 都属于建模。系统建模主要用于3 个方面：分析和设计实际系统、预测或预报 实际系统某些状态的未来发展趋势、对系统实行最优控制。对于同一个实际系 统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。所建模型只是实际系统 原型的简化，因此既不可能也没必要把实际系统的所有细节都列举出来。实际 建模时，必须在模型的简化与分析结果的准确性之间做出适当的折中，这是建 模遵循的一条原则。 由第二章可知，可知叠压给水方式虽然弥补了传统方式的不足，但叠压给 水方式有其系统的复杂性：叠压供水系统将市政管网、用户端、二次加压系统 统一为一个系统整体，在不影响对市政管网周边用户用水及满足用户端用水要 求前提下，使系统实现自动控制最终达到节水、节能和避免二次污染的目的。 因此需要对叠压供水系统进行水力工况条件分析，得出叠压供水方式技术准用 条件。在论述了作为高层建筑给水的介质一一水的物性参数和水力学公式、市 政给水管网节点给水状态、高层建筑用户用水量变化、恒压变频供水方式控制 与运行后，以此为理论基础，进行计算机系统建模开发，叠压供水系统是一个 复杂的系统，软件模型需要建模便捷准确、合理适用、计算快速、结果可以实 现动态可视化的软件。 4 2 建模平台的选择与介绍 f l o w m a s t e r 是一款专业的一维工程流体管路系统的分析软件，擅长于 对流体管路系统进行整体分析，f l o w m a s t e r 同时是面向工程的完备流体系 统仿真软件包，对于各种复杂的流体管网系统，都可以利用f l o w m a s t e r 快 速有效地建立精确的系统模型，并进行完备的分析。f l o w m a s t e r 是全球领 先的一维流体管网系统仿真工具，己被广泛地应用在各种冷却润滑系统、液压 系统、水输送系统以及热管理系统的设计、优化和性能仿真中。 2 0 第4 章叠压供水系统建模 4 3 建立叠压供水系统模型 4 3 1f l o w m a s t e r 建立叠压供水系统模型 图4 1 叠压供水系统分析过程 4 3 2 系统模型简化原则 此模型的建立需要忽略一些对结果影响不大的部件和参数，简化原则如下： 1 ) 忽略系统中阻力较小的部件，因为他们不会对结果产生很重要的影响。 2 ) 用d i s c r e t t el o s s 部件代替系统中的较多的流阻元件。 3 ) 用一个容器族元件、球阀替代用户端并实现用户用水流量的变化调节， 同时保证正常供水时用户端压力无变化。 2 l 第4 章叠乐供水系统建模 4 4 叠压供水系统仿真模型 p 一。 ” 1 厂平 $。一 ，；旷墨姆 叫王警d 一， f 嚣蚜一 。薄 啊磬“ 。，。 圜 圭型， 一 圉4 , 2 叠甩供永系统仿真模型 图4 2 中，元件6 为压力源：兀件9 、1 3 、i5 、1 9 、2 0 、2 l 、2 2 、2 7 、2 8 、 4 3 均为离散损失元件d i s c r e t l el o s s ；元件2 、1 1 、2 6 、4 1 为信号测量元件：元 什4 、1 6 ，1 7 ，18 为离心泵：元件5 、4 0 水箱用来代替用户端，萁中水箱元 件5 用柬模拟高层j 户端，水箱元件4 0 用束模拟低层用户端：元件8 、2 9 为球 阀，元件3 、7 、2 3 、2 4 、2 5 为止回阀，元件4 2 、1 0 、4 4 为管道，元件i 、1 2 、 3 8 、3 9 为控制器，元件3 0 、3 i 、3 2 、3 3 、3 4 、3 5 、3 6 、3 7 为信号分配器，元件 1 4 为嘭胀水箱。再种元器件由各自不同的吲标分别表示。元件之间的逻辑连接 以1 ，点柬表示，h 点处町以设置标高、温度和气化压力等参数。用户最刁i 利点 至泵组出水管处所需扬程以节点1 8 、2 0 来建模，元件及节点均有编号，兀件标 号使用较大宁体，元件与节点及元件与元件之间采用细线表示逻辑连接。 特别注意各元件的端 具有方向性，比如一端口元件压力源元件。其物理 模型是如图4 3 所示。 第4 章虚压供水系统建模 日 刚4 3 压力源模掣 它是端口元件，它的特性表为下图 d a t ar i t i l l v r 1 1 a ，s i b l eo t e a s t mv i i t 丁! l ri 【_ ，k e 如m e n c n e 出n l l j p o 障v j j ec h 一- - 一一 ) “f o n 一 “d n “s “ 口 6 t t 开。m 。+ 如t 巴 叭l c d “m 。“1h “s “厂 p r e ed e f l n e d h 自t_ _ v d r ds m e rs 讪r r _ t o t d h elo l 瓣5b _ s t “lcp n s “1 c t t 1 口en - t 。 t o t df r t ieh “_ _ s t a t ief vt n ts tr7 t e ”p yt h 。s e t r 1 k = 血t = 0 “0 “ l 0 n z m r n dm o d 1b 删”y s 岫，一 匕 h j m 7 一s s 讪h 口 目44 乐力源元件特性参数 在每个属性栏中都可以瑷置此元件的一些相对应的参数。它的仿真结果参 幽4 s 结果盘看幽 第4 章叠压供水系统建模 在上图中，我们可以看到此元件的可以查看的结果是a r m tl 端的体积流量， 每个元件规定的参考方向都是在模型上直接显示的。如果实际中的某个物理量 的方向和规定的参考方向相同，则为正值，否则即为负值。 4 5 本章小结 本章介绍了系统建模的一些概念，并且说明选用此软件的原因， f l o w m a s t e r 软件在做供水管网仿真和系统分析上有优势，比如可视化，然 后着重对f l o w m a s t e r 软件进行介绍，搭建了工程系统模型。 2 4 第5 章工程项目仿真 第5 章工程项目仿真 5 1 项目简介 江西省南昌市某小区总共有1 5 栋，层高3 米。l 一1 3 栋均为6 层，每层2 户 人，但是每栋的单元数并不完全一样。第2 ，6 ，7 栋为2 单元，共有7 2 户；第 1 ，3 ，4 ，5 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 栋均为3 单元，共有2 8 8 户；第8 ，9 栋为四单元， 共有9 6 户。第1 4 ，1 5 栋有1 8 层，每层6 户，共有2 1 6 户。负一层为车库，负 一层夹层为自行车库。所以总共有6 7 2 户。 高层建筑由于高度很高，如果只采用一个区供水，则下层给水压力过大， 会带来许多不利之处。这些不利之处表现在：容易产生水锤，破坏器具的零件， 容易造成漏水，水栓和其它零部件受压部