水利计算的优化设计

1循环水管网设计过程

根据Q／SH0700—2008《给排水、消防管道配管设计规定》［3］中关于压力流管道流速的要求以及工艺装置用水量的要求进行计算，得出各装置用水量对应的管径以及主干管的管径。通过计算，得出的管径看似合理，并且根据手算最终选定水泵规格为Q＝10000m3／h，H＝47m。然而，实际情况并非如此，在实际的系统中还有弯头、三通以及相关的局部阻力原件，并且工艺设备各个供水点高度各不相同。以上种种因素给设计者带来了很大的计算难度。另外循环水系统为环路系统，必然涉及到流场平衡的问题，对于距离不同的供水点，不能仅仅考虑某1条支路，看其在经济流速下能否流过所需求的流量，而要统筹整个系统，做流场平衡计算。对于循环水系统的环路系统的阻力平衡问题，许多设计者并未考虑或者考虑到却无法手动计算。

2PIPENET软件计算

PIPENET标准模块可用于工程管网系统的稳态设计与流场（压力、压损、流量、流速）分布计算，拥有广泛的工业用途。利用PIPENET软件的水力计算可以避免最不利点选取错误，并且可以进行流场平衡计算。将管网按照实际长度及高程变化建模，输入经过人工计算的管径，并且将所有的管件、阀门等一一输入，然后锁定回水总管在循环水界区红线处的点作为计算点，保证满足回水压力0．25MPa及所有装置用水总量25338m3／h的要求而进行水力计算。PIPENET软件将自动衡量各个管网阻力并分配流量，最终计算得出各个管段的流量。经过计算发现按照经济流速所选取的管径并未和想象当中一样流过所需求的流量，而且发现某些供水点实际流量与所需的流量相差甚远，配水是不均匀的。为了使每个供水点都达到水量要求，就需要将泵的流量增大，这样便会出现原来低流量的供水点达到了流量要求，而水量本来已经达到要求的点的实际水量远远高出需求量很多的情况，产生很大的浪费。造成这种现象的原因就是设计人员并未考虑到各个供水点由于距离不同、高度不同、管网中管件阀门不同等诸多因素引起的流场不平衡问题。这些问题直接导致了循环水系统的管网管径配置不合理，从而引起某些换热器通过的流量过多，而某些换热器通过的流量又过少，冷却效果可想而知。虽然循环水管进入每台设备前都安装有阀门，然而这些阀门通常只作为关断阀之用，不用于流量调节。即使将这些阀门用作流量调节，受工作人员的素质水平和调节难度的影响，想要将整个系统流量调节平衡是很困难的。所以将流场平衡调节放在系统开车运行之后是不可行的。这个问题通过PIPENET软件可以得到很好地解决。在PIPENET模型上，可以通过调节管径和添加阻力件的方法来增加和减小某些管段的阻力。本项目采用调节管径的方法，采取先调整主管再调整支管，进行多次试算，最终找出满足流量要求的管径，在设计中将这个问题提前解决掉。通过软件分析进行流场平衡前、后管径变化及对比结果见表2、表3。通过对比可以发现，在未进行流场平衡前，循环水系统各个用水设备并未达到所需求的循环水量，冷却效果不佳，增大泵的出流量虽然可以弥补流场不平衡造成的某些换热器达不到需求流量的问题，但却要以巨大的经济浪费为代价。因此，为了使最不利点的流量达到需求流量，泵的出流量需要增加26996－25338＝1658（m3／h），而该流量完全可以通过平衡流场的方法节省下来的。流场平衡以后，将已经选好的泵的参数建立模型，并通过软件进行模拟。模拟后发现，各个供水点基本达到了所需的流量，并且压力完全满足0．4MPa的要求，但回水总管在循环水界区处的压力达到了0．37MPa，说明最初通过人工计算所选择的泵扬程是偏大的。其实，设计者在由最不利点反算选泵时，为了保证可靠性就已经将泵的扬程人为增加了，当3台泵并联一起工作时，扬程又会升高。这2个因素导致最终的压力比需求压力高出了12m。经过比较，将单台泵的扬程降低至35m，再通过软件进行模拟发现，各个用水点的流量和压力是完全符合要求的。软件计算前、后各用水点参数由表4可以看出，经过软件校核后所选泵的扬程为35m，比之前人工计算的47m降低了12m的扬程。扬程降低带来的不仅仅是设备购置费用的大大节省，对于用电量也是一笔不小的节省。从表4可以看出，软件校核后的泵实际运行工况比校核之前泵的实际运行工况输出压力降低了11．5m。按照工业用电价格1元／（kW·h），泵的效率及电机效率取相对较高的值90％进行计算。一年内单台泵多耗的电量为2612469kW·h，单台泵一年多消耗的电费为261万元，则3台泵多消耗电费为：261×3＝783万元。可以看出，在同样达到系统运行安全性和可靠性的前提下，人工选泵的盲目性导致了783万元／a的损失，长此以往企业将面临巨额的浪费。人工计算存在的两大计算盲点使得循环水泵的扬程和流量增加了很多，虽然同样达到了冷却效果，但却由于人为原因无法精确计算而无形中增加了两方面的投资：①无法平衡流场导致扬程和流量选择过高使得设备购置费增加；②所选水泵过大，使得水泵能量浪费，耗能投资增加。通过PIPENET软件进行建模，可以对循环水系统的运行工况进行模拟，直观地进行流场平衡计算，通过调节管径可以在满足经济流速的前提下获得所需的流量，并且准确地选取水泵的各项参数，使水泵在高效段运行，减少能量浪费，降低投资。

3结语

在大型循环水系统的设计中，管网的复杂程度使得设计者无法精确计算，尤其是流场平衡问题是设计者无法人工计算的。而流场的平衡又直接影响到水泵流量和扬程的选取。在选泵时，设计者往往过多地考虑设备使用的可靠性，选泵参数留有较大的富裕量，造成能量浪费。一个不平衡流场的水泵将会比平衡流场的水泵参数高很多。通过实际项目结合软件计算的结果可以看出，距离循环水场较近的供水点可适当选取经济流速内偏高的流速，而较远的供水点可适当选取经济流速内偏低的流速，这样调整可以平衡流场，降低水泵的流量和扬程，减小投资。通过软件进行循环水系统的水力计算，可以很直观地进行工况的模拟和流场平衡计算，而这正是单靠人工计算时阻碍设计进一步优化的拦路虎。本项目结合了软件的应用，通过实际工况的模拟让设计者可以预知设计中存在的问题，并且更加准确地对循环水系统进行计算和验证。随着时代的发展及国家对于节能低碳的逐步重视，结合先进的软件进行设计是发展趋势，在保证工艺设备循环水量要求的前提下能够更好地优化管网、平衡流场，最终达到降低投资，节省能源的目的。

作者：蒙晓非 赵光 单位：中石化宁波工程有限公司