長(zhǎng)距離泵輸水工程管道經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算

劉 峰

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在高揚(yáng)程、長(zhǎng)距離輸水管道的泵輸水工程中，壓力輸水管道的投資占總投資的比例很大，管道的直徑是影響管道投資的重要因素之一，管道經(jīng)濟(jì)口徑的確定對(duì)保證正常供水和降低工程投資意義重大[1]。本文以新疆克拉瑪依市中心城區(qū)供水系統(tǒng)工程為例，結(jié)合工程具體特點(diǎn)進(jìn)行比選，探討長(zhǎng)距離供水工程管徑選擇的方法。

1 工程概述

克拉瑪依市中心城區(qū)供水系統(tǒng)工程位于新疆克拉瑪依區(qū)境內(nèi)，供水系統(tǒng)工程包括：泵站工程、壓力管線(xiàn)工程及高位水池。按照城市發(fā)展規(guī)劃，區(qū)內(nèi)的用水量需求是一個(gè)長(zhǎng)期逐步增長(zhǎng)的過(guò)程，根據(jù)規(guī)劃部門(mén)的意見(jiàn)，泵站須為遠(yuǎn)期預(yù)留，確定泵站工程近期規(guī)模為10.0 萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模為20.0 萬(wàn)m3/d，泵站按每天16 h 運(yùn)行。

泵站近期設(shè)3 臺(tái)泵，2 臺(tái)工作泵1 臺(tái)備用泵；遠(yuǎn)期共5 臺(tái)泵，4 臺(tái)工作泵1 臺(tái)備用泵。壓力管線(xiàn)工程包括新建5.9 km 管線(xiàn)及其構(gòu)筑物，管道采用成品螺旋縫焊接防腐鋼管，設(shè)計(jì)承壓2.8 MPa。管線(xiàn)工程末端設(shè)4.0 萬(wàn)m3調(diào)節(jié)池。本工程中泵輸水管道為埋地式壓力管道，位于擬建調(diào)節(jié)池與泵站之間，高差約100 m，地形坡度1.5°左右。

2 管徑選擇原則

由于供水系統(tǒng)工程的壓力輸水管線(xiàn)長(zhǎng)，管道投資大，須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在確定了管道布置線(xiàn)路及管材后，長(zhǎng)距離泵輸水管線(xiàn)管道直徑的確定是主要任務(wù)。管道直徑大，則水流速度小，水頭損失小，相應(yīng)的水泵提水所需的揚(yáng)程低，耗電費(fèi)用少，但管道投資大；管道直徑小，則水流速度大，水頭損失大，水泵揚(yáng)程高，年運(yùn)行電費(fèi)多，但管道投資小[2]。

管徑的確定，應(yīng)滿(mǎn)足以下原則：

1）管網(wǎng)任意處工作壓力的最大值應(yīng)小于該處管道的公稱(chēng)壓力；

2）管道流速應(yīng)大于不淤流速(一般取0.5 m/s)，小于最大允許流速（通常在 2.5 m/s～3.0 m/s）[3]；

3）設(shè)計(jì)管徑須是已生產(chǎn)的管徑規(guī)格；

4）在設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下，不同的運(yùn)行方式時(shí)水泵應(yīng)盡可能在高效區(qū)內(nèi)工作[4]。

3 費(fèi)用年值法

長(zhǎng)距離泵輸水工程管徑選擇通常采用費(fèi)用年值法或費(fèi)用現(xiàn)值法，這兩種方法原理一致，都是以費(fèi)用最少為原則得出最優(yōu)管徑[2]。年值法是將管道敷設(shè)總費(fèi)用按等額分付現(xiàn)值折算成每年的等額的費(fèi)用，再與年經(jīng)營(yíng)成本進(jìn)行累加，即：

式中：WN為總投資年值，萬(wàn)元；CN為管道投資費(fèi)用年值，萬(wàn)元；Ce為計(jì)算期內(nèi)運(yùn)行電費(fèi)年值，萬(wàn)元；Cm為計(jì)算期內(nèi)管道維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用年值，萬(wàn)元。

年運(yùn)行電費(fèi)與系統(tǒng)供水量、水泵揚(yáng)程、運(yùn)行時(shí)間成正比，與水泵及電機(jī)效率成反比，年運(yùn)行電費(fèi)可用下式計(jì)算。

式中：Hst為泵站的凈揚(yáng)程，m；Q 為 Hst對(duì)應(yīng)的泵站流量，m3/s；ρ 為水的密度，kg/m3；g 為每千克水所受的重力，g=9.8 N/kg。ηst為泵站效率值；t 為年運(yùn)行時(shí)間，h；f 為電價(jià)費(fèi)用，元/（kW·h）。

4 經(jīng)濟(jì)管徑確定過(guò)程分析

以克拉瑪依市中心城區(qū)供水系統(tǒng)工程為例，計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑。泵站工程近期規(guī)模為10.0 萬(wàn)m3/d，設(shè)3 臺(tái)泵，2 臺(tái)工作泵1 臺(tái)備用泵；遠(yuǎn)期規(guī)模為 20.0 萬(wàn) m3/d，共布置 5 臺(tái)水泵，4 臺(tái)工作泵1 臺(tái)備用泵。近期供水量為遠(yuǎn)期供水量的50%。供水方式從滿(mǎn)足近、遠(yuǎn)期不同輸水規(guī)模考慮，采用以下兩個(gè)方案：1）近、遠(yuǎn)期共一根輸水管，4 臺(tái)水泵供一根壓力管道方案；2）近、遠(yuǎn)期分兩根輸水管，2 臺(tái)水泵供一根壓力管道方案。近、遠(yuǎn)期工程建設(shè)期均為1 a，計(jì)算年限n 取20 a。

4.1 管徑初步擬定

現(xiàn)按以上兩個(gè)方案進(jìn)行同精度論證，分析和比較，分別按經(jīng)濟(jì)管徑公式計(jì)算后，擬定出三個(gè)比較管徑。管徑初步擬定計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算表

4.2 確定經(jīng)濟(jì)管徑

以克拉瑪依市中心城區(qū)供水系統(tǒng)工程為例，通過(guò)費(fèi)用年值法計(jì)算求得總年運(yùn)行費(fèi)最小值時(shí)的管徑，即為鋼管的經(jīng)濟(jì)直徑。不同管徑水力學(xué)計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 不同管徑水力學(xué)計(jì)算表

總投資年值最小的方案，動(dòng)能經(jīng)濟(jì)較優(yōu)。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

從以上計(jì)算可以看出，兩種供水方案中近、遠(yuǎn)期共一根輸水管（4 臺(tái)水泵供一根壓力管道），DN1400 較優(yōu)；近、遠(yuǎn)期分兩根輸水管（2 臺(tái)水泵供一根壓力管道），DN1000 較優(yōu)。

下面將兩個(gè)供水方案的工程量、投資、經(jīng)濟(jì)效益、施工、運(yùn)行等方面的優(yōu)缺點(diǎn)綜合分析見(jiàn)表4。

表3 動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算成果表

表4 兩種供水方案比較表

通過(guò)比較，雙管方案投資及運(yùn)行費(fèi)均大于單管方案，其中投資雙管大于單管方案1470 萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)雙管大于單管方案37 萬(wàn)元。按20 年運(yùn)行計(jì)算，單管方案占明顯優(yōu)勢(shì)，推薦設(shè)1 根DN1400 鋼管，4 臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的方式較優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道工程經(jīng)濟(jì)管徑的確定,先根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速初選出3 個(gè)以上管徑，再采用年費(fèi)最小法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定時(shí)必須多方面綜合考慮。本工程運(yùn)行初期和遠(yuǎn)期輸水流量不同，通過(guò)以上計(jì)算與比選，探討了供水工程管徑比選方法，為類(lèi)似工程提供借鑒。