2014全国勘察设计注册公用设备工程师考点解析

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：管网设计时应进行多方案技术经济比较，以确定优化方案，在优化设计时应考虑到4个方面，即保证供水所需的水量和水压，水质安全，可靠性和经济性。在进行管网技术经济比较时，先进行流量分配，然后采用优化的方法，写出以流量、管径表示的费用函数式，求得最优解。管网年费用折算值是按年计的管网建造费用和管理费用，它是管网技术经济计算的目标函数。

管网设计时应进行多方案技术经济比较，以确定优化方案，在优化设计时应考虑到4个方面，即保证供水所需的水量和水压，水质安全，可靠性（保证事故时水量）和经济性。管网的技术经济计算以经济性为目标函数，而将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件的表达式，以求出最优的管径或水头损失，也就是求出经济管径或经济水头损失。

管网布置、调节水池容积、泵站运行等都会影响技术经济指标。在进行技术经济计算之前，应确定水源位置，进行管网初步布置，拟定泵站运行方案，选定控制点所需的最小服务水头，计算出沿线流量和节点流量等。

管网建造费用中主要是管线的费用，包括水管及管网附件费用和挖沟埋管、基础、支墩、接口、试压、管线消毒等施工费用。泵站、水塔和水池在整个管网中所占费用相对较小。

管理费用中主要是供水所需动力费用，管网的技术管理和检修等费用所占的比例较低，动力费用与泵站的流量和扬程有关。扬程取决于控制点要求的最小服务水头、输水管和管网的水头损失等；水头损失则和管材、管段长度、管径和流速有关，当管网定线后，管材和管段长度已定，因此，建造费用和管理费用仅取决于流量和管径。

在实际管网工程设计中，在管网定线、管材选择等方面都应进行技术经济比较，以优化管网设计。在进行管网技术经济比较时，先进行流量分配，然后采用优化的方法，写出以流量、管径（或水头损失）表示的费用函数式，求得最优解。

1.方案技术经济比较

对于输配水工程，有多种技术经济比较的方法。评价中最为普遍的比较参数（或称为评价参数）是初投资、使用成本、投资分析（即投资偿还期）、总寿命周期成本。

对管网而言，可以通过以流量和管径（或水头损失）表示的费用函数式求出经济管径。但是由于实际工程的复杂性，从理论上计算管网造价和管理费用来求得经济管径的方式在设计中很少应用。设计中可采用平均经济流速来选择管径范围，然后进行不同管径方案的技术经济比较，从而确定工程设计选用的管径。

如某供水工程，单根输水管道输水流量为35万m³/d，在方案技术经济比较中，分别采用管径DN1600和DN1800进行投资比较、年经营成本比较和动态分析。其结论是：采用DN1800的输水管虽然管道铺设造价高，但运行费用大为降低，综合费用低。故设计选用DN1800管径的输水管。

管网年费用折算值是按年计的管网建造费用和管理费用，它是管网技术经济计算的目标函数。管网年费用折算值包括管网全部管线的年费用折算值、折旧大修理费以及供水动力费用。当各管段的流量已知，即流量已经分配时，就可求出目标函数的极小值，所得的是相应于最小年费用折算值的经济水头损失或经济管径。

重力供水时，无需抽水动力费用，管径由充分利用位置水头使管网建造费用为最低的条件确定。

2.输水管的技术经济计算

（1）压力输水管的技术经济计算从泵站到水塔的压力输水管由多条管段组成，每一管段年费用折算值为最小的经济管径，可按式（1-2-13）求得

式中，f为包括多种经济指标的综合参数；α、m分别为单位长度管线造价公式中的系数和指数，随水管材料和当地施工条件而异；n为输水管分段数。

当输水管全线流量不变时，上式变为

（2）重力输水管的技术经济计算重力输水系统靠重力输水，不需要供水动力费，经济管径仅由充分利用位置水头使管网建造费用为最低的条件确定，则可建立目标函数，即

式中，W₀为年费用折算值；p为每年扣除的折旧和大修费，以管渠造价的百分率计；t为投资偿还期；b为单位长度管线造价公式中的系数和指数。

因此技术经济计算问题是求出利用现有压力H（位置水头）并使管线建造费用为最低的管径。在选用管径时，应取相近而较大的标准管径，以免控制点的水压不足。

3.管网技术经济计算

起点水压未给的管网任一管段的流量、管径和水头损失之间有一定的换算关系，因此管网技术经济计算时，既可以求出经济管径，也可以求出经济水头损失。实际应用中，求经济水头损失h_ij较为方便，而经济管径可从h_ij求得。

管网技术经济计算原理基本上和输水管相同，只是在求函数W₀的极小值时还应符合每环的水力约束条件。至于节点流量平衡条件，在流量分配时已经满足。

水源位于高地依靠重力供水的管网，或从现有管网接出的扩建管网，都可以看做是起点水压已给的管网。求经济管径时需满足每环∑h_ij=0的水力条件和充分利用现有水压尽量降低管网造价的条件。

起点水压已给的管网的数学推导过程和起点水压未给的管网基本相同，差别在于起点水压已给的管网经济因素值f不同于起点水压未给的管网。

4.近似优化计算

因为设计流量本身的精度有限，而且计算所得的经济管径往往不是标准管径，所以可用近似的技术经济计算方法，在保证应有精度的前提下选择管径，以减轻计算工作量。

为了简化计算，可以将每一管段看做是与管网中其他管段无关的单独工作管段，为求出单独工作管段的经济管径，可应用界限流量的概念。

按式（1-2-14）求出的是在某一流量下的经济管径，但不一定等于市售的标准管径。由于市售水管的标准管径分档较少，因此，每种标准管径不仅有相应的最经济流量，并且有其经济的界限流量范围，在此范围内用这一管径都是经济的，超出界限流量范围就须采用大一号或小一号的标准管径。根据相邻两标准管径的年折算费用相等的条件可以确定界限流量。

城市的管网造价、电费、用水规律和水头损失公式等均有不同，所以不同城市的界限流量不同，绝不能任意套用。即使同一城市，管网建造费用和动力费用等也有变化，因此，必须根据当时当地的经济指标和所用水头损失公式确定界限流量。

单独管段折算流量公式为

根据上式求得的折算流量q₀，查表1-2-2即得经济的标准管径。

表1-2-2 界限流量表

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