给水管网布置方法探讨

摘要:本文作者从自己的实际工程经验出发,进行给水管网系统规划和布置,提出给水管网优化设计的高速公路理论和多工况控制进行给水管网优化设计的方法,编写计算机软件系统,并通过例题和黄河水源太原市80万米3/日的管网扩建实际工程进行验证。结果表明,应用这一全新的管网规划和优化设计理论进行管网的优化设计,可使所设计的管网系统能够满足近期和远期的供水要求、避免在施工中出现的大范围破坏路面的问题,并可节省工程投资,使供水条件更有利。

关键词:管网布置 高速公路 优化设计 多工况

TRACT With the help of their real engineering experiences and the design methods of expressway in metropolises, the authors present the expressway theory and multiple load control for layout and optimal designs of water supply net work systems. They compiled one software. The paper presents an example and a real expended water supply net work engineering, 800,000m3 per day's flow of Yellow River sources of Taiyuan, Shanxi province. The research results evince that with the new theory and method, we can design the water supply net works to match the requirements of the future, avoid the broken of road in construction, save investment and have good hydraulic conditions.
Keywords: net works, Expressway, Optimal design, Mutiple load, Water supply 一、概述随着社会的发展,我国人口的城市化比例越来越高,各城市的工业产值不断提高,从而使城市供水日趋紧张,不但对水量的需求越来越大,对水质的要求也越来越高。目前,大多数城市的用水率已进入“S”增长的加速上升期[1],水已成为制约许多城市迅速发展的关键因素之一。城市供水部门已认识到供水的重要性,都已开始实施大规模的引水工程,如引黄工程等。目前开始实施国家“十五”计划,各城市的引水工程大多已进入水厂建设阶段,从而使管网配套工程显得尤为迫切。
网工程投资巨大,管线埋藏于地下,从而使资金浪费、供水不合理等问题不易曝露,存在的隐患较多。为了彻底消除这些不合理因素,必须在管网规划和设计阶段,进行合理的规划和优化设计,并进行系统的现状、近期和远期的水力模拟校核,以期能达到设计最优化的目的。
本文提出网优化设计的高速公路理论,利用计算机软件加以实现[2],并通过太原市黄河水源80万米3/日的管网扩建工程加以验证。结果表明,这一方法可适用于大中型城市的管网扩建工程。 二、 网多工况优化设计的高速公路理论分析1、 网优化设计的高速公路理论分析
网规划、定线是管网设计的初始阶段,其布置的合理与否直接关系到供水运行的合理与否及水泵扬程的设置。在管网规划和布置中存在的主要问题是,当城市的发展重心、投资方向、城市规划,或供水规模发生变化时,按常规方法所设计的管网,由于无法解决优化及对条件变化适应性的矛盾,使设计、管理及施工部门常常处于被动的“修补”地位,从而出现道路的多次“开膛破肚”,造成大量的破坏和人工及资源的浪费。出现这一现象的根本原因,在于设计人员自始止终的下意识里就存在对管网系统“修修补补”的固有设计思路,没有从宏观及方法上加以拓展。
我们都知道,高速内环或外环道路,可以大幅度地提高一个城市的交通运输能力,其投资/效益比是相当高的。高速环线之所以能够提高运输能力,主要原因是提高了车速。基于这一思路,我们提出网设计的高速公路理论,反映到管网的规划及定线上,可以从以下几个方面加以考虑:
1)对中小型城市,选择一条纵向上可布置双管的“主干线”或形成“内环线”,如果是主干线,则尽量使干线到左右两侧边缘的距离相近;如果是内环线,则使环线到外侧边缘的距离与到环中心的距离相近。对大型城市,可以考虑建立双环线或“中”字线。
2)在环线上,使环线只与干管相连,不与支管相连,这样在水力上可以减小局部水头损失的影响,在技术上可以避免大口径管线与小口径管线的连接,节省投资。在环线上之所以要尽量避免局部水头损失,其原因在于,环线的管径比较大,流速也大,按照hf=ξV2/2g,ξ=(0.1~1.5)+(0.03~0.49) [3] ,如果取ξ=1.0, v=2.0,则hf=0.2米,也就是说,每接一条管子,则存在0.2米的水头损失,这样对下游的影响较大。
3)水流从环线上下来后,通过支管连接到用户,这时可使这些支管尽量缩小,满足最小水压的要求即可。其原因是,城市供水的快速增长主要来自于城市规模的不断扩大和新增工业、企业的发展,而在市区内,由于人口和工业布局的相对稳定,用水量的变化比较小。
通过高速公路理论进行管网布置的特点是,在环线建设时,尽量考虑到远期用水量的增长,使之满足远期的供水要求,而无需考虑远期供水的方向,从而避免由于供水重心的变化而造成的管网的大变动,使管网的适应范围更广。通过算例证明,应用高速公路理论所设计的管网,其投资同采用常规布置并进行管网优化的方法相近。
2、 网多工况优化计算
所谓多工况优化计算,就是在优化过程中,同时考虑到最大用水时、事故时、消防时、最大转输时等各种可能出现的供水工况,使所设计的管网系统同时满足多种工况的供水要求[]1,4,5,6]
1)目标函数
管网的目标函数是通过年费用折算值来表示: L:供水工况数;S:水泵台数;e:电费(元/KWh); Qij:水泵i在供水情况j下的供水量(l/s); Hij:水泵i在供水情况j下的供水扬程(米); Tij:水泵i在供水情况j下的运行时间占全年时间的百分数;ηij:水泵i在供水情况j下的运行效率;p:管段数;Ckn相对应于管径的每米管线在n区的投资(元/米);Lkn对应于管径的管线在n区的长度(米);y:贴现率;t:项目计算期(年)。
2)约束条件
(1)节点方程约束
AH=B
其中A为线性化系数矩阵,H为各个节点的水压:H=[H1,H2,H3,…,Hn]T;
B为各节点的节点流量,对于非水源节点,bi=qi; 对于水源节点,bi=1050Hr;
B=[b1,b2,…,bn]T
(2)节点水压约束
Hij≥Hrij ,i:节点号;j:供水情况;Hr:节点的最低要求水头;
(3)管径范围约束
Di={D1i,D2i,…,Ddi},i:管段链号;d:标准管径个数。
(4)节点流量约束
qi={q1i, q2i, …, qui}, i:节点号; u: 供水工况数。
(5)水泵流量-扬程约束
水泵扬程使之在已输入的水泵特性曲线上运行,偏离高效区或离开这一曲线,则认为必须修改条件或更换水泵。
H=H0+aQ+bQ2, H0:水泵静扬程(米);a,b:系数;
(6)水源水量约束 , s:水源数; n:节点数;