第7章管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算

1、第第7章章 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)7.1 給水管網(wǎng)造價(jià)計(jì)算管道單位長(zhǎng)度造價(jià)c給水管道單位長(zhǎng)度造價(jià)（元給水管道單位長(zhǎng)度造價(jià)（元/m）ijijlbDaC管網(wǎng)造價(jià)管網(wǎng)造價(jià)為所有管段造價(jià)之和：為所有管段造價(jià)之和：7.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮內(nèi)容 水量 水壓 約束條件 水質(zhì)安全 可靠性 經(jīng)濟(jì)性 目標(biāo)函數(shù)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)定義 在考慮各種目標(biāo)的前提下，求出一定設(shè)計(jì)年限內(nèi)，管網(wǎng)建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和為最小時(shí)的管段直徑或水頭損失，及求出經(jīng)濟(jì)管徑或經(jīng)濟(jì)水頭損失。 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一組數(shù)學(xué)公式。組數(shù)學(xué)公式。 例如：給水管網(wǎng)水

2、力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。例如：給水管網(wǎng)水力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)，需要滿足的條件表達(dá)式稱，需要滿足的條件表達(dá)式稱為為約束條件約束條件。 供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：以以管網(wǎng)供水成本最管網(wǎng)供水成本最低低為目標(biāo)函數(shù)，以為目標(biāo)函數(shù)，以供水安全性最佳供水安全性最佳為約束條件的為約束條件的管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為經(jīng)濟(jì)管徑經(jīng)濟(jì)管徑或

3、或經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速。 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一組數(shù)學(xué)公式。組數(shù)學(xué)公式。 例如：給水管網(wǎng)水力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。例如：給水管網(wǎng)水力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)，需要滿足的條件表達(dá)式稱，需要滿足的條件表達(dá)式稱為為約束條件約束條件。 供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：以以管網(wǎng)供水成本最管網(wǎng)供水成本最低低為目標(biāo)函數(shù)，以

4、為目標(biāo)函數(shù)，以供水安全性最佳供水安全性最佳為約束條件的為約束條件的管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為經(jīng)濟(jì)管徑經(jīng)濟(jì)管徑或或經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速。 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一描述自然現(xiàn)象或工程對(duì)象的一個(gè)或一組數(shù)學(xué)公式。組數(shù)學(xué)公式。 例如：給水管網(wǎng)水力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。例如：給水管網(wǎng)水力計(jì)算環(huán)方程組、節(jié)點(diǎn)方程組。 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最在一定條件下求解一個(gè)或多個(gè)最大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)大或最小目標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。描述目標(biāo)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)，需要滿足的條件表達(dá)式稱，

5、需要滿足的條件表達(dá)式稱為為約束條件約束條件。 供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：以以管網(wǎng)供水成本最管網(wǎng)供水成本最低低為目標(biāo)函數(shù)，以為目標(biāo)函數(shù)，以供水安全性最佳供水安全性最佳為約束條件的為約束條件的管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，表達(dá)形式為經(jīng)濟(jì)管徑經(jīng)濟(jì)管徑或或經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速。6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)：給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)：年費(fèi)用折算值年費(fèi)用折算值。 年費(fèi)用折算值年費(fèi)用折算值 管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用年平均償還額管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用年平均償還額 年維護(hù)費(fèi)（年折舊費(fèi)及修理費(fèi)）年維護(hù)費(fèi)（年折舊費(fèi)及修理費(fèi)） 年運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)（電費(fèi)）：年運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)

6、（電費(fèi)）： (7.1)W年費(fèi)用折算值，元年費(fèi)用折算值，元/a；C管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用，元；管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用，元；T管網(wǎng)建設(shè)投資償還期，管網(wǎng)建設(shè)投資償還期，a；Y1管網(wǎng)年折舊和大修費(fèi)用，管網(wǎng)年折舊和大修費(fèi)用，元元/a，一般按管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用的固定比率計(jì)算，可表示為：，一般按管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用的固定比率計(jì)算，可表示為： (7.2)p管網(wǎng)年折舊和大修費(fèi)率，一般管網(wǎng)年折舊和大修費(fèi)率，一般P=2.53.0左右；左右；Y2管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用，元管網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用，元/a，泵站的年運(yùn)行總電費(fèi)。，泵站的年運(yùn)行總電費(fèi)。6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)6.2 給水

7、管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)7.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)泵站年運(yùn)行電費(fèi)按全年各小時(shí)運(yùn)行電費(fèi)累計(jì)計(jì)算，泵站年運(yùn)行電費(fèi)按全年各小時(shí)運(yùn)行電費(fèi)累計(jì)計(jì)算，可用下式表示：可用下式表示：pppptttptpthPqhqEEhgqy860003652412Et 全年各小時(shí)電價(jià)，元全年各小時(shí)電價(jià)，元/(KWh) ； 水密度，水密度，t/m3，近似取，近似取1； g 重力加速度，取重力加速度，取9.81 m/s2 ； qpt 全年各小時(shí)流量，全年各小時(shí)流量，m3/s； hpt 全年各小時(shí)揚(yáng)程，全年各小時(shí)揚(yáng)程，m；t 全年綜合效率，為變壓器、電機(jī)和傳動(dòng)效率

8、之積；全年綜合效率，為變壓器、電機(jī)和傳動(dòng)效率之積； E 最大時(shí)電價(jià)，元最大時(shí)電價(jià)，元/KWh；qp 最大時(shí)流量，最大時(shí)流量，m3/s； Hp 最大時(shí)揚(yáng)程，最大時(shí)揚(yáng)程，m； 泵站最大時(shí)綜合效率；泵站最大時(shí)綜合效率；* 注：注： g x 24 x 365 = 85935 86000泵站年運(yùn)行總電費(fèi)泵站年運(yùn)行總電費(fèi)：泵站年運(yùn)行總電費(fèi)：式中，式中， Y2i泵站泵站i的年運(yùn)行電費(fèi)，元的年運(yùn)行電費(fèi)，元/a；Pi泵站泵站i的單位運(yùn)行電費(fèi)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的單位運(yùn)行電費(fèi)經(jīng)濟(jì)指標(biāo), 元元/m3/sma）；）； qi管段管段i最大時(shí)流量，即泵站設(shè)計(jì)流量，最大時(shí)流量，即泵站設(shè)計(jì)流量，m3/s； hpi管段管段i上泵站最大時(shí)揚(yáng)

9、程，上泵站最大時(shí)揚(yáng)程，m。 MipiiiMiihqPyY1122 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的約束條件水力約束條件節(jié)點(diǎn)水頭約束條件供水可靠性和管段設(shè)計(jì)流量非負(fù)約束條件非負(fù)約束條件 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型約束條件7.3輸水管的技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算壓力輸水管重力輸水管7.3.1壓力輸水管壓力輸水管假設(shè)壓力輸水管由假設(shè)壓力輸水管由N個(gè)節(jié)點(diǎn)和個(gè)節(jié)點(diǎn)和N-1條管段組成，泵站條管段組成，泵站設(shè)于管段設(shè)于管段1上，如圖所示。上，如圖所示。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸水管線的起點(diǎn)為上控制點(diǎn)，終點(diǎn)為下控制輸水管線的起點(diǎn)為上控制點(diǎn)，終點(diǎn)為下控制點(diǎn)，中間各節(jié)點(diǎn)均非控制點(diǎn)，它們的虛流量為零，點(diǎn)，中間各節(jié)點(diǎn)均非控制

10、點(diǎn)，它們的虛流量為零，這意味著所有管段虛流量相等，即：這意味著所有管段虛流量相等，即： qqqqqN 13121在第一條管段上設(shè)有泵站，泵站單位費(fèi)率記為在第一條管段上設(shè)有泵站，泵站單位費(fèi)率記為P，則管段輸流量為：則管段輸流量為： 各管段最優(yōu)直徑為：各管段最優(yōu)直徑為： PQPqq1mnimniiifPQqqfqD11)()(7.3.2 重力輸水管重力輸水管，輸水動(dòng)力來(lái)自起點(diǎn)和終點(diǎn)的水頭差，重力輸水管，輸水動(dòng)力來(lái)自起點(diǎn)和終點(diǎn)的水頭差，記為：記為：重力輸水管各管段虛流量也應(yīng)相等，但計(jì)算方法不重力輸水管各管段虛流量也應(yīng)相等，但計(jì)算方法不同。根據(jù)能量方程有：同。根據(jù)能量方程有： 各管段最優(yōu)直徑為：各管段

11、最優(yōu)直徑為： NHHH1HSqqShNiinNiniiNii111111nNiiSHq111)(mnimNiimnimniiiqlqHkqfqD1111)()(已定流量下管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型7.4已定設(shè)計(jì)流量下的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算已定設(shè)計(jì)流量下的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算上述模型是一個(gè)上述模型是一個(gè)凸規(guī)劃凸規(guī)劃問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)極值是最小值。問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)極值是最小值。 7.4已定設(shè)計(jì)流量下的管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算已定設(shè)計(jì)流量下的管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化管段虛流量管段虛流量qi經(jīng)濟(jì)因素經(jīng)濟(jì)因素f虛流量指數(shù)虛流量指數(shù)ni7.4.2不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化管段

12、虛阻系數(shù)管段虛阻系數(shù)Si 沿程損失可以用管段虛阻系數(shù)和虛流量計(jì)算沿程損失可以用管段虛阻系數(shù)和虛流量計(jì)算7.4.2不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化 管段虛流量連續(xù)性方程節(jié)點(diǎn)虛流量流出 節(jié)點(diǎn)為正；流入 節(jié)點(diǎn)為負(fù)7.4.2不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化討論：討論：對(duì)于管網(wǎng)起端節(jié)點(diǎn)，即該節(jié)點(diǎn)只有管段流量流出，沒(méi)有管段流量流入，節(jié)點(diǎn)虛流量只能流入節(jié)點(diǎn)，恒為負(fù)值，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)水頭與管網(wǎng)年費(fèi)用折算值變化方向總是相反的。 工程意義：工程意義：該節(jié)點(diǎn)水頭越高，與之關(guān)聯(lián)的管段直徑越小，必然使管網(wǎng)年費(fèi)用折算值越低，這說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)水頭應(yīng)盡量取最大值，即最大允許水頭。7.4.2不設(shè)泵站管網(wǎng)

13、節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化不設(shè)泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化對(duì)于管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)，即該節(jié)點(diǎn)只有管段流量流入，沒(méi)有管段流量流出，節(jié)點(diǎn)虛流量只能流出節(jié)點(diǎn)，恒為正值，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)水頭與管網(wǎng)年費(fèi)用折算值變化方向總是相同的， 工程意義工程意義：該節(jié)點(diǎn)水頭越低，與之關(guān)聯(lián)的管段直徑越小，必然使管網(wǎng)年費(fèi)用折算值越低，這說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)水頭應(yīng)盡量取最小值，即最小允許水頭。7.4.3設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化泵站最優(yōu)揚(yáng)程：當(dāng)管段壓降足夠大時(shí)當(dāng)管段壓降足夠大時(shí)(大于或等于臨界壓降）大于或等于臨界壓降） 管段不需要設(shè)置泵站，水流靠壓差輸送管段不需要設(shè)置泵站，水流靠壓差輸送管段壓降小于臨界壓降時(shí)，管段設(shè)置泵站管段壓降小于臨界壓降時(shí)，

14、管段設(shè)置泵站7.4.3設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化管段虛流量：臨界虛流量臨界管徑7.4.3設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化設(shè)置泵站管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化總結(jié)：節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化算法總結(jié)：節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化算法 1）計(jì)算各管段虛阻系數(shù)和臨界壓降； 2）擬定各節(jié)點(diǎn)水頭初值； 3）判斷各管段是否設(shè)置泵站； 4）計(jì)算各管段虛流量； 5）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)虛流量； 6）判斷是否滿足最優(yōu)條件，若不滿足調(diào)整； 7）分別計(jì)算各管段最優(yōu)直徑和泵站最優(yōu)揚(yáng)程。7.4.4對(duì)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化解的幾點(diǎn)討論對(duì)節(jié)點(diǎn)水頭優(yōu)化解的幾點(diǎn)討論 1 虛流量的分布規(guī)律 2 上控制點(diǎn)經(jīng)優(yōu)化后Qj0且Hj=Hminj一般為離水源較遠(yuǎn)或地勢(shì)較高的用戶用水節(jié)點(diǎn)。

15、7.5 管網(wǎng)近似優(yōu)化計(jì)算工程意義：工程意義：在前述給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，無(wú)論是設(shè)計(jì)流在前述給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，無(wú)論是設(shè)計(jì)流量分配的優(yōu)化還是節(jié)點(diǎn)水頭的優(yōu)化，都采量分配的優(yōu)化還是節(jié)點(diǎn)水頭的優(yōu)化，都采用了一些假設(shè)和簡(jiǎn)化處理，計(jì)算所得最優(yōu)用了一些假設(shè)和簡(jiǎn)化處理，計(jì)算所得最優(yōu)管徑往往不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，所以嚴(yán)格意義上管徑往往不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，所以嚴(yán)格意義上的優(yōu)化管徑實(shí)際上是不可行的。的優(yōu)化管徑實(shí)際上是不可行的。為了減少人工計(jì)算工作量，在工程可以采取為了減少人工計(jì)算工作量，在工程可以采取近似方法，只要運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些理論近似方法，只要運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些理論指導(dǎo)，方法使用得當(dāng)，可以保證一定精度。指導(dǎo)，方法使用得當(dāng)，可

16、以保證一定精度。 7.5.1管段設(shè)計(jì)流量的近似優(yōu)化分配1、對(duì)于多條平行主干管，設(shè)計(jì)流量相差不要太大，以便在事故時(shí)相互備用；2、保證與主干管垂直的連通管上有一定的流量，以保證在事故時(shí)溝通主干管的能力；3、盡量做到主要設(shè)計(jì)流量以較短的路線流向大用戶和主要供水區(qū)域，多水源管網(wǎng)應(yīng)首先確定各水源設(shè)計(jì)供水流量，然后根據(jù)設(shè)計(jì)供水流量擬定各水源大致供水范圍并劃出供水分界線；4、多水源或?qū)χ盟芫W(wǎng)中，各水源及對(duì)置水塔之間至少有一條有較大過(guò)流能力的通路，以便于水源之間供水量的相互調(diào)節(jié)及低峰用水時(shí)向水塔供水。5、一般情況下，要保證節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)性條件滿足。6、避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)流量特別小的管段和明顯不合理的管段流向。7.5.2管段虛流量的近似分配估算管段虛流量遵循的原則：1、首先確定需要設(shè)泵站的管段，管段的虛流量為2、與水塔相連的輸水管，其虛流量亦可按其中qi=Piqi Pi取各泵站的最大值；3、管網(wǎng)中間的節(jié)點(diǎn)一般不是控制點(diǎn)，所以Qi=0，即不考慮虛流量流出。4、管段虛流量的方向與設(shè)計(jì)流量的方向保持一致;5、對(duì)于多條管段虛流量流入或流出節(jié)點(diǎn)，它們的虛流量分配比例可以參考其設(shè)計(jì)流量的比例。6、虛流量只能從