長距離泵輸水工程管道經濟管徑計算

劉 峰

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在高揚程、長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，管道經濟口徑的確定對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供水系統工程為例，結合工程具體特點進行比選，探討長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供水系統工程位于新疆克拉瑪依區境內，供水系統工程包括：泵站工程、壓力管線工程及高位水池。按照城市發展規劃，區內的用水量需求是一個長期逐步增長的過程，根據規劃部門的意見，泵站須為遠期預留，確定泵站工程近期規模為10.0 萬m3/d，遠期規模為20.0 萬m3/d，泵站按每天16 h 運行。

泵站近期設3 臺泵，2 臺工作泵1 臺備用泵；遠期共5 臺泵，4 臺工作泵1 臺備用泵。壓力管線工程包括新建5.9 km 管線及其構筑物，管道采用成品螺旋縫焊接防腐鋼管，設計承壓2.8 MPa。管線工程末端設4.0 萬m3調節池。本工程中泵輸水管道為埋地式壓力管道，位于擬建調節池與泵站之間，高差約100 m，地形坡度1.5°左右。

2 管徑選擇原則

由于供水系統工程的壓力輸水管線長，管道投資大，須對其進行優化設計。在確定了管道布置線路及管材后，長距離泵輸水管線管道直徑的確定是主要任務。管道直徑大，則水流速度小，水頭損失小，相應的水泵提水所需的揚程低，耗電費用少，但管道投資大；管道直徑小，則水流速度大，水頭損失大，水泵揚程高，年運行電費多，但管道投資小[2]。

管徑的確定，應滿足以下原則：

1）管網任意處工作壓力的最大值應小于該處管道的公稱壓力；

2）管道流速應大于不淤流速(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）設計管徑須是已生產的管徑規格；

4）在設計運行工況下，不同的運行方式時水泵應盡可能在高效區內工作[4]。

3 費用年值法

長距離泵輸水工程管徑選擇通常采用費用年值法或費用現值法，這兩種方法原理一致，都是以費用最少為原則得出最優管徑[2]。年值法是將管道敷設總費用按等額分付現值折算成每年的等額的費用，再與年經營成本進行累加，即：

式中：WN為總投資年值，萬元；CN為管道投資費用年值，萬元；Ce為計算期內運行電費年值，萬元；Cm為計算期內管道維護保養費用年值，萬元。

年運行電費與系統供水量、水泵揚程、運行時間成正比，與水泵及電機效率成反比，年運行電費可用下式計算。

式中：Hst為泵站的凈揚程，m；Q 為 Hst對應的泵站流量，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 為年運行時間，h；f 為電價費用，元/（kW·h）。

4 經濟管徑確定過程分析

以克拉瑪依市中心城區供水系統工程為例，計算經濟管徑。泵站工程近期規模為10.0 萬m3/d，設3 臺泵，2 臺工作泵1 臺備用泵；遠期規模為 20.0 萬 m3/d，共布置 5 臺水泵，4 臺工作泵1 臺備用泵。近期供水量為遠期供水量的50%。供水方式從滿足近、遠期不同輸水規?？紤]，采用以下兩個方案：1）近、遠期共一根輸水管，4 臺水泵供一根壓力管道方案；2）近、遠期分兩根輸水管，2 臺水泵供一根壓力管道方案。近、遠期工程建設期均為1 a，計算年限n 取20 a。

4.1 管徑初步擬定

現按以上兩個方案進行同精度論證，分析和比較，分別按經濟管徑公式計算后，擬定出三個比較管徑。管徑初步擬定計算見表1。

表1 經濟管徑計算表

4.2 確定經濟管徑

以克拉瑪依市中心城區供水系統工程為例，通過費用年值法計算求得總年運行費最小值時的管徑，即為鋼管的經濟直徑。不同管徑水力學計算成果見表2。

表2 不同管徑水力學計算表

總投資年值最小的方案，動能經濟較優。計算成果見表3。

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

下面將兩個供水方案的工程量、投資、經濟效益、施工、運行等方面的優缺點綜合分析見表4。

表3 動能經濟計算成果表

表4 兩種供水方案比較表

通過比較，雙管方案投資及運行費均大于單管方案，其中投資雙管大于單管方案1470 萬元，年運行費雙管大于單管方案37 萬元。按20 年運行計算，單管方案占明顯優勢，推薦設1 根DN1400 鋼管，4 臺水泵并聯運行的方式較優。

5 結語

對于長距離輸水管道工程經濟管徑的確定,先根據經濟流速初選出3 個以上管徑，再采用年費最小法進行技術經濟比選，確定時必須多方面綜合考慮。本工程運行初期和遠期輸水流量不同，通過以上計算與比選，探討了供水工程管徑比選方法，為類似工程提供借鑒。