杜曉云
(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院,山西 太原 030024)
山西省東山供水工程是“山西大水網(wǎng)”骨干工程之一,為“兩縱十橫”中的第五橫,是“十二五”期間為提高全省水資源配置能力而重點建設(shè)的互連互通工程。工程任務(wù)是從漳河流域水資源相對豐富的左權(quán)、榆社、武鄉(xiāng)等縣調(diào)水到汾河流域晉中南部的太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市、靈石縣,補充工農(nóng)業(yè)用水,年總供水量11219萬m3。工程輸水管(洞)線總長255km,其中壓力管線長178km、隧洞長78km。主要建筑物有進水塔、泵站、調(diào)壓井,隧洞、壓力管線、流量調(diào)節(jié)閥室、檢修閥室、排氣閥井、泄水閥井等,約480座。
工程輸水系統(tǒng)主要特點有:一是規(guī)模大、管(洞)線長、涉及面廣。二是多水源。取水水源4座,分別為關(guān)河水庫、云竹水庫、石匣水庫及二期水源工程,末端調(diào)蓄水庫7座(已建),分別為子洪水庫、咸陽河水庫、南王水庫、源神廟水庫、尹回水庫、下梁水庫及大溝水庫等。三是輸水方式多,水流控制難。工程輸水方式有無壓隧洞明流輸水、壓力管道重力流、壓力管道泵流,各輸水方式間多處進行轉(zhuǎn)換,工程安全條件下的水流平順控制是技術(shù)方案的要點。四是調(diào)度管理復(fù)雜,取水水源間的調(diào)度及調(diào)出水與當(dāng)?shù)厮g的信息化調(diào)度是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,也是工程運行管理亟需重點研究的課題。
經(jīng)濟管徑計算方法主要有經(jīng)濟流速法(靜態(tài))和動態(tài)法,其中年值法與凈現(xiàn)值法最為常見。
2.1.1 經(jīng)濟流速法
經(jīng)濟流速法一般適用于井灌區(qū)和其他一些非重點的管道工程設(shè)計中,該方法是根據(jù)不同的管材確定適宜流速,然后由管道水力學(xué)公式計算出一組比較經(jīng)濟的管徑,最后根據(jù)商品管徑進行標(biāo)準(zhǔn)化修正,對于長距離輸水工程僅可作為管徑初選,計算公式如下:
式中:d——管道直徑,mm;
v——管道內(nèi)水的流速,m/s;
Q——計算管段設(shè)計流量,m3/h。
在長距離引水工程中較多采用的是PCCP、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管等,應(yīng)用時首先要考慮輸水段輸水方式,重力流段應(yīng)滿足水壓、流量等要求,管徑盡可能取小些,管道流速不小于不淤流速(0.5m/s),不大于最大允許流速(2.5~3.0m/s)。而對需設(shè)置加壓泵站的,一般可先用1.0m/s計算出一個管徑,規(guī)格化后可作為初擬管徑的中間值。
2.1.2 凈現(xiàn)值法
總投資現(xiàn)值=年經(jīng)營成本換算為現(xiàn)值+投資現(xiàn)值,即:Pw=A(P/A,i,n)+P。其中:Pw為總投資現(xiàn)值;P 為投資現(xiàn)值,即管道及附屬設(shè)施總費用;A為年經(jīng)營成本,以運行電費計,電費單價綜合電價計算。收益率i取8%,計算年限n一般取20年。
對于有壓管道輸水,水頭損失直接影響泵站的揚程,關(guān)系到運行費。我國多采用曼寧公式,適用于紊流粗糙區(qū),其簡化公式為:
由上式可以看出,水頭損失hf與管道的糙率n、流量Q的平方成正比,與管徑的5.33次冪成反比。
無論采用哪種方法確定管徑,均應(yīng)滿足以下條件:一是管線任意處工作壓力的最大值應(yīng)不大于該處材料的公稱壓力;二是必須考慮輸水的泥沙含量,流速應(yīng)不小于不淤流速;三是需考慮選用管材的最大允許流速;四是選用的管徑應(yīng)是規(guī)格化的,避免生產(chǎn)模具的增加引起成本增加;五是整個輸水系統(tǒng)不同的運行工況水泵工作點應(yīng)盡可能在高效區(qū)內(nèi)。
根據(jù)東山供水工程系統(tǒng)方案,對于輸水方式為明流和有壓管道重力流輸水的,管徑根據(jù)各受水點的水壓、設(shè)計流量等要求按過流能力及壓坡線計算確定,其經(jīng)濟管徑由系統(tǒng)總體經(jīng)濟性決定。二期支線和關(guān)河支線均需設(shè)置泵站,其管徑直接影響輸水系統(tǒng)泵站級數(shù)、揚程、裝機容量,對工程投資、年運行費有較大影響。二期支線管徑確定過程為:對于泵流的管徑,先取經(jīng)濟流速,規(guī)格化后為1600mm,按PCCP管的規(guī)格前后外延幾種規(guī)格進行水力學(xué)及揚程計算,各種管徑的工程費用、泵站揚程、運行費用等技術(shù)經(jīng)濟比選結(jié)果見表1。采用最小費用法中的費用現(xiàn)值比較法(收益率按8%),成果見表2。
表1 不同管徑水力學(xué)計算表
表2 經(jīng)濟管徑比較表
從以上計算可以看出,用經(jīng)濟流速確定的經(jīng)濟管徑為1600mm,而用凈現(xiàn)值法確定的最小管徑為1600mm,1800mm,且二者比較接近。但考慮工程運行及汛期可能加大供水量的要求,以1800mm的管徑進行復(fù)核,二期泵站備用機組全部啟動,系統(tǒng)最大過流能力達到2.6m3/s,超設(shè)計流量的20%。另考慮電價可能根據(jù)政策變化的上調(diào)因素,確定二期支線管道規(guī)格為1800mm。
對于長距離輸水管道工程,經(jīng)濟管徑的確定可以根據(jù)經(jīng)濟流速來初選,再考慮資金的時間價值采用凈現(xiàn)值法進行技術(shù)經(jīng)濟比選,確定時必須多方面綜合考慮。一是研究輸水系統(tǒng)總體方案及輸水方式,做好水力計算,選好接近實際的糙率。二是需考慮政策及市場物價的動態(tài)因素,選取合適的折現(xiàn)率及電價。三是要掌握管材的生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo),認(rèn)真做好市場管道綜合單價調(diào)研,并結(jié)合實際繪制管材價格曲線。四是年運行電量計算不僅要考慮設(shè)計流量和年調(diào)水總量,還須根據(jù)調(diào)度方案概括出全年供水量變化特征值。五是對于必須考慮工程的分期建設(shè)及運行情況,研究地形揚程與水頭損失之間的比重關(guān)系,同時考慮管道系統(tǒng)的壓力,確保運行安全性及經(jīng)濟性。