劉 峰

（新疆水利水電勘測設(shè)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(jīng)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(qū)供水系統(tǒng)工程為例，結(jié)合工程具體特點進(jìn)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(qū)供水系統(tǒng)工程位于新疆克拉瑪依區(qū)境內(nèi)，供水系統(tǒng)工程包括：泵站工程、壓力管線工程及高位水池。按照城市發(fā)展規(guī)劃，區(qū)內(nèi)的用水量需求是一個長期逐步增長的過程，根據(jù)規(guī)劃部門的意見，泵站須為遠(yuǎn)期預(yù)留，確定泵站工程近期規(guī)模為10.0 萬m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模為20.0 萬m3/d，泵站按每天16 h 運行。

泵站近期設(shè)3 臺泵，2 臺工作泵1 臺備用泵；遠(yuǎn)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(gòu)筑物，管道采用成品螺旋縫焊接防腐鋼管，設(shè)計承壓2.8 MPa。管線工程末端設(shè)4.0 萬m3調(diào)節(jié)池。本工程中泵輸水管道為埋地式壓力管道，位于擬建調(diào)節(jié)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(tǒng)工程的壓力輸水管線長，管道投資大，須對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(wù)。管道直徑大，則水流速度小，水頭損失小，相應(yīng)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(yīng)滿足以下原則：

1）管網(wǎng)任意處工作壓力的最大值應(yīng)小于該處管道的公稱壓力；

2）管道流速應(yīng)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(shè)計管徑須是已生產(chǎn)的管徑規(guī)格；

4）在設(shè)計運行工況下，不同的運行方式時水泵應(yīng)盡可能在高效區(qū)內(nèi)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(xiàn)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(yōu)管徑[2]。年值法是將管道敷設(shè)總費用按等額分付現(xiàn)值折算成每年的等額的費用，再與年經(jīng)營成本進(jìn)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(nèi)運行電費年值，萬元；Cm為計算期內(nèi)管道維護(hù)保養(yǎng)費用年值，萬元。

年運行電費與系統(tǒng)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(yīng)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(jīng)濟管徑確定過程分析

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

4.1 管徑初步擬定

現(xiàn)按以上兩個方案進(jìn)行同精度論證，分析和比較，分別按經(jīng)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(jīng)濟管徑計算表

4.2 確定經(jīng)濟管徑

以克拉瑪依市中心城區(qū)供水系統(tǒng)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(jīng)濟直徑。不同管徑水力學(xué)計算成果見表2。

表2 不同管徑水力學(xué)計算表

總投資年值最小的方案，動能經(jīng)濟較優(yōu)。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(yuǎn)期共一根輸水管（4 臺水泵供一根壓力管道），DN1400 較優(yōu)；近、遠(yuǎn)期分兩根輸水管（2 臺水泵供一根壓力管道），DN1000 較優(yōu)。

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

表3 動能經(jīng)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(yōu)勢，推薦設(shè)1 根DN1400 鋼管，4 臺水泵并聯(lián)運行的方式較優(yōu)。

5 結(jié)語

對于長距離輸水管道工程經(jīng)濟管徑的確定,先根據(jù)經(jīng)濟流速初選出3 個以上管徑，再采用年費最小法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比選，確定時必須多方面綜合考慮。本工程運行初期和遠(yuǎn)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。