陳 毅

(莆田市水質(zhì)凈化有限公司，福建 莆田 351100)

0 引言

污水管道工程建設(shè)中，管道投資占排水工程總投資的絕大比重，約占30%～70%[1]。其中，影響管道投資的一個(gè)重要因素就是管道管徑，故排水管道管徑的比選是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。采用較大管徑，投資費(fèi)用增大，水頭損失較小，減小年運(yùn)行費(fèi)。相反，采用較小管徑，減小管材費(fèi)用，但年運(yùn)行費(fèi)增加[2-4]。因此合理確定管道的管徑，對(duì)保證管路系統(tǒng)正常排水和降低工程投資具有十分重要的意義[5]。本文采用費(fèi)用現(xiàn)值法結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算[6-7]，對(duì)新建泵站排水管道工程管徑進(jìn)行比選，確定投資與運(yùn)行效益最優(yōu)的管道。

1 工程概況

新建污水壓力輸送管3 935 m，用于將污水由泵站傳輸至污水廠。泵站現(xiàn)狀土建規(guī)模6萬(wàn)m3/d，設(shè)備安裝規(guī)模3萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)最低水位-3.1 m。泵站出水現(xiàn)狀DN 800鋼管長(zhǎng)度為213 m。新建壓力管道終點(diǎn)對(duì)接入污水處理廠長(zhǎng)度270 m的DN 800管中，廠內(nèi)控制水位11.8 m。

2 管徑比選方法

2.1 費(fèi)用現(xiàn)值法

費(fèi)用現(xiàn)值法與排水流量、管長(zhǎng)、管徑、管材、水泵揚(yáng)程、效率、泵站裝機(jī)容量、計(jì)算年限和折現(xiàn)率等因數(shù)有關(guān)[8]。費(fèi)用現(xiàn)值法包含管道投資費(fèi)用、管道維修費(fèi)用和運(yùn)行電費(fèi)，計(jì)算公式如式(1)所示：其計(jì)算公式如下：

E=Ep+Ew+Ee

(1)

式中：Ep為管材及安裝費(fèi)用現(xiàn)值之和，萬(wàn)元；Ew為管道的維修費(fèi)現(xiàn)值之和，萬(wàn)元；Ee為年運(yùn)行電費(fèi)的現(xiàn)值之和，萬(wàn)元。

2.1.1 管材及安裝費(fèi)用現(xiàn)值

前期投資費(fèi)用包含管材及安裝費(fèi)，通過(guò)公式(2)計(jì)算得出：

Ep=G×L×0.8

(2)

式中：G為球墨鑄鐵管管材及安裝費(fèi)用，結(jié)合本地當(dāng)時(shí)市場(chǎng)信息價(jià)、本工程地質(zhì)情況及管道鋪設(shè)況，元/m；L為管道長(zhǎng)度，m。

2.1.2 管道維修費(fèi)現(xiàn)值

通常管道年維修費(fèi)取管道綜合投資的1%[9]，所以各年管道維修費(fèi)相等，計(jì)算年限內(nèi)管道年維修費(fèi)現(xiàn)值之和計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：Ecp為管道年維修費(fèi)用，萬(wàn)元；n為計(jì)算年限，本工程取30年；i為折現(xiàn)率，一般取6%。

2.1.3 運(yùn)行電費(fèi)現(xiàn)值

運(yùn)行年電費(fèi)現(xiàn)值主要在排水運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電費(fèi)[10]，計(jì)算式(4)：

(4)

其中：η=70%；k=1；W：電費(fèi)0.501 2元/度；Q：流量；H:水泵揚(yáng)程。

管道沿程水頭損失采用海曾-威廉公式(公式5)計(jì)算，局部水頭損失系數(shù)按沿程水頭損失的10%計(jì)算。

(5)

式中：C鋼管粗糙系數(shù)取120；C球磨鑄鐵管粗糙系數(shù)取130；D為管道直徑，m；L管道長(zhǎng)度，m。H=H0+H1+H2+H3+H4+H高-H低，H0：安全超高取2 m；H1：泵站內(nèi)水頭損失取2 m；H2：現(xiàn)狀DN 800壓力管道沿程水頭損失+局部水頭損失；H3：新建壓力管道沿程水頭損失+局部水頭損失；H4：進(jìn)廠段壓力管道沿程水頭損失+局部水頭損失；H高：進(jìn)污水廠管道高程；H低：泵站設(shè)計(jì)最低水位。

2.2 方法分析

由運(yùn)行年電費(fèi)現(xiàn)值與海曾-威廉公式可知，輸水流量相同時(shí)，如果流速取的小，管徑相應(yīng)增大，可是管段中的水頭損失卻應(yīng)減小，因此水泵所需揚(yáng)程降低，輸水電費(fèi)減少。相反，流速取的大些，管徑減小，管道造價(jià)下降，因水頭損失增大，輸水電費(fèi)增加，詳見(jiàn)圖1。污水管道作為社會(huì)基礎(chǔ)公益設(shè)施，建設(shè)方案之間的經(jīng)濟(jì)比較，通常不考慮產(chǎn)出效益，僅考慮投資階段如何實(shí)現(xiàn)最少投資。故采用以投資費(fèi)用最少為原則的費(fèi)用現(xiàn)值法可準(zhǔn)確計(jì)算中得出最優(yōu)管徑[11-12]。

圖1 經(jīng)濟(jì)管徑確定圖Fig.1 Determination of economic pipe diameter

3 結(jié)果計(jì)算與分析

3.1 結(jié)果計(jì)算

由于泵站近期規(guī)模3萬(wàn)m3/d、遠(yuǎn)期規(guī)模4.5萬(wàn)m3/d、現(xiàn)狀土建規(guī)模為6萬(wàn)m3/d，同時(shí)，考慮到泵站服務(wù)區(qū)內(nèi)地塊的開(kāi)發(fā)建設(shè)時(shí)序及市政收集管線的逐步完善，污水規(guī)模增長(zhǎng)主體呈現(xiàn)前期高后期逐步放緩的趨勢(shì)，本次將各方案不同年限輸送規(guī)模采用流量等比例增長(zhǎng)方式以3.0萬(wàn)m3/d(方案a)、4.5萬(wàn)m3/d(方案b)、6萬(wàn)m3/d(方案c)及三種規(guī)模方案，并分別對(duì)DN 600、DN 700、DN 800、DN 900、DN 1 000五種管徑進(jìn)行比選。

生活污水流量依據(jù)生活污水量總變化系數(shù)(表1)通過(guò)內(nèi)插法計(jì)算得出，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 生活污水量總變化系數(shù)表

表2 生活污水量

本文采用MATLAB工程應(yīng)用軟件將管徑進(jìn)行比選過(guò)程中的各個(gè)公式，采用程序設(shè)計(jì)的方式用語(yǔ)言編寫(xiě)成，通過(guò)輸入?yún)?shù)直接輸出結(jié)果的簡(jiǎn)單化計(jì)算[13-15]，結(jié)果見(jiàn)表3～表7。

for i=1∶3

for j=1∶5

if q(2,i)==1

LJLL10(j,i)=QQ(2,i)*5;

else

LJLL10(j,i)=QQ(2,i)*q(2,i)*(1-power(q(2,i),5))/(1-q(2,i));

end

Ce2(j,i)=LJLL10(j,i)*Hj(j,i)*365*24/(102*86.4)*0.5012/0.7;

for n=6∶10

a(n)=TZ(j,i)*0.01/power((1+0.06),n);

end

WXFY10(j,i)=sum(a);

ZFY10(j,i)=Ce2(j,i)+ZFY5(j,i)+WXFY10(j,i);

end

end

ZFY10=roundn(ZFY10,-3)

表3 管材及安裝費(fèi)用現(xiàn)值表

表4 規(guī)劃期管道維修費(fèi)用現(xiàn)值

表5 方案a管道沿程水頭損失

表6 方案b管道沿程水頭損失

表7 方案c管道沿程水頭損失

通過(guò)將DN 600、DN 700、DN 800、DN 900、DN 1 000管線在不同規(guī)模方案下的各年限費(fèi)用現(xiàn)值繪制成關(guān)系曲線，詳見(jiàn)圖2～圖4，確定最佳經(jīng)濟(jì)效益的管道建設(shè)管徑。

圖2 方案a規(guī)劃年限費(fèi)用Fig.2 Planning period cost of Scheme a

圖3 方案b規(guī)劃年限費(fèi)用Fig.3 Planning period cost of Scheme b

3.2 結(jié)果分析

(1)當(dāng)泵站規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d時(shí)(即方案a)，當(dāng)泵站運(yùn)行年限小于10年時(shí)，DN 600投資最省；當(dāng)泵站運(yùn)行年限大于10年時(shí)，DN 700投資最省，但與DN 800相差不到150萬(wàn)元。

(2)當(dāng)泵站規(guī)模為4.5萬(wàn)m3/d時(shí)(即方案b)，泵站運(yùn)行年限達(dá)10年時(shí)，DN 700投資最省，但與DN 800相差不到200萬(wàn)元；泵站運(yùn)行年限大于10年時(shí)，DN 800投資最省。

(3)當(dāng)泵站規(guī)模為6.0萬(wàn)m3/d時(shí)(即方案c)，泵站運(yùn)行年限達(dá)10年時(shí)，DN 700投資最省，但與DN 800相差不到110萬(wàn)元；泵站運(yùn)行年限達(dá)20年時(shí)，DN 800投資最??；當(dāng)泵站運(yùn)行年限達(dá)30年時(shí)，DN 900投資最省，但與DN 800相差不到230萬(wàn)元。

依據(jù)分析工程投資和動(dòng)力費(fèi)數(shù)據(jù)可知，DN 800管道在泵站水量為3.0、4.5、6.0萬(wàn)m3/d等條件下運(yùn)行30年時(shí)，都具有較好的經(jīng)濟(jì)性，可以有效應(yīng)對(duì)因污水量的不確定性導(dǎo)致工程投資效益低的問(wèn)題。

4 結(jié)論

采用費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行新建排水管道管徑的比選。在計(jì)算過(guò)程中考慮到項(xiàng)目周邊規(guī)劃年限期間污水量的變化趨勢(shì)、水泵工作揚(yáng)程及效率、運(yùn)行期間管道維護(hù)等因素，并分別計(jì)算不同管徑下各規(guī)劃期間管道運(yùn)行費(fèi)用、維修費(fèi)用及投資費(fèi)用，使得比選出的DN 800管徑更符合工程應(yīng)用實(shí)際。

通過(guò)MATLAB進(jìn)行管道比選過(guò)程中水泵揚(yáng)程、維修費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)等多項(xiàng)復(fù)雜公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程快速準(zhǔn)確，大幅提高了人員工作效率。同時(shí)，可依據(jù)需求增加數(shù)據(jù)但不會(huì)大規(guī)模增加計(jì)算量，具有很強(qiáng)的延展性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。