管网技术经济计算.ppt
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1、管网的优化设计,应该考虑到四个方面:管网的优化设计,应该考虑到四个方面:即即保证供水所需的水量和水压保证供水所需的水量和水压,水质安全水质安全,可靠性可靠性(保证事故时水量保证事故时水量)和和经济性经济性。管网技术经济计算管网技术经济计算就是以经济性为目标函就是以经济性为目标函数,而将其余的作为约束条件,据此建立数,而将其余的作为约束条件,据此建立目标函数和约束条件的表达式,以求出最目标函数和约束条件的表达式,以求出最优的管径或水头损失。优的管径或水头损失。管网技术经济计算主要是管网技术经济计算主要是在考虑各种设计在考虑各种设计目标的前提下,求出一定设计年限内,管目标的前提下,求出一定设计年限
2、内,管网建造费用和管理费用之和为最小时的管网建造费用和管理费用之和为最小时的管段直径或水头损失,也就是段直径或水头损失,也就是求出经济管径求出经济管径或经济水头损失。或经济水头损失。在进行技术经济计算之前,事先必须完成下列工作:在进行技术经济计算之前,事先必须完成下列工作:确定确定水源位置,完成管网布置,拟定泵站工作方案,选定控制水源位置,完成管网布置,拟定泵站工作方案,选定控制点所需的最小服务水头,算出沿线流量和节点流量等点所需的最小服务水头,算出沿线流量和节点流量等。管网建造费用管网建造费用中主要是中主要是管线的费用,与管材、管长和管径管线的费用,与管材、管长和管径有关有关,包括水管及其附
3、件费用和挖沟埋管、接口、试压、包括水管及其附件费用和挖沟埋管、接口、试压、管线消毒等管线消毒等施工费用施工费用。由于泵站、水塔和水池所占费用很。由于泵站、水塔和水池所占费用很小,一般忽略不计。小,一般忽略不计。管理费用管理费用中主要是供水所需中主要是供水所需动力费用动力费用。动力费用随泵站的。动力费用随泵站的流量和扬程而定,扬程则决定于控制点要求的最小服务水流量和扬程而定,扬程则决定于控制点要求的最小服务水头,以及输水管和管网的水头损失等。头,以及输水管和管网的水头损失等。水头损失又和管材、水头损失又和管材、管段长度、管径、流量有关管段长度、管径、流量有关。管网定线后,管网定线后,管段长度已定
4、,此时若选定管材,则管段长度已定,此时若选定管材,则建造费建造费用和管理费用仅决定于流量或管径。用和管理费用仅决定于流量或管径。在管网技术经济计算时,先进行流量分配,然后采用优化在管网技术经济计算时,先进行流量分配,然后采用优化的方法,写出以流量、管径的方法,写出以流量、管径(或水头损失或水头损失)表示的费用函数表示的费用函数式,求得最优解。式,求得最优解。第一节第一节 管网年费用折算值管网年费用折算值目标函数和约束条件:目标函数和约束条件:目标函数和约束条件目标函数和约束条件目标函数和约束条件目标函数和约束条件p压力供水时的目标函数压力供水时的目标函数目标函数和约束条件目标函数和约束条件p重
5、力供水时的目标函数重力供水时的目标函数目标函数和约束条件目标函数和约束条件p约束条件约束条件技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中,未知量为管段流量技术经济计算中,未知量为管段流量q qijij和和管径管径D Dijij,这两者之间并没有直接的联系,这两者之间并没有直接的联系,但是当管段但是当管段q qijij和和D Dijij已定时,水头损失值等已定时,水头损失值等于:于:h hijij=kqkqijijn nl lijij/D Dijijm m因此年折旧费用因此年折旧费用W W0 0值可看作是值可看作是q qijij和和D Dijij 或或q qijij和和h hi
6、jij的函数,的函数,但但以应用流量以应用流量q qijij和水头损失和水头损失h hijij的关系来分析比较简便。的关系来分析比较简便。技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系技术经济计算中的变量关系以图所示的一环管网来分析以图所示的一环管网来分析W W0 0值。值。如两条管段平均分配流量,即如两条管段平均分配流量,即Q Q1 1=Q=Q2 2=Q/2=Q/2,则得最大的则得最大的W W0 0值。值。如将全部流量如将全
7、部流量Q Q分到一条管段,即分到一条管段,即Q Q1 1Q Q,Q Q2 20 0时,得到的时,得到的是最小的是最小的W W0 0值,这时环状网就转化成树状网。值,这时环状网就转化成树状网。对环状网流量分配的研究结果认为,对环状网流量分配的研究结果认为,将环状网转化为树状将环状网转化为树状网时,才可得到最优的流量分配。网时,才可得到最优的流量分配。但是同一环状网,可以去除不同部位的管段而得到各种形但是同一环状网,可以去除不同部位的管段而得到各种形状的树状网,从这些不同的树状网中可选出最经济流量分状的树状网,从这些不同的树状网中可选出最经济流量分配的树状网。配的树状网。技术经济计算中的变量关系技
8、术经济计算中的变量关系从经济的观点,环状网的造价比树状网高,从经济的观点,环状网的造价比树状网高,可是为了供水的可靠性,不得不多花些费可是为了供水的可靠性,不得不多花些费用而采用环状网。用而采用环状网。对现有的对现有的和和m m值,值,环状网只有近似而没有环状网只有近似而没有优化的经济流量分配优化的经济流量分配,只有树状网才有优,只有树状网才有优化的经济流量分配。所以目前管网计算时,化的经济流量分配。所以目前管网计算时,只有从实际出发,先拟定初始流量分配,只有从实际出发,先拟定初始流量分配,然后采取优化的方法求得经济管径。然后采取优化的方法求得经济管径。第二节第二节 输水管的技术经济计算输水管
9、的技术经济计算p压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算下图所示的从泵站到水塔的压力输水管,由下图所示的从泵站到水塔的压力输水管,由1212、2323、3434、4545管段组成。管段组成。压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算p按每米长管线建造费按每米长管线建造费用公式用公式c=a+c=a+bDbD中系中系数数a a值的求法:值的求法:将管径和造价的对应关将管径和造价的对应关系点绘在方格纸上,如系点绘在方格纸上,如右图,将各点连成光滑右图,将各点连成光滑曲线,并延伸到和纵坐曲线,
10、并延伸到和纵坐标相交,交点处的标相交,交点处的D D0 0,则则c=ac=a。压力输水管的技术经济计算压力输水管的技术经济计算p每米长管线建造费用公式每米长管线建造费用公式c=a+c=a+bDbD中系数中系数b b,指数指数值的求法:值的求法:将将c=a+c=a+bDbD两边取对数,得两边取对数,得lglg(c-a)=(c-a)=lgblgb+lgDlgD,将对应的将对应的D D和和c-ac-a值绘在双对数坐标纸上,值绘在双对数坐标纸上,则则c-ac-a与与D D成直线关系,如右图成直线关系,如右图所示。当所示。当D=1D=1时(时(lgDlgD=0=0),),lglg(c-a)=(c-a)=
11、lgblgb,此时的此时的c-ac-a值就值就是是b b;直线的斜率就是直线的斜率就是。从而从而得出单位长度管线的建造费用得出单位长度管线的建造费用公式公式c=a+c=a+bDbD。重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算重力输水系统靠重力输水,不需要供水动重力输水系统靠重力输水,不需要供水动力费用,因此技术经济计算问题是求出利力费用,因此技术经济计算问题是求出利用现有水压用现有水压H(位置水头位置水头)并使管线建造费用并使管线建造费用为最低的管径。为最低的管径。重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算重力输水管的优化设计就是在充分利用现有水压重力输水管的优化设计就是在充分利用
12、现有水压条件下条件下(即输水管的总水头损失即输水管的总水头损失h hijij等于可利用的等于可利用的水压水压H)H),求求W W0 0为最小值时的水头损失或管径,为最小值时的水头损失或管径,可可用拉格朗日条件极值法求解,于是问题转为求下用拉格朗日条件极值法求解,于是问题转为求下列函数的最小值列函数的最小值(以以3 3条管段的输水管为例条管段的输水管为例):F(h)=WF(h)=W0 0+(H+(Hh h1212 h h2323h h3434)为常数。为常数。W W0 0最小,最小,H Hh h1212 h h2323h h3434=0=0时,时,F(h)F(h)最小。最小。也就是说求得也就是说
13、求得F(h)F(h)的最小值,也就是求得的最小值,也就是求得H=hH=h1212+h h2323+h+h3434=h hijij(充分利用现有水压)条件下的充分利用现有水压)条件下的W W0 0最小值。最小值。重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算重力输水管的技术经济计算例题重力输水管的技术经济计算例题重力输水管由重力输水管由1212和和2323两段组成。两段组成。l l1212=500m=500m,q q1212150L/s150L/s;l l2323=650m=650m,q q232325L/s25L/s。起点起点1 1和终点和终点
14、3 3的高差为的高差为H=HH=H1 1H H3 35m5m,求输水管各段的求输水管各段的管径。管径。重力输水管的技术经济计算例题重力输水管的技术经济计算例题重力输水管的技术经济计算例题重力输水管的技术经济计算例题在选用管径时,在选用管径时,应取相近而较大的标准管径(使计算所得应取相近而较大的标准管径(使计算所得允许水力坡度大于水力计算表中的实际水力坡度),允许水力坡度大于水力计算表中的实际水力坡度),以免以免控制点的水压不足,但是,为了有效地利用现有水压,整控制点的水压不足,但是,为了有效地利用现有水压,整条输水管中的一段或二段可以来用相近而较小的标准管径。条输水管中的一段或二段可以来用相近
15、而较小的标准管径。从式从式(721)(721)可知,可知,流量较大的一段管径,水力坡度可较流量较大的一段管径,水力坡度可较大即水头损失可较大(使水力计算表中的实际水力坡度在大即水头损失可较大(使水力计算表中的实际水力坡度在小于计算所得的允许水力坡度的前提下较接近于计算所得小于计算所得的允许水力坡度的前提下较接近于计算所得的允许水力坡度,如管段的允许水力坡度,如管段1212),因而选用相近而较小的),因而选用相近而较小的标准管径(水力坡度越大,单位长度的水头损失就越大,标准管径(水力坡度越大,单位长度的水头损失就越大,所选择的管径就越小);所选择的管径就越小);流量较小的管段,水力坡度较小即水头
16、损失较小(使水力流量较小的管段,水力坡度较小即水头损失较小(使水力计算表中的实际水力坡度在小于计算所得的允许水力坡度计算表中的实际水力坡度在小于计算所得的允许水力坡度的前提下较远离于计算所得的允许水力坡度,如管段的前提下较远离于计算所得的允许水力坡度,如管段223 3),可用相近而较大的标准管径(水力坡度越小,单位),可用相近而较大的标准管径(水力坡度越小,单位长度的水头损失就越小,所选择的管径就越大)长度的水头损失就越小,所选择的管径就越大),目的,目的在于使输水管的总水头损失尽量接近于可利用的水压。在于使输水管的总水头损失尽量接近于可利用的水压。p起点水压未给的管网起点水压未给的管网管网技
17、术经济计算时,既可以求经济管径,管网技术经济计算时,既可以求经济管径,也可以求经济水头损失。实用上,求经济也可以求经济水头损失。实用上,求经济水头损失水头损失h hijij较为方便,而经济管径可从较为方便,而经济管径可从h hijij求得。求得。管网技术经济计算的原理,基本上和输水管网技术经济计算的原理,基本上和输水管相同,只是在求函数管相同,只是在求函数W W0 0的极小值时,还应的极小值时,还应符合每环符合每环h h0 0的水力约束条件。的水力约束条件。第三节第三节 管网技术经济计算管网技术经济计算以图所示的环状网为例,图中已表明节点流量、以图所示的环状网为例,图中已表明节点流量、管段流向
18、和进入管网的总流量管段流向和进入管网的总流量Q Q,H H9 9为控制点的水为控制点的水压标高。压标高。管网的管段数管网的管段数P P1212,节点数节点数J J9 9,环数环数L L4 4。未未知的管段流量知的管段流量q qijij和水头损失和水头损失h hijij数各为数各为1212,共计,共计2424个未知量。个未知量。起点水压未给的管网起点水压未给的管网因管网起点的水压标高因管网起点的水压标高H H1 1未知,但控制点的水压未知,但控制点的水压标高标高H H9 9已知,因此有下列关系:已知,因此有下列关系:H H1 1HH9 9h h1919 式式h h1919中是指从节点中是指从节点
19、1 1到控制点到控制点9 9任一条管线的任一条管线的水头损失总和。这里,水头损失须根据水流方向水头损失总和。这里,水头损失须根据水流方向采用正值或负值,如选定的管线为采用正值或负值,如选定的管线为1236912369,则式,则式H H1 1HH9 9h h19 19 可表示为:可表示为:H H1 1=h=h1212+h+h2323+h+h3636+h+h6969+H+H9 9起点水压未给的管网起点水压未给的管网p拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法要找函数要找函数Z=f(x,y)Z=f(x,y)在附加条件在附加条件(x,y)=0(x,y)=0下下的可能极值点,可以先构成辅助函数的可能极值点,可以先构成
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