管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟計算解析課件

1、第7章 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計第1頁，共31頁。7.1 給水管網(wǎng)造價計算管道單位長度造價c給水管道單位長度造價（元/m）第2頁，共31頁。管網(wǎng)造價為所有管段造價之和：第3頁，共31頁。7.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型管網(wǎng)優(yōu)化設計考慮內(nèi)容水量水壓 約束條件水質(zhì)安全可靠性經(jīng)濟性 目標函數(shù)管網(wǎng)優(yōu)化設計定義 在考慮各種目標的前提下，求出一定設計年限內(nèi)，管網(wǎng)建造費用和管理費用之和為最小時的管段直徑或水頭損失，及求出經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟水頭損失。第4頁，共31頁。數(shù)學模型：描述自然現(xiàn)象或工程對象的一個或一組數(shù)學公式。 例如：給水管網(wǎng)水力計算環(huán)方程組、節(jié)點方程組。優(yōu)化數(shù)學模型：在一定條件下求解一個或多個最大或最小目標值

2、的數(shù)學模型。描述目標值的數(shù)學表達式稱為目標函數(shù)，需要滿足的條件表達式稱為約束條件。供水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型：以管網(wǎng)供水成本最低為目標函數(shù)，以供水安全性最佳為約束條件的管網(wǎng)工程設計數(shù)學模型，表達形式為經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟流速。數(shù)學模型：描述自然現(xiàn)象或工程對象的一個或一組數(shù)學公式。 例如：給水管網(wǎng)水力計算環(huán)方程組、節(jié)點方程組。優(yōu)化數(shù)學模型：在一定條件下求解一個或多個最大或最小目標值的數(shù)學模型。描述目標值的數(shù)學表達式稱為目標函數(shù)，需要滿足的條件表達式稱為約束條件。供水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型：以管網(wǎng)供水成本最低為目標函數(shù)，以供水安全性最佳為約束條件的管網(wǎng)工程設計數(shù)學模型，表達形式為經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟流速。數(shù)學模型

3、：描述自然現(xiàn)象或工程對象的一個或一組數(shù)學公式。 例如：給水管網(wǎng)水力計算環(huán)方程組、節(jié)點方程組。優(yōu)化數(shù)學模型：在一定條件下求解一個或多個最大或最小目標值的數(shù)學模型。描述目標值的數(shù)學表達式稱為目標函數(shù)，需要滿足的條件表達式稱為約束條件。供水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型：以管網(wǎng)供水成本最低為目標函數(shù)，以供水安全性最佳為約束條件的管網(wǎng)工程設計數(shù)學模型，表達形式為經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟流速。第5頁，共31頁。6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)給水管網(wǎng)優(yōu)化設計的目標：年費用折算值。 年費用折算值 管網(wǎng)建設投資費用年平均償還額 年維護費（年折舊費及修理費） 年運行動力費（電費）： (7.1)W年費用折算值，元/a；C管網(wǎng)建設投

4、資費用，元；T管網(wǎng)建設投資償還期，a；Y1管網(wǎng)年折舊和大修費用，元/a，一般按管網(wǎng)建設投資費用的固定比率計算，可表示為： (7.2)p管網(wǎng)年折舊和大修費率，一般P=2.53.0左右；Y2管網(wǎng)年運行費用，元/a，泵站的年運行總電費。6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)6.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)7.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計目標函數(shù)第6頁，共31頁。泵站年運行電費按全年各小時運行電費累計計算，可用下式表示：Et 全年各小時電價，元/(KWh) ； 水密度，t/m3，近似取1；

5、 g 重力加速度，取9.81 m/s2 ； qpt 全年各小時流量，m3/s； hpt 全年各小時揚程，m；t 全年綜合效率，為變壓器、電機和傳動效率之積； E 最大時電價，元/KWh；qp 最大時流量，m3/s； Hp 最大時揚程，m； 泵站最大時綜合效率；* 注： g x 24 x 365 = 85935 86000第7頁，共31頁。泵站年運行總電費泵站年運行總電費：式中， Y2i泵站i的年運行電費，元/a；Pi泵站i的單位運行電費經(jīng)濟指標, 元/m3/sma）； qi管段i最大時流量，即泵站設計流量，m3/s； hpi管段i上泵站最大時揚程，m。 第8頁，共31頁。 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學

6、模型的約束條件水力約束條件節(jié)點水頭約束條件第9頁，共31頁。供水可靠性和管段設計流量非負約束條件非負約束條件第10頁，共31頁。 給水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型給水管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型約束條件第11頁，共31頁。7.3輸水管的技術(shù)經(jīng)濟計算壓力輸水管重力輸水管第12頁，共31頁。7.3.1壓力輸水管假設壓力輸水管由N個節(jié)點和N-1條管段組成，泵站設于管段1上，如圖所示。 特點：輸水管線的起點為上控制點，終點為下控制點，中間各節(jié)點均非控制點，它們的虛流量為零，這意味著所有管段虛流量相等，即： 第13頁，共31頁。在第一條管段上設有泵站，泵站單位費率記為P，則管段輸流量為： 各管段最優(yōu)直徑為： 第14頁，

7、共31頁。7.3.2 重力輸水管重力輸水管，輸水動力來自起點和終點的水頭差，記為：重力輸水管各管段虛流量也應相等，但計算方法不同。根據(jù)能量方程有： 各管段最優(yōu)直徑為： 第15頁，共31頁。已定流量下管網(wǎng)優(yōu)化設計數(shù)學模型7.4已定設計流量下的管網(wǎng)優(yōu)化設計與計算上述模型是一個凸規(guī)劃問題，目標函數(shù)極值是最小值。 第16頁，共31頁。7.4已定設計流量下的管網(wǎng)優(yōu)化計算不設泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化管段虛流量qi經(jīng)濟因素f虛流量指數(shù)ni第17頁，共31頁。7.4.2不設泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化管段虛阻系數(shù)Si 沿程損失可以用管段虛阻系數(shù)和虛流量計算第18頁，共31頁。7.4.2不設泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化管段虛流量連

8、續(xù)性方程節(jié)點虛流量流出 節(jié)點為正；流入 節(jié)點為負第19頁，共31頁。7.4.2不設泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化討論：對于管網(wǎng)起端節(jié)點，即該節(jié)點只有管段流量流出，沒有管段流量流入，節(jié)點虛流量只能流入節(jié)點，恒為負值，說明該節(jié)點水頭與管網(wǎng)年費用折算值變化方向總是相反的。 工程意義：該節(jié)點水頭越高，與之關(guān)聯(lián)的管段直徑越小，必然使管網(wǎng)年費用折算值越低，這說明該節(jié)點水頭應盡量取最大值，即最大允許水頭。第20頁，共31頁。7.4.2不設泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化對于管網(wǎng)末端節(jié)點，即該節(jié)點只有管段流量流入，沒有管段流量流出，節(jié)點虛流量只能流出節(jié)點，恒為正值，說明該節(jié)點水頭與管網(wǎng)年費用折算值變化方向總是相同的， 工程意義：該

9、節(jié)點水頭越低，與之關(guān)聯(lián)的管段直徑越小，必然使管網(wǎng)年費用折算值越低，這說明該節(jié)點水頭應盡量取最小值，即最小允許水頭。第21頁，共31頁。7.4.3設置泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化泵站最優(yōu)揚程：當管段壓降足夠大時(大于或等于臨界壓降） 管段不需要設置泵站，水流靠壓差輸送管段壓降小于臨界壓降時，管段設置泵站第22頁，共31頁。7.4.3設置泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化管段虛流量：臨界虛流量臨界管徑第23頁，共31頁。7.4.3設置泵站管網(wǎng)節(jié)點水頭優(yōu)化總結(jié)：節(jié)點水頭優(yōu)化算法1）計算各管段虛阻系數(shù)和臨界壓降；2）擬定各節(jié)點水頭初值；3）判斷各管段是否設置泵站；4）計算各管段虛流量；5）計算各節(jié)點虛流量；6）判斷是否滿足

10、最優(yōu)條件，若不滿足調(diào)整；7）分別計算各管段最優(yōu)直徑和泵站最優(yōu)揚程。第24頁，共31頁。7.4.4對節(jié)點水頭優(yōu)化解的幾點討論1 虛流量的分布規(guī)律2 上控制點經(jīng)優(yōu)化后Qj0且Hj=Hminj一般為離水源較遠或地勢較高的用戶用水節(jié)點。第25頁，共31頁。7.5 管網(wǎng)近似優(yōu)化計算工程意義：在前述給水管網(wǎng)優(yōu)化設計中，無論是設計流量分配的優(yōu)化還是節(jié)點水頭的優(yōu)化，都采用了一些假設和簡化處理，計算所得最優(yōu)管徑往往不是標準管徑，所以嚴格意義上的優(yōu)化管徑實際上是不可行的。為了減少人工計算工作量，在工程可以采取近似方法，只要運用優(yōu)化設計的一些理論指導，方法使用得當，可以保證一定精度。 第26頁，共31頁。7.5.1

11、管段設計流量的近似優(yōu)化分配1、對于多條平行主干管，設計流量相差不要太大，以便在事故時相互備用；2、保證與主干管垂直的連通管上有一定的流量，以保證在事故時溝通主干管的能力；3、盡量做到主要設計流量以較短的路線流向大用戶和主要供水區(qū)域，多水源管網(wǎng)應首先確定各水源設計供水流量，然后根據(jù)設計供水流量擬定各水源大致供水范圍并劃出供水分界線；4、多水源或?qū)χ盟芫W(wǎng)中，各水源及對置水塔之間至少有一條有較大過流能力的通路，以便于水源之間供水量的相互調(diào)節(jié)及低峰用水時向水塔供水。5、一般情況下，要保證節(jié)點流量連續(xù)性條件滿足。6、避免出現(xiàn)設計流量特別小的管段和明顯不合理的管段流向。第27頁，共31頁。7.5.2管段虛流量的近似分配估算管段虛流量遵循的原則：1、首先確定需要設泵站的管段，管段的虛流量為2、與水塔相連的輸水管，其虛流量亦可按其中qi=Piqi Pi取各泵站的最大值；3、管網(wǎng)中間的節(jié)點一般不是控制點，所以Qi=0，即不考慮虛流量流出。4、管段虛流量的方向與設計流量的方向保持一致;5、對于多條管段虛流量流入或流出節(jié)點，它們的虛流量分配比例可以參考其設計流量的比例。6、虛流量只能從那些可能稱為下控制點的節(jié)點流出。用水量越大或用水壓力要求越高，從節(jié)點流出的虛流量越大。第28頁，共31頁。7.5.3 輸