管网优化设计（精选12篇）
管网优化设计 篇1
引言
邯峰电厂利用余热蒸汽为该项目供热, 符合国家当前节能环保政策, 具有一定的经济效益和社会效益。供热节能效益:供热节约标煤量按发改厅[2012]1662号《关于开展燃煤电厂综合升级改造工作的通知》中的规定:供热改造的机组, 其热电联产与燃煤供热分散小锅炉的平均供热煤耗差统一取20kg/GJ计算。在供热方面, 本工程在总供热量相同的前提下, 与分散小锅炉方案相比, 按供热标煤耗率差值20 kg/GJ计算如下:30×1 000 kg/h×8 000 h×2 928 k J/kg=70.27×1 010 k J=70.27×104 GJ;年节煤量=20 kg/GJ×70.27×104 GJ=1.405×107 kg=1.405×104 t。
1参数选取
鑫宝新材料项目工艺用汽参数:蒸汽压力:≥1.0 MPa (G) , 蒸汽温度:190~200℃ (过热5~10℃) , 用汽量:25~30 t/h, 年利用小时数:约8 000 h。
邯峰电厂汽源:取自两台机的辅汽联箱, 蒸汽压力:1.3 MPa (G) , 蒸汽温度:330℃。
减温减压器安装在蒸汽接收端 (鑫宝新材) , 即蒸汽参数:1.3 MPa (G) , 330℃, 经阻力计算蒸汽管径为Φ377 mm, 蒸汽直埋式预制保温管的高温玻璃棉保温层厚270 mm, 外护管径Φ1 020 mm;减温减压器安装在蒸汽送出端 (邯峰电厂) , 即蒸汽参数:1.3 MPa (G) , 250℃, 经阻力计算蒸汽管径为Φ377 mm, 蒸汽直埋式预制保温管的高温玻璃棉保温层厚140 mm, 外护管经Φ720 mm。前者固定点多于后者, 经计算, 二者投资费用相差145万元。故本蒸汽管网采用后者, 即减温减压器安装在蒸汽送出端 (邯峰电厂) , 将蒸汽处理成为1.3 MPa, 240~250℃的过热蒸汽进行输送。
2供汽参数校核
蒸汽接点位于汽机主厂房现有管廊上启动锅炉分支处, 并在启动锅炉支管上加止回阀及截止阀。
2.1蒸汽压力校核
电厂经蒸汽减温后, 处理成为1.3 MPa, 250℃的过热蒸汽, 输送距离约5 km。
假定供汽管道选用Φ377×9, 经计算, 管道流速:13.6 m/s, 沿程总压降为0.172 6 MPa, 局部阻力损失69.1 k Pa, 总压降约为0.241 7MPa。这样到达用户蒸汽压力为1.3-0.241 7=1.058 3 MPa, 满足用户需求。
2.2蒸汽温度校核
整个管线, 电厂内部分、鑫宝厂区内部分、跨管桥处均为架空敷设, 约1 300 m;其余为直埋敷设, 约3 700 m。为了简便计算, 将整个管线简单分为架空、埋地共两段进行温降计算。
1) 管道介质的焓降:
式 (2) 中:q为管道单位长度散热损失, k W/m;L为管道长度, m;G为管道内介质流量, kg/s。
2) 埋地管道单位长度散热损失:
式 (3) 中:tw为保温管外表面温度, ℃;ts为直埋蒸汽管道周边土壤环境温度, ℃;λg为土壤的导热系数, W/ (m·K) ;Hl为管道当量埋深, m;Dw为设定保温层外径, m。取tw=50℃, ts=7.1℃, λg=1.75 W/ (m·K) , Hl=1.8 m, Dw‘=0.71 m, 代入式2-3计算得:q=203.6 W/m。而埋地管道L=3.7 km, G=30 t/h=8.333 kg/s, 代入式 (2) , 计算得△H1=90.4 KJ/kg
3) 架空管道:
式 (4-5) 中:Q为单位表面积散热损失, W/m2;q为单位管道长度散热损失, W/m;D1为单层保温时为保温层外径, 保温层130 mm, 0.637 m;D0为管道外径, 0.377 m;λ为保温材料制品热导率, 0.062 W/ (m·K) ;α为保温层外表面向大气的表面传热系数, 11.63 W/ (m2·K) ;T为设备或管道的外表面温度, 250℃;Ta为环境温度, -2℃;保温层130 mm, D1=0.637 m, D0=0.377 m, λ=0.062 W/ (m·K) , α=11.63 W/ (m2·K) , T=250℃, Ta=-2℃, 代入式 (4) 、式 (5) , 计算:Q=90.6 W/m2, q=181.3 W/m, 架空管道L=1.3 km, 代入式 (2) , 得△H2=28.3 k J/kg, △H=△H1+△H2, △H=118.7 k J/kg。
4) 用户点处蒸汽压力1.058 MPa, 该压力下饱和蒸汽温度为186.4℃, 过热10℃即186.4+10=196.4℃, 查表:1.058 MPa, 196.4℃, h1=2 809 k J/kg, △H=118.7 k J/kg, 计算得蒸汽管道起始端蒸汽焓值h2=h1+△H=2 927.7 k J/kg。根据起始端蒸汽参数1.3 MPa, h2=2 927.7 k J/kg, 查表:t=249.9℃。即电厂外供蒸汽起始端温度为249.9℃。此时, 整个管线温降约为249.9-196.4=53.5℃。
2.3减温水耗量
电厂辅汽温度330℃大于249.9℃, 所以需安装减温装置来满足用汽要求。
式 (6) 中:h1为减温前蒸汽的焓值, k J/kg;G1为减温前蒸汽的流量, t/h。h2为减温水的焓值, k J/kg;G2为减温水的流量, t/h。H3为减温后蒸汽的焓值, k J/kg;G3为外送蒸汽的流量, t/h。
查表:1.3 MPa, 330℃, h1=3 107 k J/kg;1.6 MPa, 40℃, h2=167.5 k J/kg。
由上文可知, 减温后蒸汽参数:1.3 MPa, 249.9℃, h3=2 927.7 k J/kg, G3=30 t/h, 经计算, G1=28.17t/h, G2=1.83 t/h, 减温装置需要1.6 MPa, 40℃的精脱盐水1.83 t/h。
减温水来自电厂1号、2号机凝结水箱附近的放水管上, 其工作压力为1.0~1.2 MPa, 需经加压泵加压至1.6 MPa方能使用, 减温水管道选用Φ38×3, 从加压泵房出沿管廊敷设至减温器。减温器安装于电厂启动锅炉至辅汽联箱Φ273×9.27的蒸汽管道上。
电厂内1.3 MPa, 330℃蒸汽经减温器减温到1.3 MPa, 249.9℃, 经Φ377×9管道外送, 满足鑫宝用户用汽温度、压力要求, 项目实施是可行的。
3蒸汽管网的敷设方式及特点
根据电厂提供的相关资料, 并现场实地踏勘, 供汽管道采用蒸汽直埋式预制保温管埋地敷设和架空两种敷设方式, 按照《设备及管道绝热设计导则》 (GB/T8175—2008) , 经计算架空蒸汽管道Φ377×9保温材料采用130 mm复合硅酸盐, 外加0.5 mm镀锌铁皮保护层。供汽管道补偿选用GSJ-V型系列无推力旋转式补偿器。该补偿器是通过成双旋转筒和L力臂形成力偶, 使大小相等, 方向相反的一对力, 由力臂环绕着Z轴中心旋转, 以达到力偶两侧直管段上产生的热膨胀量的吸收。
3.1旋转补偿器的特点
1) 旋转补偿器补偿量大:可根据自然地形及管道强度布置, 最大一组可补偿500 m管段, 假设一DN350蒸汽管道温度为250℃, 长度为300 m, 利用自然地形采用一组GSJ-V旋转补偿器吸收整个管道的热补偿:由条件可计算出总膨胀量ΔX为918 mm, 预偏装量为总膨胀量的一半, 所以为459 mm, 假设两补偿器之间跨距为2.5 m, 则由三角函数, 得θ/2为11°, θ=22°, 查GSJ-V旋转补偿器产品说明书, 可知DN350管道, 旋转角θ不应大于40°, 所以符合要求。反之, 由于知道DN300管道的最大允许旋转角度为40°, 知道膨胀量, 则可反推两旋转补偿器之间的跨距, 如查得DN300管道的最大允许旋转角度为50°, 偏装量为459 mm, 则由459/L=sin20, 得L=1 342 mm, 本例假设为2 500, 符合要求。采用旋转补偿器补偿量大, 占据较小的地理空间, 并最终减少了固定支架数量。旋转补偿器应用示例图1所示:
2) 固定支架推力小:旋转补偿器不产生由介质压力产生的盲板力, 查动力手册得:DN350蒸汽管自重为120 kg/m, cos (θ/2) =cos11°=0.981 6。由公式F=M/ (L cos (θ/2) ) , 查表得M=2 337 380N·cm, L跨距为2 500mm, 故补偿器摩擦推力F=952 kgf。当管道长距离补偿时, 管道身重产生的推力将变得很大, 故选用磨擦系数较小和滚动支架来减小管道自重对固定礅的影响, 固定支架推力P=F+Gu=952+120×300×0.04=2 393 kgf (滚动支架架磨擦系数0.04) 。由于GSJ-V旋转补偿器在膨胀运动之后力已全部释放, 故当支架上有多根管道时一般只需考虑最大管道的受力即可, 固定支架可做得很小。
直管段自然补偿一般采用方形补偿器, 利用弯头和管段的弹性变形来吸收管系的热胀冷缩, 耗费大量管材和弯头。旋转补偿器补偿长度可达自然补偿10倍, 可节省钢材30%, 总投资可节约30%~40%, 压降是自然补偿的1/3, 运行过程处于无应力状态, 可提高运行安全性, 旋转补偿器也可安装在蒸汽直埋管道上。
4结语
通过参数的合理选取, 补偿器的合理选用, 使蒸汽管道做到了最优化设计。
摘要：探讨了邯郸市峰峰鑫宝新材料科技有限公司的812新材料项目参数选取, 分析了蒸汽管网的敷设方式及特点, 研究了蒸汽管网优化设计。
关键词：新材料,蒸汽,优化设计
管网优化设计 篇2
(1)管网布置优化:管网水力计算是建立在管网布置确定的基础上。
管网布置是否合理，最直接的影响就是管线长度，管线越长，造价越大。其次管网布置还需要综合考虑地形、施工的难易、管路运行可靠性等因素，而这些因素有时需要借助设计者的经验。国内外的学者对管网布置进行了深入研究。董文楚(1984)以造价最小为原则优化了树状输配水管网的布置，首先通过距离最短原则布置了给水栓，然后按1200夹角和经济流速对管网布置进行了逐级调整。朱振锁(1991)分析了自压喷灌管网各级管道单位面积造价与管网形状和面积的关系，并提出了优化布置的顺序。林性粹等人(1993)在低压树状管灌系统优化设计中，首先利用正交表进行了管网布置，然后据非线性数学规划法优化了管径，但得出的不是标准管径。魏永曜(1992)应用总长度最短法得出的最小生成树优化了管网布置，并对其进行了修正，之后以管网造价最小为目标优化了管径，提出了适应不同地形的数学规划法。王雪珍(1995)编制了输配水管网布置和绘图的程序。周荣敏等应用改进的遗传算法，以管网造价最小为目标，优化了树状管网的布置。
(2)管径优化:管径优化是建立在管网布置的基础上。
管径优化设计模型包括基于工程经验的非数学规划模型和基于数学技术的数学规划模型两大类。其中线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型都属于数学规划模型，应用较广。若约束条件或目标函数存在线性函数，称为线性规划模型，同理，若存在非线性函数，称为非线性规划模型。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程的最优化方法。在管网系统中，管道和各种水力元件的水头损失等都是非线性的，因此，非线性规划模型能够比较真实精确地反应管网系统的实际状态。国内外很多学者建立了大量管网优化设计的非线性规划模型。魏永曜(1983)采用了经济管径而非经济流速来优化管径，首先确定了管段经济水头损失值，然后利用微分求极值确立相应管径，该法简单，但考虑因素较少，而且需对求解管径标准化，破坏了解的最有性。刘子沛(1986)以离散的标准管径作为优化变量，利用动态规划法优化了串联管网，由于该法建立在地形高差大等条件下，实用受限。杨健康(1990)建立的非线性规划模型是以管径为变量，优化目标为允许水头差的分配。陈渠昌、郑耀全等人()以一定的假定为基础，限定了地形和毛管出流量的范围，以支毛管压力差分配比例为变量，建了单位面积管网投资最小的平地田间管网优化设计模型，由于条件多，应用受限。翟国亮、董文楚()等以变径支管组合方式和组合比例系数为变量，年费用最小为优化目标建立了优化模型，计算步骤是首先计算经济组合比例参数，然后对多种组合方式进行了年投资计算，然后选择最优方案，由于计算繁杂，应用受限。张庆华、马庆斌等人()以管径为变量，管道系统年费用最小为优化目标，建立了管径无约束情况下的优化模型及其求解方法，该方法考虑的影响因素较少，很难推广。王新坤、林性粹等人(2001)以田间管网投资最小为目标建立了优化模型，利用枚举法和动态规划法分两级对支管管径进行了求解，首先利用枚举法确定出了支管允许水头差，然后利用动态规划法得出了支管管径，由于田间面积较大时，不宜采用枚举法，实用受限。白丹在管网优化方面作了很多研究，例如利用线性规划法对管长和水泵扬程进行了优化。目前，随着计算机软硬件的高速发展，涌现了一些智能优化算法，诸如人工神经网络、模拟退火算法以及遗传算法等。周荣敏、林性粹等人()对压力树状管网进行了优化设计，首先以管路长度最短为目标，利用单亲遗传算法进行了优化布置，然后利用神经网络技术优化了管径和水泵扬程，该法在大规模的管网设计中具有明显的优越性。
2存在问题及展望
目前，管网优化算法理论方面的研究和革新较少，多数着眼于算法的改进和创新，各种方法都有自身的优缺点及适用性。单纯形法是求解线性规划模型的通用算法。线性规划模型约束条件多，未考虑非线性的费用项，影响了求解问题的规模和精度，这些不足都限制了线性规划模型的推广应用。适用于非线性规划模型的算法较多，如罚函数法、梯度法等，各种算法都有各自的适用性。另外，非线性规划模型的变量一般为连续变量，需要把优化结果调整为标准值，影响了解的最优性。动态规划模型在小型树状管网的优化设计中显示出了优越性，但随着管网形式的复杂化，动态规划模型对硬件的要求越来越高，运行时间也较长，有时无法得到最优解。另外，动态规划模型模型受人为主观因素影响大，没有构造模型的统一方法，因此，动态规划模型应用受限。模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，不易使搜索过程进入理想的搜索区域，寻优效率不高。人工神经网络算法需要具备扎实的计算机知识，算法的实现有硬件和软件两个方面，硬件实现最大的优点是处理速度快，但缺乏通用性和灵活性。软件实现的最主要问题是人工神经网络模型计算量特别大。遗传算法是一种可处理任何形式目标函数的全局寻优算法，寻优原理是模拟自然界的生物进化，即在选择、交叉，变异过程中不断优化，并始终以概率1接近最优解，虽然算法中各种参数的选择会影响寻优结果，但是算法的鲁棒性使得受参数影响较低。另外，Matlab遗传算法工具箱可以提供了大量函数，这些函数的应用简化了遗传算法计算机的`程序编辑，并且已经得到广泛的应用。大量的实例研究表明，应用遗传算法优化管网设计可节约6%-49%的管网费用，一般都能找到15%-25%的节约，且系统越复杂，投资越节省。周荣敏利用单亲遗传算法进行了树状管网的优化布置，在较短时间内获得了一批最优或近最优的最小生成树布置方案。但是对于实际问题而言，由于管网连接方式不同，各管段流量分配、水力分析的结果也不同，下面举一个简单的例子说明，如下图所示:两个简单树状管网节点连接方案图Figure1Twosimplespanningtreesforanetwork1点代表水源，分别向节点2，3，4供水，很明显，左图管线长度大于右图，但左图各节点离水源点近。若地势平坦，各节点高程一样，则最远点水压满足要求，其它都满足。在水源水压一定的条件下，为保证最远节点2点的水压要求，1-3，3-4管段须通过减小流速减少能量损失，这就需要增大1-3，3-4管的管径。管径增大，投资也就增大了。因此管线造价有可能更高。所以管线最短未必投资最少，管网布置和管径同步优化是非常有必要的。
3结语
随着节水灌溉在我国的广泛普及，管网优化越来越受到工程人员的重视，这一方面的的研究将日趋深入和完善。遗传算法在德国16个大领域、250多个小领域中得到广泛引用(1993)，在国内，遗传算法在管网优化中的应用非常有限。随着遗传算法研究和应用的不断深入和发展，可以预见，遗传算法在管网布置和管径同步优化方面能得到应用，从而使管网系统设计整体最优。
参考文献:
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供热管网监控技术的优化与分析 篇3
摘要：分析了胜利油田集中供热管网监控技术的现状，针对存在的问题讨论并论证改造的必要性。通过改造可使胜利油田供热首站的监控水平大大提高，不仅能向供热管网提供准确的运行曲线需求参数，实现了整个管网的质调节、量调节，而且最大限度地保证了整个供热管网的安全稳定运行，保障了胜利油田集中供热区域的供暖需求。
关键词：集中供热监控热控保护PLC
1系统概述
胜利发电厂热网首站是西北设计院设计，利用胜利发电厂二期300MW×2机组提供的采暖蒸汽作为热网首站加热汽源，每台机组额定工况下的抽汽压力为0.392MPa，抽汽量为350t／h，供热蒸汽温度257.6℃，采暖介质为热水，由循环水泵将加热到135℃的热水经一级管网送至胜利油田基地中心区域，在二级换热站完成低温水与高温水的换热(62／87℃)，为各区域内建筑物供暖。热水由135℃降至65℃后返回胜利发电厂热网首站，胜利发电厂热网首站就是将做完功的65℃的回水加热至135℃的高温热水并送至二级换热站。热网首站监控系统采用可编程序控制器(PLC)实现对首站生产过程的实时控制。上位机监控采用IFI×3.0组态软件，下位机PLC编程采用CONCEPT2.6软件，上位与下位之间为冗余以太网通讯，实现了运行人员在上位机对运行设备的集中控制。
2存在的问题
热网首站供热设备及控制系统投运几年来，发现存在许多由于设计、安装等原因造成的问题：①热控保护系统不完善，缺乏对整个供热系统及管网的有效保护。②蒸汽管道膨胀节出现泄漏、损坏。③蒸汽管道运行时无法正确监视管道内部温度变化及管道的位移量，造成蒸汽系统暖管时间无法准确控制，在送汽阶段出现管道振动及位移增大现象。④供热加热器出口水温CRT显示出口母管的混水温度，不能显示各单个加热器出口水温，在实际运行中不能有效地监视和调整单个加热器的运行工况，易造成多个加热器间加热不均，影响设备的经济运行。⑤热网首站与供热的二期两台机组之间数据无通讯，不方便相互之间的调节操作。⑥整个控制系统只有操作画面下方滚动的报警，发生异常现象运行人员无法及时发现。⑦报警历史无记录、运行操作无记录、历史趋势采集不准确，造成运行状况无法追溯，事故原因无法分析。为确保热网首站的安全经济运行，从试运初期即开始进行着不断的供热管网监控技术优化工作。
3优化方案及效果分析
3.1以西北设计院的初设为基点，根据电厂供热首站现场设备的实际监控需求，重新编定供热管网热控保护逻辑：①为防止供热管网在意外情况下出现异常运行时导致设备损坏的情况，增加了供热管网循环水泵的出口压力大于1.55Mpa、入口压力低于0.08Mpa的循环水泵掉闸热控逻辑，确保循环水泵运行中压力低不汽蚀、压力高不超标的稳定运行，确保管网设备运行安全。②增加供热5台加热器进出口电动门、供回水管道电动总门及供水电动旁路门关闭信号作为供热循环水泵的拒动条件之一，保证供暖期间循环水不憋压启动及运行。③将疏水箱采用满水运行方式，使加热器与疏水箱连为一体，用疏水变频泵直接调节加热器水位，这样既增加了疏水的容积，又减轻了原疏水箱管道震动，而且由于减少了中间环节，使疏水及加热器水位调节更直接稳定。并且充分考虑了单台加热器解列情况下，调节对象变化，通过加热器选择使相应的自动调节程序也随之改变。④将供热循环水除氧器的水位高低报警及保护联锁逻辑进行重新整定，取消除氧器水位的再循环联锁保护，完善除氧器与进水、进汽调整门的热控联锁，确保系统除氧、补水的正常运行。
3.2针对蒸汽管道膨胀节出现泄漏影响供热运行的情况，在取消蒸汽管道膨胀节后，结合电厂主机设备对蒸汽管道的监控特点，在电厂二期发电机组至热网首站的进站蒸汽管道弯头处与蒸汽管道末端处增设位移量指示器，可随时记录蒸汽管道运行前后的位移数值，通过对位移参数变化的监视，进而控制二期发电机组至热网首站蒸汽的运行参数，提高蒸汽管道的运行可靠性和经济性。
3.3将电厂汽轮机组在高、中压缸的监控方式进行扩展，在二期机组至热网首站蒸汽管道上选取靠近首站的供热管道爬升段前5米处增设管道上下壁温点，通过测点显示来检查机组至首站供汽管道上下壁温情况，通过管段疏水的调整将管道内壁上下温差控制在50℃以内。当管道内壁上下温差接近或超过50℃趋势时，需加强来汽管道的疏水工作直至停止供汽，待查明原因后方可继续供汽升温。通过合理控制管道温差，最大限度地消除蒸汽管道运行中产生的应力，减少了因温控不当及疏水不畅对管道的影响。
3.4在5台供热加热器出水管道上增设温度测点，可对每台加热器进行单独温度跟踪显示，能直观地反映了加热器汽水运行工况，方便加热器在启停或检修工作前后的供水温度调整，确保加热器变工况运行时的应力调节，保护加热设备运行安全，同时避免了因供热温度变化对整个供热管网的影响。
3.5热网首站与两台供热机组的抽汽、疏水系统紧密相连，首站的异常极有可能造成两台发电机组的停机事故。为改变了以往电话联系询问运行数据的方式，实现双方数据的实时在线监视，用光纤在两台机组与首站控制系统之间建立以太网联接，实现了从发电机组的DCS上可以访问PLC的直接地址。将DCS内的数据写入PLC的寄存器，并直接读取PLC的数据，实现首站与供热机组数据交换功能。方便了首站运行人员参照机组参数对设备进行调节，同样也让汽机运行人员在首站运行出现异常时能及时发现、及早应对，减少首站运行对机组的影响。
3.6在操作员站安装声卡及音箱。在PLC程序中，判断参数越限及动力设备的跳闸或停止条件，使之驱动一寄存器，并在上位组态中对该寄存器进行实时扫描，当检测到寄存器数值为“1”时，就用VB调用多媒体播放程序，从上位机音箱发出音响报警，使运行人员能及时发现异常情况，尽早应对，防止事故扩大。
3.7完善整个控制系统历史数据收集，实现模拟量点的趋势采集，开关量点的报警记录收集。上位组态软件IFJX自带有简单的报警历史记录功能，最多只能记录100余条数据越限、状态翻转、操作信息、系统异常等报警，远远满足不了系统运行分析的需要。在此功能基础上，应用IFIX支持WINDOWS的开放式数据库连接(ODBC)的技术特点，将IFI×记录的报警信息通过ODBC功能写入数据库，再通过OFFICE的ACCESS数据库软件将信息读出并自动记录下来，从而实现了报警记录及历史趋势的记录：同时还设计了记录运行人员操作的程序，并在每一个操作按钮的脚本中调用该子程序，将运行人员的每一步操作都详实记录下来，同样通过ODBC功能写入相应的关系数据库中，以备事故调查时分析原因。操作记录功能使误操作有据可查，增强了运行人员的责任意识。
4结束语
通过对胜利发电厂热网首站的热工控制系统及现场设备监控设施的优化，使系统更完善、监控操作更方便、事故分析更有理、运行责任更明确，整个供暖系统运行处于可控在控范围内。
市政排水管网的设计及优化 篇4
作为我国城市建设过程中的关键构成部分, 市政排水管网的投资在整个排水系统投资中占据着绝对重要地位。所以说, 优化设计市政排水管网有着重大意义。伴随着我国经济的快速发展, 城市道路的大量修建, 使得排水管网获得大面积普及应用, 然而, 仍然存在诸多消极影响问题。作为现代化城市基础性设施, 市政排水管网系统建设可谓是城市水污染防治工程中的关键性建设内容。为此, 在充分满足各类型约束条件的基础上, 实现对排水管网的埋深以及管径等组成因素的优化选择, 将污水管网建设所需的投资费用尽可能降至最低, 可谓是优化设计排水管网的主要实现目标。就目前的情况, 计算机技术在各行各业中均有着较为广泛的使用, 其在人们的生产生活有着良好渗透, 则能够将计算机技术应用于市政排水管网优化设计中, 使用软件, 进行相关程序的合理编制, 提升设计效率。
二、市政排水管网优化设计所涉及的相关内容
1. 排水管渠
优化设计排水管渠的时候通常涉及有四个方面的主要内容, 具体来说, 第一, 确定城市实际集水范围以及最佳的排水分区数量;第二, 确定排水系统管线的最佳布置形式;第三, 在已经确定管线布置形式的基础上进行管系的优化设计;第四, 构建对应的雨水径流模型。
2. 污水管网
优化设计污水管网的过程中通常涉及有两个方面的主要内容, 具体来说, 第一是优化选择管线的平面布置;第二则是在已经确定管线平面布置的基础上优化设计管径与埋深等管段相关参数。由此可知, 在优化设计市政排水管网的进程当中, 所需解决的主要问题即为进行平面布置方案的有效确定, 并基于此, 优化设计排水管道埋深以及管径、提升泵站, 深入探究市政排水管网的平面布置方案。
三、在平面布置已经确定的基础上所实施的市政排水管道优化设计
一般来说, 针对市政排水管道所实施的优化设计主要指的是, 针对某个设计管段, 将相对应的设计流量确定下来以后, 结合设计规范中所要求的坡度以及管径的各种组合, 计算敷设费用跟管材费用之间的有效平衡。在已经确定排水管线平面布置的基础上, 针对管径和埋深实施设计优化, 国内外均对此做了大量的研究工作。在此, 将着重推荐几种优化设计方法。
1. 两相优化法
该种方法是在充分满足流速约束条件基础上, 将最经济的流速合理地选择出来, 若是流速出现增加的情况则需根据流速每秒一米的步长增加, 而后, 结合相关的确定流速以及设计流量进行最优充满度以及管径的合理选取, 获得所需的最优坡度, 即为尽可能小的坡度情况。
2. 遗传算法
首先需要注意的是, 进行市政排水管网优化设计的过程当中, 无论采用哪种方式方法均需将相应的设计规范当作是最基本的要求, 并尽可能地将费用值降至最低。遗传算法要求针对所涉及的所有参数实施有效的编码处理, 同时针对目标函数实施适应度函数的转换处理措施, 然后结合转换之后的适应度函数的实际大小情况进行对生物进化过程的不断模仿, 针对参数编码执行选择以及交叉、变异等等行为, 一步步实现目标函数的最小获取。
3. 非线性规划法与线性规划法
非线性规划法能够充分适应计算模型中所涉及的目标函数及变量所具备的非线性特征, 其能够实现对管径与埋深的优化选择, 但在某种程度上来说, 该种方法会对目标函数以及约束条件的具体形式造成很大的限制。
线性规划法则是就排水管网设计计算中的约束条件和目标函数的非线性, 分别用其一级泰勒公式展开式代替用线性规划的解作为问题的近似解反复迭代。使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理, 存在计算管径与市售管径不一致的矛盾, 且前期准备工作量大。以后发展的整数规划法虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点, 但是其整型变量比较多, 难以求解。
4. 动态规划法
在我国, 该种方法相对较为常见一些, 其所依据的基本思想是为将市政排水管网设计当作是涵盖有很多个阶段的过程, 并针对整个设计过程实施合理的阶段划分, 进而有效地开展管道优化设计工作。将节点埋深作为是状态变量, 通过坡度决策进行全方位搜索, 优势在于是直接采用标准管径, 能够针对具体的计算深度实施有效控制, 可是由于其所要求状态点间埋深间隔相对较小, 导致存储量以及时间间隔大幅度增加, 基于进行缩小范围的迭代过程引入, 使其有很大局限性;将管径当作是主要的状态变量, 通过流速和充满度决策, 因为能够进行使用的标准管径数目相对有限一些, 所以其在存储以及计算机速度方面占据有较大优势。之后衍发出可行管径法, 这种方法能够促进计算精度的优化提升, 尽可能实现计算机实际存储量以及具体的计算工作量的明显减少。
5. 优化排水管网坡度设计
满管流或水面平接非满管流多管段排水管网中, 各管段在交汇节点上的水位高程相等, 可以归纳为能量连续的排水设计管段。将工程造价的最小值当作是目标函数, 输水能量则运用设计管网起始点间所存在的水位差最大值, 将相应的设计规范作为主要的约束条件, 构建对应的坡度数学模型, 通过分析模型求得管网系统中各个管段最佳管径以及最具经济价值的坡度。
四、市政排水管网设计中存在的主要问题
1. 重视程度不够, 缺乏合理的系统规划
通常在城市建设规划过程中, 管理者往往只重视地面以上的建设情况, 而对于地下排水系统没有予以充分地重视, 在路网规划过程中没有充分地分析片区排水情况, 导致排水规划不合理, 有的只考虑道路两侧局部范围内的排水, 而忽略了上游的转输流量。甚至还有的片区根本没有做整体排水规划, 只是在市政道路设计时才进行排水管网设计, 各条道路的管网孤立进行设计, 最后路网成型后发现有的道路的管网在高程及管径方面无法很好地与上下游管线衔接。
2. 设计标准偏低
目前我国的很多城市市政排水系统设计标准一直采用的是一年一遇或三年一遇, 并且这种设计标准已经沿用了许多年, 但近年来我国城市化不断发展, 市政道路两侧地块迅速的硬化并被利用, 这对原有雨水系统的排放方式造成较大影响, 使得地表径流系数不断提高, 雨水难于渗透到地下, 大量的地表水积聚于路面, 雨水系统排放压力大大增加, 形成“水浸街”等内涝问题。特别是近年来一到暴雨季节, 我国很多城市便出现内涝, 严重影响了车辆的正常通行和行车安全, 尤其是2012年7月北京出现多起行车至地势较低的积水路段时, 车辆被淹没造成车内人员死亡的现象。这种城市内涝现象很大程度上与排水设计参数取值偏低有关。
3. 雨水综合利用程度不高
在当前的市政排水设计中, 往往过分依赖于雨水管网系统的排水能力, 而忽略了大的城市水循环系统的形成, 在雨水管道设计时没有考虑充足的雨水蓄存空间, 没有为雨水留足排泄的通道, 从而大大增加了管网系统的负荷, 尤其是在暴雨季节可能会出现超负荷而形成内涝现象。
4. 排水管网细节设计不合理
在排水管网的具体设计过程中, 因人为因素造成很多不合理的地方, 如因资料不齐而导致设计参数选择错误, 造成管径偏小或偏大, 管道坡度控制不合理而影响排水性能, 没有进行管线过街预留或预留不合理, 排水管网与其他管线在高程上存在冲突等问题。这些设计不合理之处会给管网系统的施工和后期正常运营带来不利影响。
5. 计算机互联网等先进技术应用水平不高
由于我国还没有对城市排水予以足够的重视, 因而在管网规划设计、维护管理、调度运行等方面还没有开发和运用一些先进的计算机互联网等技术, 造成管网设计水平低下, 也不利于后期维护和管理的开展。
五、市政排水管网分区
最优管网分区方案需为在相应年限内管理费用加上建造费用最小且技术具有很强的合理性的方案。具体来说, 管道费用即为排水管网的建造费用, 其多少主要是由管径、管长以及管材等等因素所决定的;泵站的运行费用则为排水管网的管理费用, 其多少主要是由水泵扬程与实际流量所决定的。就目前的情况来看, 年折算费用法是应用在管网工程的经济评价方式, 其主要指的是在基准投资回收期的各个年限中完成方案建设投资费用的合理分摊, 而后叠加各个年限的实际经营成本。将所得出的折算费用值最小的方案作为是最优方案。
六、结语
市政管网设计规范 篇5
市政管网设计规范
1.给水管材：采用HDPE管。2.给水闸阀安装见省标图集苏S01--14。水表井安装见省标图集苏S01-2004-31。3.室外消防栓安装见国标图集 01S201。4.水压试验：给水管安装完毕后，需按照验收规范要求做1.4MPa水压试验。5.给水管道如果与排水或其他大管径的自流管道交叉相碰时，上弯通过;给水管道如果与电线管交叉相碰时，下弯通过。6.给水管道一般采用开挖埋设，管基础碰到软土地基需另做处理外，一般在管底设20cm中砂或石屑找平层。管道安装完毕，位于硬地下的水管管坑两侧回填中砂或石屑，并用水冲实。在绿地下的水管管坑两侧及管面回填土应分层夯实，密实度应不小于93%。执行《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-。7.排水管材:雨,污水管采用HDPE管。8.雨,污水管道基础及回填参见苏S01-2004-77。9.雨、污水管道在检查井内宜采用管顶平接法。10.管道在车行道下时，管顶覆土厚度不得小于0.8M，否则应采取防止管道受压破损的`技术。11.雨水检查井做法参见苏S01-2004-140。12.污水检查井做法参见苏S01-2004-
91。13.施工完毕应按规范要求做闭水试验。14.按>有关标准的规定执行。15.原则上有压管线避让无压管线.有压小口径管线避让有压大口径管线。给水管线在车行道下埋深为 1.0~1.3米。煤气管线在车行道下埋深为 1.0~1.1米。电力管线在车行道下埋深为 0.8~1.0米。电信管线在车行道下埋深为 0.8~1.0米。有线电视管线在车行道下埋深为 0.8~1.0米。给水管线在非车行道下及庭院中埋深为 0.6~0.8米。煤气管线在非车行道下及庭院中埋深为 0.6~0.8米。电力管线在非车行道下及庭院中埋深为 0.6~0.8米。电信管线在非车行道下及庭院中埋深为 0.6~0.8米。有线电视管线在非车行道下及庭院中埋深为 0.6~0.8米。管线穿越道路时,埋深不能满足要求或有专门要求处,在专业设计时应明确埋设防护套管。16.雨污水管道坡度污水管De160 i=0.007 雨水管De200 i=0.005De200 i=0.007(化粪池前) De300 i=0.004De200 i=0.005(化粪池后) De400 i=0.003De300 i=0.004 De500 i=0.002De400 i=0.003 De600 i=0.0015De500 i=0.002 De700 i=0.001De600 i=0.0015De700 i=0.00117.给水:本工程由解放南路及盐城路上市政给水管引入。排水:本工程实行雨污分流体制。雨、污水就近排入解放南路、盐城路、长存路上市政雨、污水管。煤气:本工程由解放南路、盐城路、长存路上市政煤气管引入。供电:本工程由解放南路上市政供电管引入。电信,有线电视:本工程由解放南路上市政电信,有线电视管引入。18.室外给水管接至给水进户管的给水支管管径及管材详见各单体建筑物水施图。室内污水管出户支管管径及管材详见各单体建筑物水施图。室内雨水管出户支管管径及管材详见各单体建筑物水施图。各单体建筑物污水及雨水检查井井底标高详见各单体建筑物水施图。19.道路下管道定位尺寸见剖面图。20.各单体建筑物外管线与管线综合图再不符时，施工图设计时对管线综合图再做调整。21.另图中未详尽之处，务请参见国家现行有关规范处置。《城市给水工程规划规范》(GB50282-98)《室外给水设计规范》(GBJ13-86)《城市排水工程规划规范》(GB50318-)《室外排水设计规范》(GBJ14-87)《城市电力规划规范》(GB50293)《城市电力网规划设计导则》《低压配电民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16-92)《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)(版)《低压配电设计规范》(B50054-95)《供配电设计规范》(GB50052-95)《城镇燃气设计规范》(GB50028-93)《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)《输气管道工程设计规范》(CG50251-94)《城市热力网设计规范》(GJJ34-2002)《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-)《供暖通风设计手册》《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB50067-97)《城市工程管线综合规划规范》(GB 5028998)《城市居住区规划设计规范》(GB 5018093)规划管线类型：通信管、电力管、燃气管、给水管、污水管。
市政管网改造设计要点探讨 篇6
关键词:排水;管网;管理
中图分类号:TU992 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0203-01
城市排水是城市市政工程的主要基础设施之一,有效地控制城市排水,同时也是控制水污染、改善和保护环境的重要措施,对城市社会和经济发展具有全局性的重要影响。加强城市排水管理,对于保障城市排水设施安全正常运行,防治城市水环境污染,对保护环境、促进经济社会可持续发展和保障人民的健康安全,具有巨大的现实意义和深远的影响。但从目前的理论研究和实践改革来看,或局限于污水处理领域,或局限于排水管网的技术性问题,对于多元责任主体下的管网管理模式的研究还基本属于空白,本文的研究将不仅具有一定的理论意义,对于更好的开展我国城市排水管理的实际工作,解决实际管理工作中的困惑和难点,更具特别的实践应用价值。
一、影响市政管线改造工程设计的几个重要因素
(一)相关用地与工程专项规划。在进行管线设计之前,应收集本片区最新用地与工程专项规划,了解本次设计涉及的管线种类和片区内管线使用的基本情况和存在问题,如水源、电源、气源、排水体制、污水出路、雨水出路等,还要明确各类设计管线的管径、尺寸或孔数等。
(二)现状管线资料。设计前应收集本次设计范围内的现状管线资料,缺少此类资料的应要求建设单位对现状管线进行勘测。如果对现状管线情况不了解,直接影响管线设计的合理性,甚至导致管位重合、管线标高冲突等问题,给管线施工带来很多麻烦和困难。
(三)与相关管线主管部门的沟通和协调。由于市政管线种类繁多,各有各的主管部门,如给水管线由水务部门或自来水公司管理,污水与雨水管线由水务部门或排水管理部门管理,电力管线由供电部门管理,通信管线由各通信运营商管理,路灯管线由城管部门管理,燃气管线由燃气公司管理,热力管线由供热部门管理,因此在管线设计过程中,应征求各管线主管部门对管线设计的意见与要求,对合理的意见和要求应纳入设计进行修改,以满足日后管线的管理和使用。
二、实例分析
下面以某大桥新建工程和路市政改造工程实例,谈一谈市政管线改造工程设计的主要内容和常见问题的解决方法。通过对现场的踏勘,初步了解新和路的现状管线主要有给水管线、排水管线(合流制)、电缆沟、通信管线和路灯管线,再根据现状管线物探资料对现状管线的具体位置、断面尺寸、管材情况进一步了解,为下一步对现状管线进行分析,判断其是否满足规划要求、是否满足使用要求等做好准备工作。
(一)工程管线平面设计。道路北侧布置:现状给水管线和雨水管线、设计通信管线、照明管线、燃气管线、污水管线;道路南侧布置:设计电力电缆沟、照明管线、给水管线、污水管线及雨水管涵。给水管线、电力管线、通信管线和燃气管线通常布置在道路的人行道下,雨、污水可布置在机动车道下。道路北侧的现状给排水管线能够满足规划和使用要求,本次设计保持其现状主线管位不变,只对局部进行改造;排水设计为雨污分流制,按规划增设污水管线,接入道路起端已设计的松福路污水系统;设计通信管线将多家通信运营商的通信管线,集中布置地下在同一管沟中,通信管线管孔需要量根据业务预测和具体情况分析确定,并增加适量备用管孔。照明管线随路灯位置敷设,距道牙0.5米。道路南侧现状给水管线和电缆沟能够满足规划,但受道路改造影响需废除后在新的位置重新建设。电力管线以电缆沟的形式敷设。道路南侧现状箱涵涵顶基本无覆土,末端为盖板渠形式,最终接入现状同富裕泵站。由于本次道路扩宽使原箱涵移至车行道下,而原箱涵结构不满足车行道荷载要求,本次设计对箱涵进行部分重建。并增设污水管道。照明管线随路灯位置敷设,距道牙0.5米。
(二)工程管线纵断面设计。新和路设计管线根据标高从上至下分别为电缆沟、照明管线、通信管线、燃气管线、给水管线、雨水管线和污水管线。本次设计雨、污水管线标高受上下游限制,标高基本已经确定,其他管线标高应依据雨污水标高进行确定。由于道路南侧雨水箱涵涵顶无覆土,电力、通信和燃气支管在穿越箱涵时需从箱涵下方穿越,电力、通信管道在箱涵两侧设置超深井使支管穿越箱涵,燃气支管在穿越箱涵时采取设置套管的保护措施。给水和污水管线采用双侧布管,不与箱涵产生交叉。设计管线与道路北侧保留现状给水雨水管线交叉时,设计管线进行避让。管线在交叉时,应以“压力管让重力流管、可弯管让不可弯管、支管让干管、小管让太管、临时管线让永久管线”为原则,如管线交叉时垂直净距不能满足规范要求,应采取保护措施。
三、常见问题处理
(一)管线间距不满足规范要求。由于管线改造工程会受到各种因素限制,有时会存在管线平面净距、垂直净距或管线与树木、建、构筑物之间的净距无法满足规范要求,为保证各类管线安全的使用,应采取一定的保护措施。常见的保护方式有设置套管、混凝土包封和设置管沟。燃气管线在穿越路口时,也采取一些保护措施。新和路其中一段拓宽段由于燃气管道与树木净距不满足规范要求,采取了套管保护方式。
(二)管线竖向标高冲突。给水、电力、通信和燃气管道在与其他管线竖向标高冲突时,可通过设置弯头、加设电力、通信井的方式进行避让,雨、污水管线一般是重力流,管道无法弯曲,若由于某些原因竖向标高冲突时,只能采用倒虹吸或设置交汇井的方式进行避让。倒虹吸设计时应满足以下要求:最小管径宜为200mm;管内设计流速应大于0.9m/s;宜设置事故排出口或设置双管倒虹吸;进出水井内应设闸槽或闸门;倒虹管进水井的前一检查井应设置沉泥槽。如污水管相比雨水管管径较小时,可在交汇处设置一座交汇井。将污水管改用生铁管直接穿过交叉井,而雨水管线在井中断开。给水管一般应从排水管上方穿越,若必须从排水下方穿越时,给水管管材应采用钢管或增设钢套管,以免水质受到污染。
四、结束语
总之,市政管线改造工程的综合设计就是为了避免了各种工程管线在平面和竖向空间位置上的冲突和干扰,因此对整个工程中的非常重。合理的管线综合设计还可以确定各类管线的最佳埋设埋深,节约有限的地下空间,节省整个工程的投资,对建设可持续发展的资源节约型社会有着重要的意义。
参考文献:
[1]闫福.市政综合管网工程管理实例[J].中国新技术新产品精选,2007,1
蒸汽管网的建模和设计优化 篇7
作为蒸汽输送载体的蒸汽管网,是指连接产汽装置与用户之间的,用于蒸汽的输送、分配、使用和回收的管路网络。蒸汽管网设计是否合理,直接影响管路网络的投资和效率[1]。
目前国内的研究主要集中于蒸汽管道的直埋技术,对管网优化方面的研究比较少。徐鹏[2]等根据规范和设计参数进行蒸汽管网管径和保温厚度的程序化设计,并建立目标函数和约束对其进行优化,按经济性的优劣,依序列出多组设计方案可供设计选择,同时对优化计算的可行性和有效性进行了讨论。刘金平[3]等在火用经济分析的基础上,得出了蒸汽管线优化设计的目标函数。分析了管线长度对管网中蒸汽最优流速的影响,得出了管线短的,蒸汽流速要适当加大,管径减小;管线长的,蒸汽流速要适当减小,管径加大;随着不同管线长度差距加大,对蒸汽管网系统进行优化设计得到的经济效益更加显著的结论。
本文以树状数据结构简化实际蒸汽管网,建立了求解模型。以投资总费用最少为目标函数,将单变量搜索和多变量优化相结合,取主轴斜角α(以驻汽站为原点建立坐标系,主蒸汽管道与x轴正方向的夹角)和用户的分枝管长xi(用户在干管上的分杈点到驻汽站的距离)为优化变量,实现整个管网的优化设计。
1 目标函数
树状模型(见图1)是数据结构中常用的一种模型,其优点是从属关系明确,子节点和父节点通过“枝”连接,每个节点两个子分支,“叶”位于从属关系的底层,没有分支。这种模型由于关系明确,非常易于遍历和搜索,而数学上也有许多成熟的方法对这种数据模型进行优化[4]。同时,枝状管网布置简单,管道的直径随着用户距离热源的距离逐渐减小,金属耗量少,基建投资小,运行管理简便[5]。故本文以树状模型简化蒸汽管网,建立求解模型。
根据热经济学原理,蒸汽管网优化设计目标函数包括初投资费用(钢管投资、基建投资和年平均维修费用),散热损失折合费用和压力降导致的年动力消耗费用。
式中:E—年总投资费用,元;
Et—初投资费用,元;
Er—年热损失折合费用,元;
n—管网的总级数;
Ey—运行费用,元;
Li—各级管长,m;
egi—单位长度不同管段的管道投资,元/m;
βg—管道年折旧率;
ebi—单位长度不同管径的保湿层投资,元/m;
βb—保温层年折旧率;
Ewi—各级管道年维修费用,元;
Qi—不同管径的管道单位时间热损失,t/h;
T—年运行时间,h;
Cr—蒸汽价格,元/t;
Cd—电价格,元/t;
Gi—各级管道流量,kg/s;
ΔPi—各级管道压力降,Pa。
式中:ρ—密度,kg/m3;
g—重力加速度;
h—总水头损失;
hf—沿程水头损失;
hj—局部水头损失;
v—蒸汽断面平均流速;
c—谢才系数;
L—总管长;
ξ—局部阻力系数;
R—过水断面水力半径,圆管满流时R=0.25D。
从管网末端开始,沿管网供水反方向进行节点流量的累加,直至该管段上游节点,即可得该管段的计算流量。管网节点流量即管网中管段连接点配出的流量。实际管网中节点特别多,而且极为复杂,因此必须进行简化。将管段沿线流量一分为二,简化为管段两段的节点流量,集中流量可以直接加到所处节点上;节点设计流量是最高时用汽集中流量、沿线流量和供汽设计流量之和,假定流量流出节点为正向,则管网中任一节点的节点流量为:
式中:qj—节点j的节点设计流量,kg/s;
qmj—最高时位于节点j的集中流量,kg/s;
qsj—位于节点j的(驻汽站)供汽设计流量,kg/s;
qmi—最高时各管段沿线流量,kg/s;
Sj—与节点j关联的所有管段编号的集合;
M—管网的节点总数。
2 优化算法
2.1 优化模型
蒸汽管网系统的设计由热媒(蒸汽)、热源(热电厂或区域锅炉房等)和蒸汽用户的相互位置和用户的种类、热负荷大小及其性质等多种因素决定。其中,用户种类如何划分是管网最终设计结构的决定性影响因素之一。本文根据用户的蒸汽需求量对用户分级,随着级数的递增,用汽量递减。具体方式如图2所示,用户A是一个工厂,其包含车间a1、a2、a3、a4,其中a1和a4需要使用蒸汽;用户B是一个住宅小区,有b1、b2、b3三幢楼,均需要用蒸汽。若A、B用汽量相当,则分级后A、B是第一级,a1、a4和b1、b2、b3是第二级。
在用户分级的基础上,本文提出了一种新的优化模式,即分级递进优化。先对第一级网络进行优化计算,此时蒸汽管网只有两个用户:A(简化为ZA)和B(简化为ZB);接下来优化第二级,有5个用户分成两个系统。ZA、a1、a4组成第一个二级系统;ZB、b1、b2、b3是第二个二级系统。这两个二级系统是平行的,优化时分先后进行,互不干扰。需要注意的一点是,此时ZA、ZB被看作第二级系统的驻汽站,已由上级优化完成。如此类推完成整体网络的优化设计。此优化方法将蒸汽管网分解为多个小系统,分别进行优化,不但很好地表现了用户之间的依赖关系,同时保证每一级都能得到最优结构,具有可操作性强的优点。
总费用最低的目标要求蒸汽管网的总管长最短。实际中驻汽站和用户的位置是不能改变的(第二级中ZA、ZB的位置也受到各种因素的影响不能随意取定),优化时首先以总驻汽站为原点建立平面坐标系,X、Y轴正方向可以随意取定(建立把用户最多的区域设为第一象限),然后在此坐标系中表示出各用户的位置,最后取主轴斜角α(主蒸汽管道延伸方向与X轴正方向的夹角)和分枝管长xi(用户在干管上的分杈点到驻汽站的距离)为优化变量对整体管网系统进行优化设计。根据蒸汽管网建立优化模型,如图3所示。
分级优化时,管长也分级计算。每级的总管长分干管长和枝管长两部分。干管长指主蒸汽管道的延伸距离,枝管长指每个用户到连接到主管道的距离。以图3第一级为例,干管长为XB,枝管长FA+FB。因此本优化方法的目标函数转化为:
式中:L—管网总管长;
Li—各级的总管长;
LGi—各级的干管长;
Lzi—各级中单个用户的分枝管长;
k—各级中用户总数。
2.2 约束条件
优化计算要满足国家标准规定[3]中的约束和用户端对蒸汽最低参数的约束,因此存在如下约束条件:
(1)管内蒸汽流速v的约束:v≤vmax;
(2)保温层外表面温度Ts的约束:Ts≤Tmin;
(3)保温层外表面允许最大散热密度Q的约束:Q<Qmin;
(4)用户端对压力p的约束:pi≥pmin;
(5)用户端对流量q的约束:qi≥qmin。
2.3 优化方案
如果蒸汽管网有N个用户,则产生N+1个优化变量:一个主轴斜角α和N个分枝管长xi。从上文的目标函数可以看出:只有确定α才能求解用户分枝管长xi,即α和xi不能同时优化,则优化计算被分成两部分:单变量α的优化和多变量xi的优化。因此,本文将单变量搜索的黄金分割法和多变量优化的单纯形法相结合,采用分级递进的优化模式编写程序完成整体网络的优化工作。
程序运行如下:
(1)以驻汽站为原点建立平面坐标系,确定用户位置;
(2)用户分级;
(3)取角度初始值α,调用黄金分割法程序优化第一级网络;
(4)对应α,取分枝长度xi的初始值,调用单纯形优化程序计算该角度下的最优结构;
(5)单纯形法优化结束,收敛判断。满足则根据此时的管长计算投资总费用并返回黄金分割法程序;
(6)黄金分割法程序继续以步骤(5)的方式运行,最后收敛判断,根据函数值判断搜索方向,改变角度α的值,重复步骤(4)、(5)直到满足优化目标函数的收敛条件;
(7)此时第一级系统优化结束,以第二级系统的原点建立新的坐标系返回步骤(3)进行第二级优化,重复执行步骤(3)～(7),完成整个网络的优化工作;
(8)优化结束。
3 算例
某蒸汽管网,年运行时间2080h,电价以0.15元/kWh计,蒸汽密度18.5kg/m3,蒸汽价格以12.6元/t计,管道折旧率为0.032,保温层折旧率为0.044。以驻汽站为原点建立坐标系,各用户的坐标如表1所示。
网络最高时用汽量为35.98L/s,节点1接工厂,要求供汽量为12L/s。表2为计算过程参数,优化结果如表3所示。整个网络形成三个系统,Z、1、2构成第一级,第二级第一个系统包括11、12、13、14;第二级第二个系统由21、22、23组成。首先优化第一级,收敛情况如图4所示。第二级系统收敛情况分别如图5、图6所示,最终结构如图7所示。
4 结论
以树状数据结构为基础简化蒸汽管网,建立了蒸汽管网的求解和优化模型,取主轴斜角α和用户的分枝管长xi为优化变量,将单变量搜索和多变量优化相结合,完成了蒸汽管网的优化设计。
(1)提出了一种全新的优化方案和相应的分级递进优化方法。
(2)将单变量搜索的黄金分割法和多变量优化的单纯形法相结合,很好地避免了变量数多对于单纯形法的限制,极大地扩大了该方法在蒸汽管网优化上的使用规模。
参考文献
[1]刘军.蒸汽管道的设计与安装[J].能源研究与利用,2003,(4):41-45.
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城市集中供热管网优化设计 篇8
1 我国城市集中供热管网的现状及存在的问题
近几年,城市集中供热被越来越多的人接受,关系到居民的生活质量。城市集中供热是以热水或者蒸汽作为热源,通过供热管网向集中的区域供热。因其与传统的供热相比,存在很多优势,在城市中得到迅速发展。城市集中供热的优点表现在以下几个方面。
1.1 节约资源
传统的供热采用容量小、效率低的锅炉,而现代的城市集中供热利用的是容量大、效率高的锅炉,大大节约了能源。
1.2 减少空气污染
目前,集中供热利用热电厂或集中锅炉房供热,安装专用供热设备和排污净化设备,而以前的分散锅炉供热,大部分未安装达标的污染净化设备,集中供热解决了供热带来的环境问题。
1.3 提高了供热质量
传统的供热是在某一时间段内供热,供热时间大部分集中在晚上,供热不稳定。而集中供热是保持室温不变的连续供热,提高了人们的生活质量。
1.4 节省了人力物力
由于城市集中供热主要操作都是自动化的,根据对供热温度的设置,设备可随室外温度的变化自动调节供热环境,节省了人工的操作。
我国城市集中供热从20世纪50年代开始起步,经过几十年的不断发展,城市集中供热系统取得了一定的成绩,但发展的过程中仍然存在一些问题。第一,一些城市采用的热电厂或锅炉房的能源利用率低,造成热能浪费,增大了供热成本。第二,供热管网的分布广、分支多,当管网出现问题需要维修时要花费若干小时,影响人们的居住生活。第三,很多用户出现供热不均的现象,影响了人们的生活质量。
2 城市集中供热网管优化设计
随着城市集中供热的发展,供热管网的优化设计在供热工程中的作用越来越重要。结合供热管网的实际情况的同时,考虑节约能源、降低能耗、减少污染,对供热管网进行合理优化。其优化主要包括管线的布局、管径的设计、管道的敷设和管网的运行。
2.1 管线的布局优化设计
供热管网的管线应从经济性、技术性等方面考虑进行合理设计,近几年由于城市集中供热源的减少,供热管网的投资加大,对集中供热管网的设计要求更为严格。首先,在管线的布局过程中,应集中在热负荷区域,减少管线的长度,力求短直,在设计中,采用Dijskstra算法求出最短路线,缩小阻力带来的损失,从而保证管网的经济投入。其次,在管线敷设过程中,选择土质较硬的位置、地震稳定区域、不易出现滑坡危险区和地下水位较低的区域。避免和交通干线的交叉,尽量和公路平行并且在公路一边的辅路位置敷设,防止出现阻碍交通的现象。再次,在管线布局过程中,供热管线应与其他管线保持一定的距离,避免施工时对其产生影响。
2.2 管径的优化设计
在管线的布局、管径的设计、管道的敷设和管网的运行设计中,管径设计是整个城市集中管网设计的核心,对于供热工程而言,管径的设计是离散的,在对每种管线进行布局时,管径的设计都会有多种选择,因此,在管径的优化设计中,首先确定管径的最大值,使管径的选择尽量在较小的范围之内。在设计供热管网时,管径的大小是根据各个管段的流量、长度、材料以及比压降的大小来确定。管段的流量和用户的设计热负荷、热网的供、回水温度有关系,在确定管径之前,要对不同管段的热负荷加以计算。实际上,管径越大,热量输送时产生的阻力就越小,消耗的动力成本就越低,但建设的成本会相应的增大,因此选择最优管径,才是经济合理的管径。合理的管径优化设计,既能满足供热管网的管径使用,又能节约经济成本。
2.3 管道的敷设方式
在城市集中供热管网设计中,对于管道的敷设采用直埋方式,一方面地埋方式既不影响城市的美观,又能减少损耗,如采用架空敷设,由于管道较长,输送区域较广,敷设面积较大,严重影响城市的景观,并且管道暴露在空气中,大大增加了热能的消耗;另一方面,与地沟敷设方式相比,地埋敷设施工工期短、维修率低、占地面积小,此外,地埋方式采用无补偿预热安装方式,当管网中某一管段的温度超过承受温度时,管道不会受到损害,减少了管网的维修率。合理的管道敷设方式对集中供热管网,有效地降低了能源的消耗和成本的投资。
2.4 管网的运行优化设计
目前,我国各大城市集中供热管网在运行的过程中存在很多问题,例如能源利用率较低,经济成本较大,严重影响了供热管网的质量。因此合理的管网运行调节对于供热系统的正常运行起着非常重要的作用。首先,科学合理地设计供热管网系统,通过合理的设计,减少实际运行中出现的问题,保证供热系统的正常运行。其次,在管网运行中注重管网的调节,很多用户出现供热不均的现象,主要是由于供热管网的水温调节不得当造成的,当用户自行调节供热温度时,通过对调控设备的设计,使单户调节温度时,不影响其他管道,同时避免产生振动和噪音。通过先进的技术,合理优化设计集中供热管网,提高供热管网的质量,保证居民的正常生活。
3 结语
随着城市的发展,集中供热将会越来越普遍。城市集中供热管网关系到人们的居住生活质量,在设计过程中,在保证能源和经济成本的前提下,要对管线布局、管径设计、管道敷设及管网的运行进行合理优化设计,提高城市集中供热管网的运行质量,促进城市集中管网系统的发展,进而提升人们的生活水平。
参考文献
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加强集中供热管网优化设计措施 篇9
1 城市集中供热管网优化设计的意义
随着城市化进程的不断深入, 部分老旧建筑被翻新或者重建, 并为其接入了供热管网。值得一提的是, 在该类接入施工中, 有相当一部分没有予以科学计算, 管道的敷设往往是逐段逐段的进行, 导致部分管线以单一枝状的形态进行延伸。另外, 为提高热负荷能力, 甚至通过加粗管道的方式予以实现, 如此一来, 造成在二次管网中存在一种细管接粗管的违规设计, 因此, 只有对其进行合理布局, 才能为城市的健康发展奠定有利基础, 所以, 有必要对城市集中供热管网予以科学的优化设计。
2 管道保温的影响要素
对城市集中供热管网进行分析发现, 其实际热效应将会受到多重因素影响, 主要包括:
(1) 管道外径。当输水温度为定值时, 热损失、管道外径之间成正比关系。 (2) 输水温度。当输水温度偏小时, 在各管径传输过程中的热损失不会相差太大, 当输水温度偏大时, 在各管径传输过程中的热损失存在较大差距。 (3) 管道热导率。当管径为定值时, 热损失、管道热导率之间成正比关系。 (4) 土壤热导率。当管径为定值时, 热损失、土壤热导率之间成正比关系。 (5) 保温层厚度。热损失、保温层厚度之间成反比关系。
3 集中供热管网的优化设计方法
3.1 管径的优化
集中供热管网的优化主要涉及三大部分:一是管径设计;二是管网布局;三是管网运行。其中, 管径设计是集中供热管网优化的一个关键所在。一般情况下, 工程所涉及的管径均属于离散性质, 因此, 管径优化工作的实质是如何做好大规模组合优化问题。当管网布局存在差异时, 通常管径优选也将会呈现出不同的、针对性的组合, 在管径优化环节, 应结合工程具体要求来确定管径的最大值, 即在一个相对科学的范围内完成管径的取值和确定工作。对管网进行设计的过程中, 每一管段所采用的直径是基于相应的流量及比摩阻大小最终计算得出, 而流量则取决于实际热负荷的大小, 所以, 在确定具体管径之前, 应对各管段将要承担的热负荷予以合理计算。
3.2 管网布局的优化
对供热系统的建设进行分析发现, 供热管网的投资占比最高, 同时其施工也最为复杂和繁重。应重视并做好供热管网网络形式的选择, 这不仅关系到供热的可靠性、系统的机动性、运行的便利性, 还关系到管网的经济性。对供热管网进行布局的过程中, 不可与城市建设整体规划存在冲突, 应在后者的指导之下, 综合考虑热负荷分布情况、热源的具体位置、与其他管道或构筑物之间的关系、水文特点以及地质条件等因素, 应切实执行以下基本原则: (1) 经济合理。主干线应尽可能走直线和热负荷最为集中的区域; (2) 技术可靠。在敷设线路的过程中, 应选择那些较为理想的地区, 如起伏不大、土质良好、地下水位较低的地区, 同时应尽可能避开那些不理想的地区, 如起伏较大、土质疏松、地下水位相对偏高的地区; (3) 管线应尽量少穿或者不穿主要交通线。通常情况下, 管线应和道路中心线保持平行关系, 同时还应尽可能设置在车行道之外的区域。一般情形下, 仅在道路的某一侧进行管线的铺设, 尽量避免管道的地上铺设, 因为这样做一方面会破坏城市环境的整体美观;另一方面会妨碍道路的正常运营。在铺设供热管道的过程中, 应与其他管道或构筑物之间预留足够的距离, 从而保证后期施工的高效性、运行的安全性以及检修的方便性。
3.3 管网运行的优化
对国内部分城市的集中供热管网进行研究发现, 其平时的运行存在诸多问题, 尤其是能源的严重浪费, 造成其经济性十分不理想。现阶段, 随着多类型供热系统的出现和应用, 针对管网运行予以科学优化已经成为一个亟待解决的问题。此外, 在热网实际运行环节, 冷热不均问题广泛存在, 且带来了一系列不利影响。热网中的水力失调现象是诱发主因, 所以, 对热网水力进行有效控制, 使其趋于平衡便成了当务之急, 其将会对管网的正常和高效运行产生直接而重要的影响。应选择和安装相应数量和功率的动态调节设备, 以实现对各个环路水力的有效控制, 缓解或避免失衡现象的发生。在某些用户对自身用热量予以调整的过程中, 动态调节设备将会发生十分积极的调节作用, 在调节过程中, 不会对相邻环路的实际用热量造成不利影响, 同时还具有无噪声的优点。然而需要注意的是, 对于动态系统而言, 其有几率发生稳态失调的现象, 因此, 应对该问题予以重视, 并采取相应的预防措施。对管网运行方案予以持续合理的优化, 从而有效减轻或避免水力失调问题带来的不利影响, 保证热网的工作质量, 最终实现供热系统连续、可靠运行的总体目标。
4 结语
总之, 我国城市人口密度较大, 对供热管网的工作性能有着更高的要求, 所以, 在建设城市集中供热管网过程中要保证其连续性和可靠性。对城市集中供热管网予以优化设计的过程中, 不仅要考虑其安全性及稳定性, 同时还应考虑其经济性和科学性, 并以此为基础来开展管径、管网布局以及管网运行的优化工作, 从而促进城市整个热网系统的不断完善。
摘要：在城市集中供热不断发展的背景下, 供热管网已成为人们日常生活中的重要组成部分, 其在城市建设中起到了十分重要的作用。因此, 本文将重点对供热管网运行系统的优化设计进行深入探讨, 以期促进整体设计水平的进一步提高。
关键词：集中供热,管网,优化,设计,措施
参考文献
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管网优化设计 篇10
纵观城市给水系统, 可以分为三大部分:取水工程、净水工程以及输配水管网工程。其中输配水管网工程是投入成本最大的一块, 要占到整个城市给水系统总投资额的23以上。另外, 每年还要涉及到的供水能量消耗也是非常庞大的, 建成后给水管网的运行费用与制水成本相比也要达到后者的30%~50%左右。从这些数据来看, 对城市给水管网从技术、经济角度进行科规划、合理布局可以从根本上达到降低成本、节约能源以及保证供水质量的最终目的, 从根本上提升了整个城市供水系统的经济效益、社会效益。本文就该话题谈几点笔者的看法。
1 城市给水管网系统现状分析
相关研究和统计资料显示, 当前我国的城市给水管网系统普遍存在如下几个问题。
1.1 供水管网布局缺乏合理性、科学性
该问题主要呈现为如下几个落后:
(1) 规划控制的落后。供水管网还停留在原有的规划控制中, 没有综合分析需求的变化, 或是看到了需求发生了改变, 没有能够及时地做出相应的改变。
(2) 原有的设计缺乏长远性。随着城市规模的不断扩大, 经济中心、文化中心也在不断地调整之中, 城市中有一些原本不发达的地域被规划为了商业街, 导致这些区域生活用水的质量和要求也相应有了大幅地提高, 进而导致给水管网超负荷工作。
1.2 供水管老化, 出现了严重的漏耗现象
城市供水管网长期以来一直处于运行状态, 其中有相当一部分出现了老化, 管网老化在老城区较为突出, 其中老城区有些管网铺设时间有的甚至超过了50年, 况且管材质量又比较差, 再加上长期超负荷运行, 年久失修, 城市供水管道出现爆管, 以及各种明漏、暗漏问题。有统计资料显示, 一般的城市自来水由于供水管而导致的漏损率要达到10%~30%, 当前的平均水平高达24%左右的漏损率, 这个数字要远远高于欧洲发达国家7%的漏损率, 同时, 城市的管网又处于超负荷送水状态, 进一步增加了不必要的能耗和漏耗。相关部门测算结果表明, 当前状态下, 每年我国因给水管网漏损和爆管所造成的经济损失高达近5亿元人民币。
1.3 供水安全性和供水效益有待提高
我们可以将城市给水管网系统比作为一个庞大的且复杂的“反应器”, 经过水处理合格后水流入管网中, 水在配送过程中会发生一系列的化学、物理和生物反应, 这些反应会直接导致水质的下降。加上其他原因, 如供水压力过高、天气的影响、地下管道埋设过浅、道路的施工措施欠妥、水管抗重压能力较差等等, 给水管道经常性的会发生爆管问题。一旦出现水质和输水管路上的安全性问题, 社会用水需求会受到影响。另外, 供水电费是自来水供水成本中比例较大的一块, 通常要占到成本的30%~40%左右。
2 城市地下给水网改造坚持的原则
2.1 全面推进, 有重点地改造
改造本着不影响整个供水系统的正常运行的原则, 而优化设计和改造必须结合城市供水管网的具体实际, 根据当前需求和未来发展规划进行统筹安排, 确保城市供水管网改造工作具有全局性和统一性, 同时也要结合改造的层次性, 要将改造的重点突显出来, 优先施工。具体应在统筹设计的基础上, 对供水漏损和供水安全影响比较大的管网, 还有在可持续改造中位置重要的主干管, 优先改造。
2.2 实事求是, 目标可行性原则
城市地下水管网改造要“解放思想、实事求是”, 规划设计和目标设定一定要在充分调查和研究的基础上进行, 严禁不切实际地盲目设计, 改造项目要根据城市供水系统的实际需要, 综合分析施工条件和地方财政实力, 设置可行性的阶段性规划目标, 同时城市供水管网改造也要立足于城市总体规划蓝图, 确保供水管网改造与城市建设和改造相协调, 避免设计变更或二次短时间二次改造。
2.3 保障服务质量, 倡导节约用水
建设节约型社会, 节约淡水资源也是重要的一项, 所以给水网优化设计应紧密围绕提高供水质量和节约水资源这一原则。具体做法上, 应借助于管网改造有步骤地实现供水管网的优化, 加大系统的配水能力、提高水质、降低供水损失、减少管网事故率、保障供水安全。除此之外, 还需要加强宣传引导力度, 倡导全民节约用水。
3 城市地下给水管网优化设计
大量统计资料表明, 通过对城市给水管网的优化整合, 通常可以节约总成本的5%~10%左右, 有助于提升供水系统的经济效益, 优化设计可以从以下两个方面着手:
3.1 优化城市地下给水管网设计
纵观城市给水系统, 具有高度的复杂性, 给水管网工程是投资最大的一块, 要占到整个城市给水系统总投资额的2/3以上, 结合给水管网所涉及的问题来看, 城市地下给水管网设计, 涵盖管网布置的合理性、泵站数目及位置、水源分配水量等等都会对管网的经济效益造成影响。结合现实城市给水管网的优化设计中主要包含以下内容: (1) 对城市供水管线进行优化的方案; (2) 对既定条件下管道系统的优化。
3.2 优化设计模型角度
要想对水管网系统进行更好的优化和设计, 那么就要对水管网系统进行细致的分类。分类标准不同分为的结果也存在差异:按水源是否用加压可以分为压力流和重力流给水管网;按照水源的个数可以为单水源和多水源给水管网;按照管网形式可以分为枝状和环状给水管网。
对环状给水管网的优化最先采用的是线性规划的模型:它是利用目标函数对其流量进行预分配;其次在计算目标函数基础上, 反复调整流量分配, 从而达到较理想的效果。这种模型根本上实现了给水管网从树状到环状的突破, 但没有解决环状网自身的非线性的弊端。后来随着对环状网的深入研究, 采用泵站送水的方式弥补了环装网的非线性的弊端, 但是增加了建造费用和运行费用, 并且这两部分只包括了管网的静态费用和泵站的动态费用, 其约束条件是非常复杂的约束集合, 无形中增加了非线性规划的求解难度。目前, 许多学者通过简化模型或限定某些约束条件, 利用非线性规划的方法解决实际问题。
4 结语
随着我国经济的不断发展和城市规模不断扩大, 城市给水系统每年都要更改、扩建, 以及大城市的新建开发区和新发展起来城镇需要新建给水管网。因此, 在我国进行城市给水系统改造, 特别是对给水管网进行优化整合的意义十分重大。通过优化设计模型可以科学有效地对给水管网进行优化, 提高整个城市供水系统的使用效率。
摘要：城市地下给水管网是重要的市政基础设施, 关系到城市的生产、生活的正常发展, 更关系到城市供水系统的效益, 笔者从事相关工作多年, 本文首先分析当前城市给水管网有哪些存在的问题, 本着解决问题、节能减排, 提高城市供水系统效益的宗旨对应地提出了改造原则和优化设计, 望能给实践带来一些帮助。
关键词：城市,给水管网,问题,优化设计
参考文献
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城市给水管网系统的规划设计 篇11
关键词：城市给水管网系统；规划设计；取水建筑物；泵站；输水管线；城市用水量 文献标识码：A
中图分类号：TP315 文章编号：1009-2374（2015）22-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.006
近年来，我国的城市化建设得到了空前的发展，随着用水人口和用水量的不断增多，原有给水系统不堪重负，有些地区已经出现水量欠缺的现象，低压区也在不断增多。此外，在管网维护上主要依靠工作人员的维修经验，缺乏必要的理论依据及科学分析，管网工作常常工作于非最佳状态，这不但会造成水量浪费，还存在一定的安全隐患，出现停水事件。供水企业在确定管线走线和管径时通常是依据经验来进行的，由于实际管网较为复杂，工作量较大，管网的设计具有变量多、约束条件复杂的特点，进行城市给水管网系统的规划设计对于解决城市供水问题具有十分重要的意义。
1 城市给水管网系统规划设计的发展
城市给水管网系统的优化设计起始于20世纪60年代，我国的相关研究起步较晚，但近年来发展速度较快。总体而言，给水管网系统的优化设计经历了从单一型向复合型发展的过程，主要包括经典优化理论及应用→启发式算法研究及发展→多方法优化→地理信息系统。随着计算机辅助设计技术的出现和发展，一些新型算法不断应用于管网优化计算中，如人工神经网络法、遗传算法等，这些新技术促进了可视化技术和集成GIS的开发。随着管网优化研究领域的发展，管网运行的可靠性在提高，经济性在优化，环状管网与树状相结合的形式得以发展。当前，在我国的大城市中，给水管网已经形成了大型化、复杂化和多样化的管网规模，这对建设管网和进行管网的管理而言具有较高的要求。
2 给水管网规划设计的任务及原则
2.1 给水管网规划设计的任务
城市给水管网规划设计通常是在一定的条件下，在确定的水厂规模和位置背景下，对管网的模型进行建立和对运行工况进行计算，找到一个投资少、低能耗、安全可靠性高的管网系统设计方案。具体而言，进行城市给水管网规划设计的任务体现在以下两个方面：首先是管网的优化布置。作为给水管网规划设计的基础，管网的优化布置是否科学合理对于给水系统的安全可靠及经济性而言意义重大。此外还要注意供水分区及供水方式的优化，正确选择串联供水或并联加压的供水方式，加压站的设置要科学合理，保证供水系统的运行费用最低。其次是管径的优化设计。在给水管网中，管径的大小关系着系统的布局，受管段在管网系统中所承担的责任影响；在管网优化设计上，要基于管网的最优布置，通过优化模型进行求解。
2.2 给水管网规划设计的原则
作为一项系统而复杂的工程，城市给水工程设计需要遵循一定的原则，主要有以下三点：（1）要对城市的未来发展有科学的把握。给水系统的建设受城市未来发展所导向，在进行规划设计时要结合城市的总体规划、合理确定近期和远期的供水量；（2）规划设计要具有一定的针对性。要对当前城市给水管网系统存在的问题进行研究并给出应对措施，结合给水调查报告深入分析运行中存在的问题，给出解决措施；（3）在规划设计完成后，要基于供水需求和管网安全可靠运行的要求，尽可能地节省投资和降低能源消耗，保证可操
作性。
3 城市给水管网规划设计
3.1 管网系统优化设计
城市给水管网的主要功能是存储、输送以及分配水资源，它为城市的各项生活生产提供必要的水源，整个建设具有投资大和运行能耗高的特点，所以在城市给水工程设计中进行合理规划和优化设计十分重要。一般而言，给水管网的规划设计采用的是以下方法及
步骤：
3.1.1 结合城市总体规划。在确定近期和远期的供水范围、城市的用水总量规模上，需要与城市的总体规划相结合。相关规范指出，给水工程设计需要遵循的原则之一是：结合城市的远近期规划，以近期为主，兼顾远期。近期设计的参考年限以5～10年为宜，远期设计的参考年限以10～20年为宜。
3.1.2 结合城市布局及地形地势。在规划时，要进行供水分区的划分，对给水管网系统进行布置，建立相应的数据库。与小城市不同的是，大型城市的建设区面积极大，区域之间的地形高差十分明显，这个给水系统的规划设计带来了难度，导致管网系统的布置存在较多的形式。在规划中，要对不同的布置方案进行比较，找到最优方案。一般而言，管网的布置方案要考虑到输配水干管，可以忽略影响较小的给水支管；干管的布置要依据城市的规划布局和水源位置、供水形势等进行合理确定。
3.1.3 建立规划设计模型。在建立规划设计模型时，首先要进行模型目标函数以及约束条件的确定，数学模型的目标函数是经济性，其他方面是约束条件。传统的城市给水管网规划只是单一的造价规划，采用的模型是线性规划模型，以合理配置系统管段管径为最终结果。当前，在给水管网优化设计中，大部分采用的是非线性规划模型，包含有管网、泵站的投资建设及运行维修费用等。通过优化计算，在满足全部约束条件的前提下，进行目标函数最小化求解，从而有效降低系统的投资和运行维修费用。
3.1.4 计算方法选择。在优化计算方法的选择上，主要有两大类，分别是局部优化、全局优化。其中，前者采用的是线性规划、非线性规划等；后者采用的是遗传算法、蚁群算法等。
3.2 改造工程的优化设计
为了提高城市给水系统的供水质量及保证安全供水，很多城市需要对过去的给水管网进行改造。一般而言，城市给水管网的改造涉及到新增供水干管、管道管径的调整、受损严重管道的更换、增压泵站的扩建新增等。实施优化设计能够有效减小人为因素的影响，保证管网改造方案的科学合理。城市给水管网改造的目的是依据目标进行模型的构造，采用优化理论进行设计参数的合理确定和方案的选择。通常情况下，进行给水管网改造规划设计需要遵循以下步骤：首先是进行城市供水量、用水量、水厂、管网等资料的调查及收集，建立相应的结构数据库；其次要依据城市的近期目标和远期目标以及相应的规划布局，建立管网给水优化设计模型，对系统的运行工况进行模拟，通过模拟可以发现系统中存在的问题并及时给出调整措施，对改造的可行性进行研究，依据模拟结果对方案的技术、经济、安全性能等指标进行评估分析，找出最优的改造方案；最后是进行给水管网改造范围的确定，制定合理的管网改造方案。要与当前城市供水中存在的问题相结合，分清主次，合理安排改造计划，进行供水干管的新建，对当前的管道管径进行合理调整，及时更换老化的管道。
4 结语
本文针对城市给水管网系统的规划设计进行探讨，介绍了相关技术的发展，对其优化规划设计的原则进行了梳理，探讨了具体方法及实现步骤。总而言之，城市给水管网规划设计关乎经济和社会效益，我国当前的城市给水管网规划理论依然处在发展阶段，还有很大的发展空间。为了使得计算方法更加精确和完善，仍然需要在实践中不断探索、积累经验，形成一套完善的联系实际的理论系统。
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作者简介：许秀清（1983-），女（回族），安徽寿县人，安徽省城建设计研究院工程师，硕士，研究方向：环境
工程。
市政排水管网科学性优化设计探讨 篇12
关键词：市政工程,排水管网,优化,设计
城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐形成的。随着城市的发展,经济生产的不断调整,新开发区的建立,城市道路不断修建,旧城区的改扩建等,排水系统也在迅速建立,排水管网的普及率在逐年提高。但是还存在很多问题,如污水直接排入河道造成水体污染;排水体制的不确定导致雨污水合流,使污水得不到有效处理;规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差,满足不了使用要求;排水管网建设与污水处理厂建设不配合,导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下,排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究。
1 市政排水管网现状
1.1 规划设计问题
当前的排水规划一般来讲,普遍比较不合理。排水规划设计要以总体规划为前提,但管网建设有其自身的特点,它建设完成后使用期限要长达四五十年以上,如果严格以总体规划的年限、污水量标准、居住人口密度、土地服务范围等为依据,有时很难适应城市发展的需要。
1.2 排水体制问题
排水体制关乎整个排水设计,当前的大部分排水体制均需改制。排水系统的体制一般分为合流制和分流制,混合制也是城市中常有的系统,是具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城市中,因各区域的自然条件以及修建情况相差较大,因此要因地制宜地在各区域采用不同的排水体制,如东莞市城区便是这样的混合制系统。东莞市位于广东省南部,是座历史悠久的城市,属于珠江出海口,区内水系发达,河流纵横交错。原有旧城区及各镇区,居民生活污水及工矿生产废水大部分均直接排入附近河涌;而东莞南城区及松山湖高新技术开发区为新建区,所以在排水体制的选择上因地制宜地采用了不同的体制。在旧城区采用截流式合流制系统,在两河岸边建造一条截流干管,同时在截流干管处设置溢流井,并设置污水厂。晴天所有污水均送入污水处理厂,处理后排入白水河。雨天随着雨量的增加要有部分污水进入河道。但是,随着旧城不断改建,这种污染状况会逐步消除。南城区及松山湖高新技术开发则有条件采用完全分流制系统,即雨水、污水完全分开设置管道,雨水排入邻近河渠,污水则送入污水处理厂。
2 市政排水管网优化措施
一般来讲,排水管道优化设计主要内容为:对于某一设计管段,当设计流量确定后,在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中,取得管材费用与敷设费用的平衡。当然这仅为在设计流量时的优化,但是在整个市政排水管网中,其优化设计措施必须是多层次、多角度的。
2.1 Dijkstra算法改进优化设计
排水管网的优化设计实际上就是寻找一个以污水厂为根节点的最小费用生成树,Dijkstra算法是构造最小生成树的有效方法。考虑到在排水管网优化过程中,生成树的权值随管段的流量、埋深和长度的变化而不断变化,因此在实际应用中通常采用变权值Dijkstra算法。现有管网平面布局优化常采用有向图的方法,即在优化前指定网络中各边的方向(水流的方向),而管网中水流的方向在初始情况下是不确定的,生成树生长的方向可能代表了水流的反方向,因此采用无向图进行优化更符合管网最初水流方向不确定的情况。鉴于以上原因,基于无向图的变权值Dijkstra算法(改进Dijkstra算法)进行排水管网优化分析。改进Dijkstra算法考虑了最小生成树生长过程中权值的变化,在多约束条件下也可以得出最优解。该算法的实质是最小费用树的深度优先算法,又称瞎子爬山法。该算法要处理的信息量小、速度快,对于单因素、单极值的情况非常有效。
2.2 管线平面优化设计
排水管网的布置原则是既要使工程量最小,又要使水流畅通、节省能量。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的基本原则是:干管支管的设计尽量采用直线布局,不要拐弯:定线应尽量利用地势,使污水在重力作用下流入污水厂:设计时应尽量减少管道埋深;在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。在早期的研究中,设计方法为假定每一段管径相同,以挖方费用为优选依据,选择一初始布置方案,然后通过算法逐步进行调整,后来又引入了排水线的概念,将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数的节点用一根排水线连接起来,这样把问题转化为最短路问题,可用动态规划法求解,但此方法把寻优的范围被限制,使人们在设计过程中很容易把最优方案排除。后来,人们把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图,从图论中寻找方法1986年发展到利用三种权值来解决问题,三种权值是各管段地面坡度的倒数;各管段的管长:各管段在满足最小覆土条件下,按最小坡度设计时的挖方量,分别对这三种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案,再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计,最后取投资费用最小的平面布置方案作为最优设计方案。
2.3 环刚度的优化选择
环刚度是塑料埋地排水管(新型管材均可认为是塑料排水管)抗外压负载能力的综合参数,为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作,环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小,管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之,如果环刚度选择得太高,必然采用过大的截面惯性矩,将造成用材料太多,成本过高。外压负载比较复杂,主要包括土壤重量和地面产生的静负载,以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂,因为塑料管属于柔性管。在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。换句话说,是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的,负载、管材和土壤(回填)3个参数都很重要,而且相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况。
根据世界各国的经验,塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中,铺设情况是最主要的。如果铺设情况比较好,环刚度较低的管材也不会有很大变形;反之,如果铺设情况不好,即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。要保证铺设情况良好并不是都能做到,同时也需要成本。根据一般生产厂家的生产规格。塑料埋地排水管可供选择的环刚度主妻有4kN/m2、8kN/m2两种规格。结合以往施工及设计经验,笔者建议在设计塑料埋地排水管时尽量选择较高的环刚度。直径在500mm以下塑料埋地排水管:一般选择环刚度8kN/m2,只有在地质条件好又没有运输车辆负载的采用环刚度4kN/m2;直径在500-1200mm的塑料埋地排水管:尽量选择环刚度8kN/m2,如果选择环刚度8kN/m2以下的要经过结构设计计算(变形验算,压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等);直径800mm以上的塑料埋地排水管:重要工程推荐使用环刚度较高(环刚度8kN/m2以上的)的金属增强复合缠绕管和玻璃钢夹砂管。如果使用环刚度较低(环刚度8kN/m2以下)的热塑性塑料管,务必要经过结构设计计算(变形验算,压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等)。
3 结语
市政排水管网的优化设计,是当前市政工程关注的重点,在当前形势下,要充分利用排水体制,在管网上进行优化设计,合理应用新型材料,才能使排水管网更上一层楼。
参考文献
[1]郭建生,杨元明,宋天霞等.地势和地貌在排污管网优化设计中的应用[J].华中科技大学学报,2001,29(8):87-89.
[2]北京市市政工程设计研究院.给水排水设计手册第5册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
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