第6章给水管网的设计计算

第六章给水管网的设计计算6.1管网计算的课题内容：在最高时用水情况下，求出所有管道的直径、水头损失、水泵扬程和水塔高度。并对事故时、消防时、最大转输时的水泵扬程进行较核。重要性：管道工程的建设投资占整个给水系统总投资的60％～80%，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的40％～70%。设计计算步骤：①绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，标明管段长度和节点地形标高（不要求）；②按最高日最高时计算比流量、沿线流量和节点流量；③对各管段拟定水流方向，进行流量分配；④初步确定各管段的管径和水头损失；⑤进行管网水力计算和技术经济计算（不要求）；⑥确定水塔高度和水泵扬程；⑦根据管网各节点的压力和地形标高，绘制等水压线和自由水压线图（不要求）。6.2管网图形及简化管网计算中，城市管网现状核算、现有管网扩建计算最为常见。除新设计管网，定线和计算仅限于干管，对改建和扩建管网往往适当简化，保留主要干管，略去次要、水力条件影响较小的管线。管网图形简化是在保证计算结果接近实际情况的前提下对管线进行的简化，这样能减轻计算工作量。管段基环节点管线大环节点：有集中流量进出、管道合并或分叉以及边界条件发生变化的地点大环：包含两个或两个以上基环的环管段：两个相邻节点之间的管道管线：顺序相连的若干管段基环：不包含其它环的环环：起点与终点重合的管线管网图形中每个节点通过一条或多条管段和其他节点相连接。如果舍去后，会破坏“图”的连续性的管段，称为联系管段；会破坏“图”的连续性的节点，称为铰点。铰点联系管段多水源管网，为计算方便，有时将两个或多个水压已定的水源节点（泵站、水塔等）用虚线和虚节点0连接起来，也形成环，因实际上并不存在，所以叫做虚环。节点合并管段合并分解忽略管段合并：长度近似相等、彼此几乎平行且相距很近的两条管段计算时可合并。节点合并：距离很近的两个节点计算时可视为一个节点。分解：只有一条管段连接的两个管网可分解成两个管网；管网末端水流方向确定的部分可分开计算；环状网上接出的树状网分开计算。忽略：管网中主要起联络作用的管段，由于正常运行时流量很小，对水力条件影响很小，计算时可忽略。在保证计算结果接近实际情况的前提下，为方便计算可对管线进行适度简化。管网图形及简化经分解、合并和省略等，管网由原来42个环减少到21环。6.3管段设计流量计算★管网计算时并不包括全部管线，而只计算经过简化后的干管网。★干管网的节点包括：＊水源节点，如泵站、水塔或高位水池；＊不同管径或不同材质的管线交接点；＊两管段交点或集中向大用户供水的点。★两节点之间的管线称为管段。★管段顺序连接形成管线。6.3.1沿线流量是指沿线分配给用户的流量。工业企业给水管网，大量用水集中在少数车间，配水情况比较简单。城市给水管网，沿管线配水，情况比较复杂。比流量法——假定小用水户的流量沿线均匀分布。（1）长度比流量：为简化计算而将除去大用户集中流量以外的用水量均匀分配在全部有效干管长度上，由此计算的单位长度干管承担的供水量。城镇中用水量标准不同的区域应分别计算比流量。msllqQqiis/；量的总和，管网中大用水户集中流—；，管网总最高时设计流量—式中：slqslQ//。该管段的计算长度，—式中：milmsllqQqiis/不配水：计算长度为零的一半单侧配水：取管道实长双侧配水：取管道实长等无建筑物地区的管线不包括穿越广场、公园，配水干管计算总长度，—ml)/(sllqqisl沿线流量ql：干管有效长度与比流量的乘积。（2）面积比流量假定沿线流量均匀分布在整个供水面积上。管线单位面积上的配水流量，称为面积比流量，记作qm。。总和，需沿线配水的供水面积—式：2m则沿线流量为：。，该管段负担的供水面积—式中：2mAi)/(slAqqiml2/mslqQqim每一管段所负担的供水面积可按分角线法和对角线法划分。街区长边上管段，其两侧供水面积均为梯形。街区短边上管段，其两侧供水面积均为三角形。45132分角线法对角线法注意：1）面积比流量考虑了沿线供水人数和用水量对管线配水的影响，计算结果更接近实际配水情况，但计算较麻烦。当供水区域干管分布较均匀时，二者相差很小。这时，用长度比流量较好。2）当供水区域内各区卫生设备或人口密度相差较大时，各区的比流量应分别计算。3）同一管网，比流量的大小随用水量变化而变化。各种工况下需分别计算。沿线流量沿管线分配，管段流量变化，难以确定管径、水头损失。沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时必须将其转化为从节点流出的流量，成为节点流量。这样，沿管线不再有流量流出，管段流量不再变化。管网中除最末端管段外，其他任一管段流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流量。6.3.2节点流量tlqqtqlqqsl沿线流量转换成节点流量的原则：管段水头损失相同。转移到末端的沿线流量其余流量转移到起端β—流量折算系数tlqqlq1tqlqtlqqlq1tqlqlqLxqqtqlqtlqqtqxdxLLxLqLxLqqqlltx222LxLqdxqdxdhlxLlqLdhh02231ltqq/22252282SQLQLQgDgdLHHhjiij222lltqLqqLh312312222;508.05;528.01;577.00（管网末端）5.0;501.050;504.010（管网起端）tlqqtqlqlq1流量折算系数β只与有关ltqq/管道沿线流量一份为二到两个端点上，误差工程上是允许的。3122lqLh例6-1比流量、沿线流量和节点流量计算（教材P95）6.3.3管段计算流量管段计算流量包括沿线流量和转输流量。必须按最高时用水量进行流量分配，得出各管段流量后，才能据此流量确定管径和进行水力计算。求出节点流量后，就可以进行管网的流量分配，分配到各管段的流量已经包括了沿线流量和转输流量。单水源树状管网的管段流量具有唯一性。任一管段的流量等于该管段以后（顺水流方向）所有节点流量的总和。泵站56385646273545286142733341217726234775环状网满足连续性条件（流向任一节点的流量（为负）必须等于流离该节点的流量（为正））的流量分配方案可以有无数多种。每一方案所得的管径也有差异，管网总造价也不相等。1510131218161714197612527148581912335913460249511135730102498如果管段q1-2分配流量很大，q1-4很小，虽满足：q1-2+q1-4=Q－q1，敷管费用较经济，但供水安全性差。因当管段1—2损坏时，全部流量必须在管段l—4中通过，使该管段水头损失过大，从而影响整个管网供水量或水压。环状网流量分配q1q2q3Q使环状网某些管段流量为零，即将环状网改成树状网，才能得到最经济的流量分配，但树状网并不能保证可靠供水。环状网流量分配时，应同时照顾经济性和可靠性。经济性是指流量分配后得到的管径，应使一定年限内的管网建造费用和管理费用为最小。可靠性是指能向用户不间断供水，并且保证应有的水量、水压和水质。经济性和可靠性之间往往难以兼顾，一般只能在满足可靠性的要求下，力求管网最为经济。环状网流量分配的方法和步骤：参照主导流向拟定各管段水流方向，并选定整个管网的控制点。为可靠供水，尽量使平行的主要干管分配相近的流量（防止某些管段负荷过重），连接管要少分配流量，满足沿线配水为限（主要作用是干管损坏时转输流量）。此分配值是预分配，用来选择管径，真正值由平差结果定。管道直径、管段计算流量和水流速度之间满足以下关系：在确定的计算流量下，管道直径是流速的函数：从技术上考虑，水流的最大速度应不超过2.5～3.0米/秒（防止水锤），最小速度不得小于0.6米/秒（防止沉积）。从经济上考虑，较大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但水流速度大导致水头损失增加，从而加大运行动力费用。合理的流速应该使在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。6.4管径计算42DqqD4)100()(121CpMtCMMtCWt11001MCpttWWt设Wt为总费用；C为管网造价，M1为年运行电费，M2为年折旧费用（与管网造价有关，可按其百分数表示，即p%C）；t为投资偿还年限。则有：投资偿还期内的年度总费用为：DeM1VeCpt1001WM1WVW0DW0年折算费用与管径、流速的关系一定年限t（投资偿还期）内，管网造价和经营管理费用之和为最小的流速，称为经济流速，以此确定的管径，称为经济管径。年运行电费Cpt1001造价和年折旧费用各城市的经济流速值应按当地条件（如水管材料和价格、施工条件、电费等）来确定，不能直接套用其他城市数据。另外，管网中各管段的经济流速也不一样，因计算复杂，有时简便应用“界限流量表”确定经济管径，见界限流量表。管径/mm界限流量/L·s－1管径/mm界限流量/L·s－1100＜9450130~1681509~15500168~23720015~28.5600237~35525028.5~45700355~49030045~68800490~68535068~96900685~82240096~1301000822~1120表6-3界限流量表管径（mm）平均经济流速（m/s）D=100～400D≥4000.6～0.90.9～1.4由于实际管网的复杂性，加上情况不断变化（如流量不断增加，水管价格、电费等也随时变化），要从理论上计算管网造价和年管理费用相当复杂且有一定难度。条件不具备时，也可采用由各地统计资料计算出的平均经济流速来确定近似经济管径。表6-4平均经济流速在使用各地区提供的经济流速或按平均经济流速确定管网管径时，需考虑以下原则：1）一般大管径可取较大的经济流速，小管径可取较小的经济流速；2）首先定出管网所采用的最小管径（由消防流量确定），按υe确定的管径小于最小管径时，一律采用最小管径；3）连接管属管网构造管，应注重安全可靠性，其管径应由管网构造来确定，即按与它连接的次要干管管径相当或小一号确定；4）由管径和管道比阻α关系可知，当管径较小时，管径缩小或放大一号，水头损失会大幅增减，而所需管材变化不多；相反，当管径较大时，管径缩小或放大一号，水头损失增减不很明显，而所需管材变化较大。因此，对于管网起端的大口径管道可按略高于平均经济流速来确定管径，对于管网末端较小口径的管道，可按略低于平均经济流速确定管径，特别是对确定水泵扬程影响较大的管段，适当降低流速，使管径放大一号，比较经济；5）管线造价（含管材价格、施工费用等）较高而电价相对较低时，取较大的经济流速，反之取较小的经济流速。重力供水时，水源水位高于给水区所需水压，两者标高差H可使水在管内重力流动。各管段经济管径应按输水管和管网通过设计流量时，供水起点至控制点的水头损失总和等于或略小于可利用的水头来确定。6.5树状管网水力计算计算步骤：①确定各管段流量；②根据经济流速选取标准管径；③计算各管段水头损失；④确定控制点；⑤计算控制线路的总水头损失，确定水泵扬程或水塔高度；⑥确定各支管可利用的剩余水头；⑦计算各支管的平均水力坡度，选定管径。例6-2树状管网设计计算（教材P103）6.6.1管网计算基础方程目的：确定各水源节点供水量、各管段流量和管径、全部节点的水压。多水源环状管网的管段数Ｐ、节点数Ｊ、基环数Ｌ和水源数Ｓ满足列关系：Ｐ＝Ｊ+Ｌ-Ｓ单水源环状管网：Ｐ＝Ｊ+Ｌ-1树状管网：Ｐ＝Ｊ-