给水管网设计与计算.ppt

第四章 给水管网设计与计算(2） 管网计算步骤 1、求沿线流量和节点流量； 2、求管段计算流量； 3、确定各管段的管径和水头损失； 4、进行管网水力计算和技术经济计算； 5、确定水塔高度和水泵扬程。 4.2 设计流量分配与管径设计 用水流量分配 为进行给水管网的细部设计，必须将总流量 分配到系统中去，也就是将最高日用水流量 分配到每条管段和各个节点上去。 集中流量：从一个点取得用水，用水量较大的用户。 分散流量：沿线众多小用户用水，情况复杂。 4.2.1 节点设计流量分配计算 集中流量： qni 各集中用水户的集中流量，L/s； Qdi各集中用水户最高日用水量，m3/d； Khi时变化系数。 根据实际管网流量变化情况设计管网非常复杂，加 以简化。提出比流量，沿线流量，节点流量 的概念。 比流量：为简化计算而将除去大用户集中流量 以外的用水量均匀地分配在全部有效干管长度上 ，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。 长度比流量： 面积比流量： 沿线流量：干管有效长度与比流量的乘积。 l:管段配水长长度，不一定等于实际实际 管长长。无配水 的输输水管，配水长长度为为零；单侧单侧 配水，为实际为实际 管长长的一半。 公园街坊 街坊 街坊 街坊街坊 街坊街坊街坊 节点流量：从沿线流量计算得出的并且假设 是在节点集中流出的流量。 按照水力等效的原则，将沿线流量一分为二， 分别加在管段两端的节点上； 集中流量可以直接加在所处的节点上； 供水泵站或水塔的供水流量也应从节点处进入 管网系统 例5-1 图5-6所示管网，给水区的范围如虚线所示 ，比流量为qs，求各节点的流量。 因管段8-9单侧供水，求节点流量时，将管段配水长 度按一半计算。 解: 以节点3、5、8、9为例，节点流量如下： 例： 某城镇给水环状网布置如图所示，全城最高日 最高时总用水量315m3/h，其中包括工厂用水量 50m3/h，管段68和89均只在单侧有用户。计算 最高日最高时单位管长比流量、沿线流量和节点流 量。 1 4 2 9 5 水厂 7 8 6 3 工厂 880 640 710 540 520 620 520 560 580 920 890 解： 工厂的集中流量作为在其附近的节点4配出。管 段68和89均只在单侧有用户。各管段配水长度 如表所示。 全部配水干管总计算长度为6690m，该管网最高日 最高时的总用水量为： Q-q=(315-50) 1000/3600=73.6(L/s) 管长比流量qs为： Qs=73.6/6690=0.011(L/s.m) 表5-1 某城镇管网各管段最高日最高时沿线流量 管段编号管段长度(m)管段计算长度 (m) 沿线流量 (L/s) 水厂3620 1-24904905.39 1-48808809.68 2-58908909.79 4-55205205.72 2-35305305.83 3-692092010.13 5-65405405.94 4-76406407.04 6-85805800.53.19 7-87107107.81 8-95605600.53.08 合计669073.60 节点编号连接管段编号连接管段沿线流量之和(L/s)节点流量（ L/s) 11-2,1-45.39+9.68=15.077.54 21-2,2-3,2-55.39+5.83+9.79=21.0110.51 32-3,3-6,水厂-35.83+10.13+0=15.967.98 41-4,4-5,4-79.68+5.72+7.04=22.4411.2213.89 表5-2 某城镇管网最高日最高时各节点流量 1 4 2 7.54 9 5 水厂 7 8 6 3 工厂 （13.89 ） 10.72 10.51 7.98 9.63 11.22 7.42 1.54 880 640 710 540 520 620 520 560 580 920 890 例6.3 p128 管段设计流量分配计算 管段设计流量是确定管段直径的主要依据。 求得节点流量后，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。 1、 单水源树状网 树状管网的管段流量具有唯一性，每一管段的计算 流量等于该管段后面各节点流量和大用户集中用水 量之和。 泵站 5 6 3 8 5 6 4 6 2 7 3 5 4 5 2 8 6 14 27 33 3 4 12 17 7 26 2 34 77 5 环状管网满足连续性条件的流量分配方 案可以有无数多种。 15 10 13 12 18 16 17 14 19 7 6 12 5 27 14 8 58 19 12 33 59 134 6024 9 511 13 57 3010 249 8 2、环状网 流量分配遵循原则： (1)从水源或多个水源出发进行管段设计流量计算，按 水流沿最短线路流向节点的原则拟定水流方向； (2)当向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向主 要供水方向或大用户用水分配较大的流量，向次要用户 分配较少的流量； (3)顺主要供水方向延伸的几条平行干管所分配的计算 流量应大致接近； (4)每一节点满足进、出流量平衡。 例6.4 p132 管段直径设计 管径和设计流量的关系： D管段直径，m； q 管段流量，m3/s； v 流速，m/s； A 水管断面积，m3。 确定管径必须先选定设计流速。 设计流速的确定 技术上：为防止水锤现象，Vmax0.6m/s。 经济上：设计流速小，管径大，管网造价增加； 水头损失减小，水泵扬程降低，电费降低。 一般设计流速采用优化方法求得。 合理的流速应该使 得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费 用之和最小。 投资偿还资偿还 期内的年度总费总费 用为为： De M1 Ve W M1 W V W 0D W 0 管径 （mm）平均经济经济 流速 （m/s） D=100400 D400 0.60.9 0.91.4 一定年限T年内管网造价和管理费用（主要是电费） 之和为最小的流速，称为经济流速。 经济流速和经济管径和当地的管材价格、管线施工费 用、电价等有关。 条件不具备时，可参考： 选取经济流速时考虑的原则：p134 6.3 泵站扬程与水塔高度设计 设计流量经济流速管径确定压降确定 控制点确定泵站扬程和水塔高度确定 树枝状管网设计流量不会因管径选择不同而改变； 环状网中，管径根据初次流量分配确定，管网流量 按管网水力特性进行分配。 设计工况水力分析 设计工况即最高日最高时用水工况。管段流量和节 点水头最大，用于确定泵站扬程和水塔高度。 水力分析：确定设计工况时管道流量、管内流速、 管道压降、节点水头和自由水压。 水力分析前需进行预处理 1）泵站所在的管段暂时删除 水力分析前提：水力特性必须已知。 泵站水力特性未知，泵站设计流量合并到与之相关 联的节点中。 （1）（2）（3） （4）（5）（6） （7） （8） 1 9 8 7 6 5 4 3 2 Q7 Q3Q2 Q1 Q4Q5Q6 Q8 q1,h1 q6,h6q5,h5 q2,h2q3,h3 q7,h7 q8,h8q9,h9 q4,h4 节点（7）为清水池，管段1上设有泵站，将管段1删除， 其流量合并到节点（7）和（1）： （1）（2）（3） （4）（5）（6） （7） （8） 9 8 7 6 5 4 3 2 Q7+q1 Q3Q2Q1-q1 Q4Q5Q6 Q8 q6,h6q5,h5 q2,h2q3,h3 q7,h7 q8,h8q9,h9 q4,h4 2）假设控制点 水力分析前提，管网中必须有一个定压节点。 节点服务水头：节点地面高程加上节点处用户的最 低供水压力。 规定：一层楼10m，二层楼12m，以后每增一层， 压力增加4m。 控制点：给水管网中压力最难满足的节点，其节点 水头可作为定压节点。 控制点的选择 一般离泵站最远，地势最高的节点为控制点 。 可先随意假定，水力分析完成后，通过节点 自由水压比较，找到真正的控制点。 例6.5 某给水管网如图所示，水源、泵站和水塔位置标于图中 ，节点设计流量、管段长度、管段设计流量等数据也标注于图 中，节点地面标高及自由水压要求见表。 1）设计管段直径； 2）进行设计工况水力分析； 3）确定控制点。 （2）（3）（4） （6）（7）（8） H1=12.00 （1）清水池 水塔（5） 1320 94908590 73606 5 4270 35502650 -194.35 20.7751.17 14.55 35.0382.3327.65 -37.15 -194.35 32.4689.9 89.96.27 22.63 54.875.00 37.15 泵站 管网设计工况水力分析 节点编号12345678 地面标高(m)13.618.819.12232.218.317.317.5 要求自由水压(m)/24.02824/282824 服务水头(m)/42.847.146/46.345.341.5 给水管网设计节点数据 解 1）管段直径设计 （如下表）经济流速选择考虑 管段编号123456789 设计流量(L/s)194.3589.96.2737.1589.932.4622.6354.875 经济流速(m/s)110.20.8110.70.90.6 计算管径(mm)352338设计管径(mm)300*2300200200*2300200200300100 给水管网设计数据 2）设计工况水力分析 将管段1暂时删除，管段流量并到节点（2）上的Q2=- 194.35+14.55=-179.8（L/s） 假定节点（8）为控制点 水头损失采用海曾-威廉公式CW=110 管段或节点编号23456789 管段流量(L/s)81.088.7737.1598.7221.1425.1363.692.5 管内流速(m/s)1.150.280.591.40.670.80.90.32 管段压降(m)3.860.380.752.821.241.762.240.97 节点水头(m)47.5743.7143.2644.0444.7142.4741.5/ 地面标高（m）18.819.12232.218.317.317.5/ 自由水压（m）28.7724.6121.26/24.6125.1724/ 要求自由水压242824282824 设计工况水力分析计算结果 3）确定控制点 节点编号12345678 节点水头(m)/47.5743.7143.2644.0444.7142.4741.5 服务水头(m)/42.847.146/46.345.341.5 供压差额（m）/-4.773.392.74/1.592.830 节点水头调整 (m) 1250.6947.146.6547.448.145.8644.89 自由水压(m)/32.162824.65/29.828.5627.39 节点（3）、（4）、（6）、（7）压力无法满足服务水头要求 ，节点（3）和要求自由水压差值最大，所以控制点为节点（3 ），应根据节点（3）自由水压重新进行水力分析。 控制点确定与节点水头调整 泵站扬程设计 完成设计工况水力分析后，泵站扬程可以根据所在管段的 水力特性确定。泵站扬程计算公式： Hfi泵站所在管段起端节点水头 Hti终端节点水头 hfi沿程水头损失 hmi局部水头损失 局部损失可忽略不计，上式也可写为： （2）（3）（4） （6）（7）（8） H1=12.00 （1）清水池 水塔（5） 1320 94908590 73606 5 4270 35502650 -194.35 20.7751.17 14.55 35.0382.3327.65 -37.15 -194.35 32.4689.9 89.96.27 22.63 54.875.00 37.15 泵站 管网设计工况水力分析 泵站扬程计算1 例6.6 采用例6.5数据，节点（1）处为清水池，最低 设计水位标高为12m，试根据设计工况水力分析的结 果，借1上泵站的设计扬程并选泵。 解水泵扬程为（忽略局部水头损失）： 考虑局部水头损失： 水泵吸压水管道设计流速一般为1.22.0m/s，局部阻 力系数可按5.08.0考虑，沿程水头损失忽略不计，泵 站内部水头损失为： 则水泵扬程应为： Hp=41.35+1.63，取43m； 按2台水泵并联工作，单台水泵流量为： Qp=194.35/2=97.2(m/s)=349.8（t/h)，取350t/h。 查水泵样本，选型。 （2）（3）（4） （6）（7）（8） H1=12.00 （1）清水池 水塔（5） 1320 94908590 73606 5 4270 35502650 -194.35 20.7751.17 14.55 35.0382.3327.65 -37.15 -194.35 32.4689.9 89.96.27 22.63 54.875.00 37.15 泵站 管网设计工况水力分析 泵站扬程计算2 （1）管网定线 （2）计算干管的总长度 （3）计算干管的比流量 （4）计算干管的沿线流量 （5）计算干管的节点流量 （6）定出各管段的计算流量 树状网：管段流量等于其后管段各节点流量和 环状网：根据一定原则先人为拟定 总结：给水管网设计和计算的步骤 （7）根据计算流量和经济流速，选取各管段的管径 （8）根据流量和管径计算各管段压降 （9）确定控制点，根据管道压降求出各节点水头和 自由水压。 树状网：根据流量直径计算压降。 环状网：若各环内水头损失代数和（闭合差）超过规定值，进 行水力平差，对流量进行调整，使各个环的闭合差达到规定的 允许范围内。 （6）（9）列水力分析计算表 （10）确定水泵扬程和水塔高度 某城市供水区用水人口5万人，最高日用水量定 额为150/(人)，要求最小服务水头为16。 节点接某工厂，工业用水量为4003/，两班制 ，均匀使用。城市地形平坦，地面标高为5.OO。 水泵 水塔 01 2 3 48 5 67 250 450300600 230 190 205 650 150 练习1 树枝网水力计算 1总总用水量 设计最高日生活用水量： 500000.157500m3/d86.81L/s 工业用水量： 4001625m3/h6.94L/s 总水量为： Q86.816.9493.75L/s 2管线总长线总长 度：L2425m，其中水 塔到节点0的管段两侧无用户不计入。 3比流量： (93.756.94)24250.0358L/s 4沿线流量： 管段管段长长度（m）沿线线流量（L/s） 01 12 23 14 48 45 56 67 300 150 250 450 650 230 190 205 3000.035810.74 1500.03585.37 2500.03588.95 4500.035816.11 6500.035823.27 2300.03588.23 1900.03586.80 2050.03587.34 合计计242586.81 5节点流量： 节节点节节点流量（L/s） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.510.745.37 0.5(10.74+5.37+16.11)16.11 0.5(5.37+8.95) 7.16 0.58.954.48 0.5(16.11+23.27+8.23)23.80 0.5(8.23+6.80)7.52 0.5(6.80+7.34)7.07 0.57.343.67 0.523.2711.63 合计计86.81 93.7588.3860.6311.63 4.48 11.64 3.67 10.74 18.26 水泵 水塔 01 2 3 48 5 67 250 450300600 230 190 205 650 150 3.67 11.63 4.48 7.16 23.80+6.94 7.07 7.52 16.11 5.37 6干管水力计算： 管段流量（ L/s） 流速（ m/s） 管径（ mm） 水头损头损 失（ m） 水塔0 01 14 48 93.75 88.38 60.63 11.63 0.75 0.70 0.86 0.66 400 400 300 100 1.27 0.56 1.75 3.95 h7.53 选定节点8为控制点，按经济流速确定 管径（可以先确定管径，核算流速是否在 经济流速范围内）。 7支管水力计算： 管段 起端水位 （m） 终终端水位 （m） 允许许水头损头损 失（m） 管长长 （m） 平均水力 坡度 13 47 26.70 24.95 21.00 21.00 5.70 3.95 400 625 0.01425 0.00632 管段流量(L/s) 管径(mm) 水力坡度 水头损头损 失(m) 12 23 45 56 67 11.64 4.48 18.26 10.74 3.67 150(100) 100 200(150) 150 100 0.00617 0.00829 0.00337 0.00631 0.00581 1.85(16.8) 2.07 0.64(3.46) 1.45 1.19 8确定水塔高度 水泵扬程：需要根据水塔的水深、吸水井最低水位 标高、水泵吸水管路和压水管水头损失计算确定。 水泵 水塔 01 2 3 48 5 67 250 450300600 230 190 205 650 150 练习2 树枝网水力计算 已知树状网各管段长度，各节点流量和高程，设水厂供水水压 按满足3层楼用水考虑，应满足自由水头He16m。水厂二级 泵站泵轴高程Zp为42.08m，水泵吸程（吸水高度Hs吸水管水 头损失hs）为4.0m，求二级水泵扬程。 1 7 6 5 43 2 5.6 680 5.4 16.6 6.2 15.8 5.3 11.1 600 710 620 580 640 520 水 厂 图5-13 某树枝网节点流量、管段长度 节点编号地面高程(m)节点编号地面高程(m) 142.95543.24 243.81643.94 343.88744.17 444.69 表5-6 某树枝网各节点地表高程 7 解（1）管网定线（已知） （2）计算干管的总长度（略） （3）计算干管的比流量（略） （4）计算干管的沿线流量（略） （5）计算干管的节点流量（已知） （6）定出各管段的计算流量 （7）根据计算流量和经济流速，选取各管段的管径 （8）根据流量和管径计算各管段压降 （9）确定4为控制点，根据管道压降求出各节点水头和自由水压。 （6）-（9）见水力计算表 管段或节点编号1234567 管段流量(L/s)6649.328.26.25.65.35.4 管径 管内流速(m/s)0.931.010.910.8- 管段压降(m)3.164.263.8910.58- 节点水头(m)79.4275.1671.2716+44.69- 地面标高（m）42.9543.8143.8844.69- 自由水压（m）36.4731.3527.3916- 设计工况水力分析计算结果 节点（4）水头=16+44.69 节点（3）水头=16+44.69+10.58=71.27 自由水压=71.27-43.88=27.39 （10）二级泵站水泵扬程 79.42-42.08 3.16+4.0 44.5（m) 已知某城镇给水管网最高用水时流量Qh=200L/s。各节点流量、 各管段长度见附图，单位分别为：米，升/秒。经济管径可参考 表1选取。试列表计算各管段的管径和流量。（只要求算到第二 次分配各管段的流量，即可结束计算）。 1 3 50l/s 2 4 表1 界限流量表 200l/s 60l/s 30l/s 60l/s 管径（ mm) 100150200250300350 计算流量 （l/s) 5.85.817.517.5313148.548.57171111 练习3 环状管网水力计算 答：因为分配初始流量有无数各方案，所以该题要求 能正确分配初始流量，确定管径，计算各管段水头损 失，环闭合差和环校正流量，能正确调整各管段的流 量。以下为一个例子： 1